[밤하늘의 물리학] Chapter 1. 우주론의 기원과 진화

hunhani (65)in #kr • 7 years ago (edited)

안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

오늘은 우주론의 기원과 진화에 대해 살펴보겠습니다. @oldstone 님께 천체물리학을 쉽게 설명해주는 글을 부탁받았습니다. @oldstone 님께 이번 시리즈를 헌정합니다.

대문을 제작해주신 @leesol 님께 감사드립니다.

고대의 수많은 우주관

기원전 6세기 피타고라스의 구형 지구, 기원전 4세기 에우독소스 동심천구설, 아리스토텔레스의 지동설, 레우키포스와 데모크리토스의 무한 원자 우주, 기원전 3세기 아폴로니우스의 주전원 및 아리스타르코스의 태양중심설, 기원전 2세기 히파르코스의 우주구조, 2세기 프톨레마이오스의 천동설 등 우주론과 종교가 분리되기 이전의 고대 사회에서는 수많은 우주관이 난립하였습니다.

아리스토텔레스의 우주

아리스토텔레스(B.C. 384~322)는 평평한 땅이 있고, 그 위로 거대한 유리 반구가 뒤덮고 있으며, 그 구에 촘촘하게 해와 달과 별이 박혀 있다고 생각했습니다. 이러한 우주관은 지구중심설, 즉 지구가 우주의 중심이면서 모든 천체가 지구 주위를 돈다고 생각하는 천동설에 속합니다. 아리스토텔레스의 유리 천장 우주에서 유리가 깨지지 않고 유지되면서 하늘의 모습이 변하는 까닭을 유리 공간 사이에 보이지 않고 느낄 수도 없는 어떠한 물질이 가득 차 있다고 생각했는데요. 이 물질을 ‘제5원소’라고 일컬었습니다. 아리스토텔레스의 우주관은 하나의 패러다임으로 자리 잡았습니다. 특히 제5원소의 존재는 여러 분야에 큰 영향을 미쳤는데 ‘에테르’라는 개념으로 확장되어 사용되었지만 결국 19세기 말 마이컬슨-몰리의 실험으로 반증되어 제5원소 혹은 에테르는 실존하지 않는 것이 드러났지요.

프톨레마이오스의 우주

프톨레마이오스(A.D. 83~168)는 플라톤, 아리스토텔레스, 히파르코스 등 여러 천문학자의 이론을 합쳐 새로운천동설을 제시했는데요. 그는 행성의 밝기 변화와 천체의 역행 현상을 설명하기 위하여 주전원 개념을 도입했습니다. 그의 천동설은 관측을 토대로 형성되었지만, 이것은 당시의 패러다임이었던 아리스토텔레스의 우주관에 입각한 것에 불과했습니다. 또한 이러한 주전원 역시 관측 결과를 완벽하게 설명할 수 없었고 원래 궤도를 중심으로 또 다른 작은 주전원을 도입하는 등 괜히 더 복잡한 천동설을 낳는 결과를 초래했습니다. 그럼에도 불구하고, 그의 이론은 중세 기독교 사회의 가치관에 부합했기 때문에 오랜 시간 동안 신뢰받는 이론으로 자리매김 하였습니다.

중세의 우주론, 지동설의 시대가 오다.

중세에 접어들면서 비로소 과학이 발전하여 우주관에서 우주론으로 접어들게 됩니다.

코페르니쿠스: 지구가 태양 주변을 돌고 있다는 지동설(태양중심설) 주장하였습니다.
갈릴레이: 망원경으로 태양의 흑점, 목성과 위성 등을 관측하여 지동설이 옳음을 확인하였습니다.
케플러: 티코 브라헤의 정밀한 관측 자료를 바탕으로 행성의 운동에 대한 세 가지 법칙(타원 궤도 법칙, 면적 속도 일정 법칙, 조화 법칙) 발표하였습니다.
뉴턴: 만유인력의 법칙을 발견하고 케플러의 세 가지 법칙과 지구 공전 궤도를 중력으로 설명하는 고전적인 중력 이론 완성했습니다.

현대의 우주론

현대의 우주론은 표준모형에 의해 기술되고 있는데요. (다음에 표준모형에 관해 따로 자세히 다루는 시간을 갖겠습니다.) 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표하면서 질량이 시공간을 휘게 만들며 중력은 이 휘어진 시공간 때문에 나타나는 효과인 것을 기존의 우주론에 적용하게 되면서 관련 연구가 촉발되었습니다. 현대의 우주론이 정립되는데 아래와 같이 수많은 연구들이 보탬이 되었습니다.

아인슈타인 방정식: 질량과 에너지가 등가인 점에서 출발하여 특정한 물질의 배치로부터 시공간의 왜곡을 계산할 수 있습니다.
프리드만 방정식과 로버트슨-워커의 해: 등방적인 우주의 팽창과 수축을 나타냅니다.
빅뱅(대폭발) 이론): 매우 높은 에너지를 가진 작은 물질과 공간이 약 137억 년 전의 거대한 폭발을 통해 우주가 되었다고 보고 우주의 시초를 설명해줍니다.
아노 알런 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨의 관측: 빅뱅 이론의 증거라고 할 수 있는 빅뱅의 잔재 신호 우주 마이크로파 배경 복사를 발견했습니다.
앨런 구스의 급팽창 이론: 초기 우주의 기하급수적인 팽창으로 우주가 매우 평탄한 이유를 설명해줍니다.
초신성 1987 IA의 관측: 우주가 가속 팽창하고 있음을 보여줍니다.