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인플레이션 : 초기 급팽창






빅뱅의 해결사 '급팽창'의 또 다른 매력은 오늘날 여러 천체를 탄생시킨 씨앗을 자연스럽게 뿌려준다는 점이다. 인플레이션 이론에 따르면, 대폭발 직후 찰나의 짧은 시간 동안 공간이 1030(10의 30승?)배 이상 급격하게 팽창하면서 물질이 만들어졌다고 한다. 급팽창을 일으키던 기운이 위치마다 다른, 즉 급팽창 때 생긴 미세한 밀도의 차이가 중력으로 인해 점차 커지면서 별과 은하계 등 거대 우주 구조가 형성되었다는 것이다.

다시 말해 만일 우주 초기에 인플레이션이라는 엄청난 팽창이 없었다면 지금과 같은 우주뿐 아니라 인간도, 지구도 탄생하지 못했다는 것이다. 우주가 탄생하고 찰나도 되지 않은 순간에 우주에는 너무나도 큰 사건이 벌어진 셈이다.

 

관측을 해본 우주는 거대한 규모에서 볼 때, 균일하다

빅뱅 우주 모형에서 제기된 또 다른 문제는 우주의 지평선 문제이다. 이 문제는 우주 은하들의 분포가 전체적으로 매우 균일하다는 사실로부터 기인한다. 우주 공간의 은하들은 은하단과 초은하단이라는 구조를 이루며 분포하지만, 이보다 더 큰 거대규모에서 볼 때 전 우주의 물질 분포는 균일하다. 또 우주배경복사 역시 우주의 물질이 전 우주에 걸쳐 매우 고르게 분포하고 있음을 말해준다. 우주배경복사탐사선(COBE)을 통하여 관측된 우주배경복사는 빅뱅으로부터 38만 년 후의 우주의 밀도분포를 보여주는데, 전 우주에 걸쳐 1/10만 범위의 오차 내에서 고르게 분포하고 있음을 보여준다. 이와 같은 사실들은 우주가 전체적으로 고르게 분포하고 있을 뿐 아니라 모든 방향으로 대칭적으로 팽창하고 있음을 말해준다.  

이것은 매우 납득하기 어려운 사실이다. 가시적 우주의 끝에서 끝까지의 거리는 137억 광년×2 = 274억 광년이다. 이 거리는 우주의 나이(137억 년) 동안 빛이 도달할 수 없는 거리이다. 우주가 균일해지기 위해서는 우주의 모든 곳, 우주의 한쪽 끝과 그 반대쪽 끝이 서로 정보를 교환할 수 있어야 한다. 하지만 이들은 빛의 속도로도 도달할 수 없을 만큼 멀리 떨어져 있다. 그럼에도 불구하고 우주의 모습이 어디나 똑같이 닮아있는 것이다.
  
오늘날 지구촌 사람의 패션은 시간 차이 없이 전 세계가 거의 동조화되어 가고 있다. 같은 패션이 여러 나라에서 거의 동시에 유행하고 있다. 이런 일이 가능해진 것은 전 세계가 매스컴과 네트워크로 서로 연결되어 있기 때문이다. 하지만 이런 일은 고대나 중세에는 전혀 가능하지 않았다. 나라마다 개성 있는 고유의 의상을 입고 있었다. 당시에는 정보전달이 동시대적으로 이루어지기 않았기 때문이다. 이로부터 알 수 있는 것은 자연은 서로 단절되어 있을 때 균일성보다는 다양성이나 독창성이 나타난다는 것이다.
  
지평선 문제 : 우주는 상호 정보 교환이 불가능 할 정도로 큰데, 균일할 수 있을까?

하지만 우리 우주는 서로 아무런 정보를 주고받을 수 없을 만큼 멀리 떨어져 있음에도 어디나 똑같이 닮아있다. 우주는 균일하고 우주의 모든 부분이 똑같은 물리법칙을 따르면서 똑같은 방식으로 동시에 팽창하고 있다. 이것을 우주의 지평선 문제라고 한다. 이러한 문제가 제기되는 것은 중력이 우주의 팽창을 늦추기 때문이다. 우리 우주가 현재보다 더 젊고 더 압축되어 있었을 때, 우주는 더 빨리 팽창하고 있었고 서로 간에 신호 전달이나 어떤 인과적인 접촉이 일어날 수 있는 시간도 훨씬 적었다.
  
인플레이션 이론의 등장 : 우주가 초기에는 빛 보다 빠르게 커졌다

우주학자들이 빅뱅우주론에서 불거진 이와 같은 문제 때문에 골머리를 앓고 있을 때, 스탠퍼드 선형가속기 센터에서 일하고 있던 앨런 구스는 1979년 12월 어느 날 우주가 태어나자마자 엄청나게 빠른 속도로 팽창했다고 가정하면 이런 수수께끼들을 모두 해결할 수 있다는 사실을 발견했다. 구스는 입자물리학 이론의 하나인 대통일장이론(GUTs)에서 제기된 자기홀극 문제를 해결하기 위해 이 가설을 제안했지만, 곧 빅뱅우주론의 문제들을 해결할 수 있음을 알았다.
  
인플레이션이라 불리는 이 이론은 우주 초기의 어떤 순간에 우주가 빛보다 더 빠른 속도로 팽창했다는 가설이다. 이것은 빅뱅 속에서 극미한 순간 동안 기하급수적으로 우주의 팽창이 일어나 우주의 크기가 엄청나게 커졌다는 것이다. 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하면 모든 물체는 빛보다 빨리 운동할 수 없다고 생각할지도 모르지만 꼭 그렇지만은 않다. 특수상대성 이론은 공간 안에서 운동하는 물체에 적용되는 것이지 공간 자체의 팽창에는 적용되는 것이 아니기 때문이다.

다른 학자들도 이와 비슷한 결론에 도달했다. 대통일장이론에서 주장하는 힘의 상전이가 일어날 때 10-35초마다 2배씩 증가하는 극단적인 가속팽창이 일어날 수 있다는 것이다. 인플레이션이 일어난 시기는 대폭발 후 10-37초에서 10-33초까지로, 이 짧은 시간 동안 시공간은 빛 보다 빠른 속도로 팽창하여 우주의 크기는 양성자보다 훨씬 작은 크기에서 1026배 이상 커졌다는 것이다.
인플레이션이론으로 평탄성과 지평선 문제를 설명할 수 있다

인플레이션이론을 도입하면 우주의 지평선 문제는 쉽게 설명할 수 있다. 인플레이션에 의해 우주의 크기가 빛의 속도보다 더 빠르게 팽창하므로 인플레이션이 일어날 당시의 우주의 지평선 거리는 현재 빛이 도달할 수 없는 거리보다 훨씬 바깥으로 밀려나가 버린다. 따라서 현재 우리가 보는 우주의 지평선은 인플레이션이 일어날 당시에는 지평선 거리보다 훨씬 안쪽에 있었으므로 우주의 모습이 닮아 있는 것은 당연한 것이 된다.

우주의 평탄성 문제 역시 인플레이션이론으로 설명된다. 우주의 급격한 팽창은 우주 초기에 있었을지도 모르는 우주의 곡률을 거의 0으로 접근시킨다. 이것은 작은 풍선표면의 곡률은 매우 크게 느껴지지만, 지구표면에서는 지구의 곡률을 느낄 수 없는 것과 같다. 현재 우주가 곡률이 거의 0인 평평한 우주로 인식되는 것은 인플레이션으로 우주가 충분히 크게 팽창하였기 때문이다.