4 . 빅뱅 이론 의 태동 일단 허블 의 발견 으로 우주 가 정적 이 지 않 고 동적 으로 팽창 한다는 사실 은 어느 정도 받아들여졌 다 . 그러나 그것 이 곧 우주 가 작 은 원자 상태 에서 시작 되 었 다는 르메트르 의 가설 이 옳 다는 것 은 아니 었 다 . 우주 가 지금 보다 과거 에 작 았 을 수 는 있 지만 꼭 하나 의 점 에서 시작 해야 한다는 결정 적 인 증거 는 발견 되 지 않 았 다 . 르메트르 의 의견 이 좀 더 진화 되 고 가다듬 어 져서 빅뱅 이론 이 되 려면 아직 도 시간 이 필요 했 던 것 이 다 . 이 시기 에 중요 한 진전 을 가져온 과학자 는 바로 조지 가모프 ( George Gamow ) 였 다 . 그 는 한때 프리드만 과 같이 일 하 기 도 했 던 소련 의 과학자 였 다 . 그러나 소련 은 과학 연구 에 이상 적 인 곳 은 아니 었 다 . 왜냐하면 공산당 은 마르크스 와 레닌 의 변증법 적 유물론 을 과학 이론 에 적용 하 려 했 기 때문 이 다 . 이 로 인해 한동안 소련 과학 계 에서 는 상대 성 이론 이나 모던 다위니즘 이 부정 되 기 도 했 다 . ( 여담 이 지만 스탈린 시절 ' 부르주아 적 인 ' 다윈 의 이론 을 적용 하 고자 했 던 과학자 들 에게 는 즐거운 굴 락 ( 소련 의 강제 노동 수용소 ) 체험 이 기다리 고 있 었 다 ) ( 조지 가모프 ) 이 에 가모프 는 몇 차례 의 실패 끝 에 1933 년 브뤼셀 에서 열린 솔베이 학회 를 통해 미국 으로 망명 했 다 . 이 는 향후 빅뱅 이론 의 발전 을 위해 다행 한 일 이 었 다 . 당시 가모프 는 원자핵 의 합성 에 큰 관심 을 가지 고 있 었 다 . 그 는 그것 을 르메트르 의 원시 원자 이론 과 연결 시켜 생각 해 보 았 다 . 르메르 트 는 매우 큰 질량 을 가진 하나 의 원시 원자 가 갈라져서 현재 의 모든 원자 가 되 었 다고 생각 했 다 . 질량 이 큰 원자핵 이 라면 매우 불 안정 할 것 이 다 . 이것 은 이 원시 원자 가 곧 분열 되 어 작 은 원자 들 로 갈라진다는 의미 였 다 . 그런데 이렇게 큰 원자핵 에서 작 은 원자핵 으로 분리 되 었 다면 , 현재 우주 에 있 는 원소 들 은 더 이상 잘 안 쪼 깨지 는 안정 한 분자 들 - 예 들 들 어 철 분자 - 등 이 풍부 한 상태 일 것 이 다 . 그러나 당시 과학자 들 은 우주 에 있 는 원소 의 대부분 이 수소 이 고 여기 에 약간 의 헬륨 이 있 으며 , 나머지 는 정말 약간 에 불과 하단 사실 을 알 고 있 었 다 . 수소 는 전체 물질 의 90 % 를 차지 하 고 있 었 고 , 나머지 대부분 은 헬륨 이 었 다 . 이것 은 르메트르 의 원시 원자 가설 로 는 설명 이 되 지 않 는 현상 이 었 다 . 르메트르 의 우주 모델 은 한계 에 부딪혔 다 . 가모프 는 우주 가 탄생 초기 에 수소 로 되 어 있 다면 어떻게 될지 를 생각 해 보 았 다 . 당시 태양 에너지 의 근원 이 핵융합 이 라는 것 은 알려져 있 었 다 . 4 개 의 수소 원자핵 이 1 개 의 헬륨 원자핵 으로 융합 하 면서 헬륨 을 생산 할 수 있 었 다 . 하지만 이 속도 는 매우 느리 게 진행 되 는 것 이 었 다 . ( 이전 태양 의 탄생 과 죽음 이 라는 포스트 참조 : http : / / blog . naver . com / jjy 0501 / 100071282094 ) 사실 이 속도 가 느리 기 때문 에 태양 이 바로 꺼지 지 않 고 단세포 에서 인간 으로 진화 하 는 동안 유지 될 수 있 는 것 이 다 . 당시 우주 의 나이 는 18 억 년 으로 생각 되 었 다 . 별 의 내부 에서 발생 하 는 핵융합 으로 10 % 에 달하 는 헬륨 이 만들 어 지 기 에 는 우주 의 나이 가 너무 짧 았 다 . 따라서 가모프 는 우주 에 있 는 헬륨 의 대부분 은 우주 가 생성 될 당시 에 만들 어 진 것 으로 생각 했 다 . 그런데 가모프 의 생각 은 여기 서 더 진행 했 다 . 당시 이론 으로 는 헬륨 보다 무거운 원소 들 은 어떻게 생성 되 는지 알 수 없 었 다 . 가모프 의 생각 으로 는 우주 탄생 초기 에서 이런 원소 들 이 생성 될 가능 성 이 있 었 다 . ( 즉 가모프 의 이론 은 우주 의 탄생 - 오늘날 빅뱅 으로 불리 는 - 이 있 었 다는 가정 에서 시작 한다 ) 초기 우주 는 별 의 중심부 와 는 비교 할 수 없 을 만큼 극한 적 인 온도 와 압력 을 가질 수 있 다고 생각 했 기 때문 이 다 . 1940 년 대 초 가모프 는 초기 빅뱅 이론 을 연구 하 는데 있 어 거의 독보 적 인 존재 였 다 . 왜냐하면 가모프 이외 의 미국 핵 물리학자 들 이 모두 원자 폭탄 연구 에 투입 되 었 기 때문 이 다 . 가모프 는 과거 붉 은 군대 에 장교 로 복역 한 이력 덕택 ( ? ) 에 남 들 이 폭탄 연구 를 할 때 자신 의 연구 를 방해 받 지 않 을 수 있 었 다 . 가모프 는 우주 탄생 초기 의 고온 고압 의 상태 에서 는 모든 물질 이 아주 기본 적 인 상태 로 만 존재 한다고 생각 했 다 . 그 는 전자 , 양성자 , 중성자 로 이루어진 이른바 원시 우주 스프 인 일름 ( ylem ) 이 라고 명명 했 다 . 이 원시 우주 가 팽창 하 면서 온도 가 떨어지 고 양성자 와 중성자 , 전자 가 뭉쳐서 여러 원자 들 이 생성 되 었 다는 것 이 다 . 그러나 이 이론 을 완성 하 기 위한 수학 적 계산 을 하 는 일 은 가모프 혼자 감당 할 일 이 아니 었 다 . ( 일름 이 라고 써진 병 에서 나오 는 가모프 - 유머 감각 이 탁월 했 던 가모프 강의 도중 에 자신 이 일름 이 라는 병 에서 나오 는 슬라이드 를 끼워 넣 다 . 중앙 의 병 에서 나오 는 가모프 를 중심 으로 오른쪽 이 랠프 앨 퍼 이 며 , 왼쪽 은 로버트 허먼 이 다 ) 1945 년 에 이르 러 가모프 는 천재 적 인 수학 적 재능 을 가졌 지만 유태인 이 라는 이유 로 장학금 이 취소 된 랠프 앨 퍼 ( Ralph Alpher ) 를 새롭 게 자신 의 박사 과정 학생 으로 받아들였 다 . 그 들 은 3 년 에 걸쳐 어려운 수학 적 계산 을 가다듬 었 다 . 앨 퍼 는 탄생 초기 몇 분 간 우주 의 생 성 에 대한 모델 을 가다듬 었 다 . 그 가 만든 우주 모델 에서 는 우주 의 탄생 300 초 이내 에 수소 10 개 당 1 개 의 헬륨 이 생성 되 었 는데 , 이 는 관측 결과 에 일치 하 는 것 이 었 다 . 이 연구 성과 를 바탕 으로 1948 년 4 월 1 일 에 가모프 와 앨 퍼 는 자신 의 우주 모델 을 화학 원소 의 기원 ( The Origin of Chemical Elements ) 이 라는 제목 의 논문 으로 발표 하 여 물리 리뷰 ( Physical review ) 지 에 실 었 다 . 그런데 가모프 의 짓 굿 은 만우절 장난 이 사단 을 불렀 다 . 가모프 는 유머 감각 이 탁월 한 사람 이 었 다 . 그 는 이 논문 에 는 별 기여 를 하 지 않 았 지만 이미 유명 한 물리학자 인 베테 ( Hans Bethe ) 를 논문 의 저자 로 끼워 넣 었 다 . 그 는 앨 퍼 , 베테 , 가모프 순 으로 된 이름 을 보 면서 알파 , 베타 , 감마 이론 으로 불리 기 를 원했 던 것 이 다 . 따라서 이 논문 은 앨 퍼 - 베테 - 가모프 논문 ( Alpher – Bethe – Gamow paper ) 나 혹은 αβγ ( 알파 , 베타 , 감마 ) 논문 으로 불리운다 . 앨 퍼 는 여기 에 강력히 항의 했 는데 이 는 두 유명 한 과학자 들 사이 에서 박사 과정 인 자신 의 이름 이 더 가려 보였 기 때문 이 다 . 아무튼 앨 퍼 는 이 연구 성과 로 자신 의 박사 학위 를 받 았 으며 이 는 성공 적 이 었 다 . 그러나 그 의 우려 대로 그 의 명성 은 가려 보일 수 밖 에 없 었 다 . 하지만 이 발표 로 가모프 와 앨 퍼 의 이론 이 널리 받아들여져서 오늘날 의 빅뱅 이론 으로 발전 했 다고 말 하 기 는 어렵 다 . 초창기 빅뱅 이론 이 라고 부를 만 한 이 연구 성과 가 발표 되 자 많 은 과학자 들 이 의문 을 제기 했 다 . 그 중 에서 가장 큰 의문 은 사실 가모프 자신 이 이 이론 을 연구 했 던 이유 였 다 . 그 들 이 발표 한 모델 에서 는 헬륨 보다 더 무거운 원소 들 이 어떻게 생성 되 지 는지 를 밝히 지 를 못 했 던 것 이 다 . 가모프 와 앨 퍼 는 다른 원소 들 의 생 성 을 밝히 기 위해 계속 연구 를 진행 했 지만 간단 하 게 해결 될 것 같 은 이 문제 는 전혀 해결 의 기미 를 보이 지 않 았 다 . 한편 앨 퍼 는 새로운 동료 인 허먼 을 받아들여 원소 문제 이외 의 문제 도 같이 연구 했 다 . 그 들 은 초기 우주 에서 우주 의 온도 가 내려가 면 어떤 일 이 발생 하 는 지 를 연구 했 다 . 초기 우주 의 탄생 수분 사이 에 초기 의 수소 및 헬륨 원자핵 들 이 생성 된 이후 우주 의 온도 는 너무나 높 아서 전자 와 원자핵 이 원자 를 만들 지 못하 고 자유 롭 게 다니 는 상태 인 플 라즈 마 상태 의 우주 였을 것 이 다 . 이 플 라즈 마 상태 에서 는 우주 초기 에 빛 들 이 직진 하 지 못하 고 모두 산란 되 어 우주 는 짙 은 안개 처럼 불 투명 하 게 보였 을 것 이 다 . 그러 다 우주 가 탄생 한 이후 30 만 년 이 지나 우주 가 식고 온도 가 3 천 도 이하 로 내려가 면 수소 및 헬륨 원자핵 은 전자 와 만나 ' 재결합 ' 을 이룬다 . 결국 수소 와 헬륨 원자 가 생성 되 면서 플 라즈 마 상태 에서 고온 의 기체 상태 로 바뀌 면서 빛 이 직진 할 수 있 게 된다 . 그러면 우주 는 마법 처럼 맑 아 졌 을 것 이 다 . 그리고 이 플 라즈 마의 안개 가 걷힐 때 의 빛 의 파장 은 섭씨 3 천 도 에서 의 파장 인 1 천 분 의 1 밀리미터 정도 일 것 으로 예상 되 었 다 . 그러나 적색 편이 로 인해서 이 빛 은 현재 에 는 파장 이 대략 1 밀리리터 정도 일 것 으로 예측 됐 더 . 만약 이 이론 이 맞 다면 이 때 의 빛 은 오늘날 까지 우주 를 떠돌 고 있 을 것 이 다 . 즉 우리 우주 에 는 파장 이 1 밀리리터 정도 인 약한 마이크로파 가 가득 할 것 이 다 . 우주 배경 복사 ( Cosmic Microwave Background Radiation or CMB / CMBR ) 라고 불리 는 이 빛 의 메아리 를 관측 한다면 가모프 와 앨 퍼 , 허머 의 우주 탄생 이론 - 즉 빅뱅 이론 의 결정 적 인 증거 가 될 것 이 다 . ( 당시 엔 아직 빅뱅 이 란 명칭 은 없 었 지만 ) 그러나 이 들 에게 는 불행 하 게 도 누구 도 이런 우주 배경 복사 를 발견 하 려는 연구 를 시작 하 지 않 았 다 . 그 들 의 연구 결과 는 곧 무시 되 었 다 . 당시 엔 우주 가 작 은 원자 만 한 크기 에서 시작 되 어 팽창 하 고 진화 되 어 오늘날 의 우주 가 되 었 다는 이론 은 혁신 적 이나 지지자 가 별로 없 는 이론 이 었 다 . 당시 대부분 의 천문학자 들 에게 우주 가 팽창 한다는 것 은 받아들여 졌으나 우주 가 한 점 에서 시작 되 었 다는 것 은 받아들여 지 기 어려웠 던 것 이 다 . 대신 많 은 과학자 들 이 영원 한 우주 의 모습 을 지지 했 다 . 그러 니 있 지 도 않 을 것 으로 보이 는 빅뱅 을 연구 하 기 위해 우주 배경 복사 를 관측 하 는 과학자 들 은 없 었 다 . 가모프 와 앨프 , 허먼 은 이 와 같 은 실험 과학 영역 에 미숙 했 기 때문 에 다른 과학자 들 을 설득 해 보 려고 했 지만 허사 였 다 . 결국 5 년 후 인 1953 년 , 가모프 는 DNA 연구 로 주제 를 바꾸 고 , 앨 퍼 는 제 네 럴 일렉트릭 사 에 취직 했 고 , 허먼 은 제 네 럴 모터스 에 취직 했 다 . 적어도 이 순간 까지 는 빅뱅 이론 은 유망 해 보이 지 못했 다 . 5 . 정상 우주 모델 허블 의 발견 으로 우주 가 팽창 한다는 것 은 명백 해 보였 다 . 그러면 우주 의 크기 는 과거 엔 지금 보다 작 지 않 았 을까 ? 심지어 는 한 점 에서 우주 가 시작 했 을 수 도 있 다 . 이것 은 결국 빅뱅 이론 을 암시 한다 . 그러나 1946 년 프레드 호일 ( Fred Hoyle ) 을 비롯 한 일단 의 과학자 들 은 우주 의 팽창 을 설명 하 면서 도 창조 도 종말 도 없 는 영원 한 우주 를 보존 할 수 있 는 방법 을 알아냈 다 . 이른바 정상 우주 이론 ( Steady State Theory ) 이 라고 하 는 것 이 었 다 . ( 프레드 호일 경 ) 프레드 호일 과 그 동료 들 이 발표 한 정상 우주 모델 의 가장 큰 특징 은 바로 우리 의 우주 가 과거 와 현재 , 그리고 미래 가 모두 동일 하 다는 것 이 었 다 . 아인슈타인 은 자신 의 상대 성 이론 을 발전 시킬 때 우주 원리 를 주장 했 다 . 이것 은 우리 의 주변 환경 이 우주 의 다른 곳 과 근본 적 으로 같 다는 것 이 다 . 즉 우리 가 사 는 곳 은 특별 한 곳 이 아니 라는 것 이 다 . 호일 의 동료 인 골드 는 이 를 더 진보 시켜 완전 한 우주 원리 를 주장 했 다 . 우리 가 사 는 시대 의 우주 는 과거 와 현재 , 미래 가 동일 했 다 . 팽창 하 는 우주 가 어떻게 그렇게 될 수 가 있 을까 ? 여기 팽창 하 는 우주 가 있 다 . 우주 가 팽창 함 에 따라 같 은 우주 공간 에 있 는 은하 의 숫자 는 줄어든다 . 즉 우주 의 밀도 는 낮 아 질 것 이 다 . 이 우주 에서 는 우주 의 과거 와 현재 , 그리고 미래 가 서로 밀도 가 다를 수 밖 에 없 다 . 반면 정상 우주 모델 에서 는 우주 가 팽창 해도 우주 의 밀도 는 계속 동일 하 다 . 왜냐면 빈 공간 에서 물질 이 계속 생성 되 기 때문 이 다 . 호일 은 엠파이어 스테이트 빌딩 만 한 크기 에서 1 세기 에 한 개 의 원자 만 창조 되 어도 밀도 가 유지 될 수 있 다고 했 다 . 이것 은 우리 가 관측 을 통해 빈 공간 에서 물질 이 생성 되 는 것 을 발견 하 지 못했 다는 사실 을 설명 ( ? ) 할 수 있 었 다 . 그런데 물질 이 도대체 어디 서 생성 될까 ? 호일 은 C field 로 알려진 창조 장 ( Creation field ) 에서 새로운 물질 이 생성 된다고 주장 했 다 . 여기 서 서서히 물질 이 형성 된다면 우주 의 밀도 는 유지 될 수 있 으며 , 이 로 인해 우주 는 과거 와 현재 , 미래 가 동일 하 게 된다 . ( 아래 그림 참조 ) ( 위 에 있 는 빅뱅 모델 에서 는 우주 가 팽창 함 에 따라 밀도 가 낮 아 진다 . 반 대로 정상 우주 모델 에서 는 빈 공간 에서 새로운 물질 이 계속 생성 되 어 우주 의 밀도 는 동일 하 다 . 우주 의 상태 는 계속 현재 와 같 은 상태 로 유지 되 는 것 이 다 ) 만약 빅뱅 이론 이 옳 다면 우주 의 모습 은 과거 엔 지금 과 는 달랐 을 것 이 다 . 반 대로 정상 우주 모델 에서 는 과거 와 현재 가 같 다 . 그렇 다면 우주 의 과거 를 들여다 볼 수 있 다면 이 이론 의 옳 고 그름 을 판단 하 는 데 도움 을 줄 것 이 다 . 하지만 우주 의 과거 를 어떻게 볼 수 있 을까 ? 그것 은 아주 멀리 있 는 우주 의 모습 을 관측 한다면 가능 하 다 . 우리 가 100 억 광년 밖 의 은하 를 본다면 이 빛 이 도달 하 는 데 100 억 년 이 걸린 셈 이 므로 100 억 전 의 과거 를 보 는 셈 이 다 . 그러나 불행히 당시 빅뱅 이론 과 정상 우주 이론 이 나온 시점 의 망원경 의 성능 은 이런 판가름 을 할 수 있 을 정도 로 좋 지 않 았 다 . 결국 두 이론 은 상대 진영 을 서로 물 고 늘어지 면서 서로 결정 적 인 증거 는 제시 를 하 지 못했 다 . 또 한편 으로 프레드 호일 은 대중 에게 인기 있 는 과학자 중 하나 였 다 . 그 는 자신 의 정상 우주 모델 을 크 게 광고 하 면서 대중 에게 강연 했 다 . 그런데 뜻 하 지 않 게 프레드 호일 경 의 발언 이 빅뱅 이론 에 기여 하 게 되 었 다 . 1950 년 BBC 방송 에 출연 한 프레드 호일 경은 자신 의 정상 우주 모델 보다 신빙 성 이 적 은 우주 모델 도 있 다는 것 을 대중 에게 강연 했 는데 , 여기 서 호일 경 은 이 이론 을 빅뱅 ( Big Bang ) 이론 이 라 불렀 다 . 사실 이 이론 은 역동 적 으로 진화 하 는 우주 모델 이 라는 좀 더 고상 한 이름 을 가지 고 있 었 지만 호일 은 약간 의 경멸 을 담 아서 이 이론 을 설명 한 것 이 다 . ' 그 들 은 거대 한 폭발 ( 이름 그대로 Big Bang ) 에 의해 우주 가 생성 되 었 다고 주장 합니다 . ' 프레드 호일 은 분명히 비웃 으려는 의도 에서 아마 이런 명칭 을 붙였 겠 지만 간단 한 이름 덕 에 대중 들 에게 곧 각인 될 수 있 었 고 , 좀 더 시간 이 지나 서 는 과학자 들 도 이 명칭 을 스스 럼 없이 사용 하 게 되 었 다 . 역설 적 이 지만 이 이론 의 가장 큰 반대자 인 프레드 호일 경이 빅뱅 이론 의 이름 을 붙인 것 이 다 . 자료 참고 : 여기