빅뱅 우주론의 지평선 문제와 급팽창 이론

고전적 빅뱅 우주론은 우주의 지평선 문제라는 모순점을 가지고 있다. 앨런 구스는 우주 형성의 극단적인 초기에 매우 짧은 시간 동안 크기가 급격히 팽창했다는 급팽창 이론을 제시했다.

 

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지평선 문제

 

우주 형성 이후 38만 년이 지난 시점에서 빛이 물질과 분리되어 팽창하는 우주 공간을 자유롭게 돌아다니며, 이 빛은 137억 년이 지난 현재 절대온도 3도의 우주 배경 복사로 관측된다. 그리고 이 빛은 어느 방향으로 보나 균일한 등방성을  보이며 단지 10만 분의 1도의 매우 미세한 비균질성을 가지고 있다. 이와 같은 사실들은 모든 방향으로 대칭적으로 팽창하고 있는 우주가 전체 공간 영역에서 같은 물리적 특성을 가지고 있다는 것을 뜻한다. 물리적 측면에서 생각하면, 관측 가능한 전 우주 공간은 서로 같은 정보를 교환하고 공유한다.

 

그런데 여기서 모순점이 생긴다. 지구에서 볼 때 우주 배경 복사가 관측되는 가시적 우주의 끝은 136억 9,962만 광년, 즉 거의 137억 년에 해당되며 이를 우주의 지평선이라고 한다.

 

그런데 지구를 중심으로 서로 반대 방향을 관측한다고 생각해 보면 각 반대 지점 가의 거리는 137억 년이 지나는 동안 빛이 도달할 수 없는 거리이다. 우주에서의 정보의 교환 도구를 생각해 볼 때, 두 지점은 우주의 나이 동안 정보를 전혀 교환할 수 없는 거리에 떨어져 있으며, 따라서 두 지점의 물리적 특성이 같을 이유가 하나도 없다. 그럼에도 불구하고 우주의 전 영역은 어느 방향으로 보나 등방적이고 균일한 특성을 보이고 있다. 이것이 고전적 빅뱅 우주론의 문제, 즉 우주의 지평선 문제이다.

 

급팽창 이론

 

급팽창 이론은 우주 초기의 어떤 순간에 빛보다 더 빠른 기하급수적 속도로 우주의 팽창이 일어나 우주의 크기가 엄청나게 커졌다는 것이다. 이러한 가설은 빛보다 빠른 물체의 운동이 있을 수 없다는 상대성 이론에 모순되는 것처럼 보이지만 , 상대서 이론은 공간 안에서 운동하는 물체에 적용되는 것이지 공간 자체의 팽창에는 적용되는 것이 아니다. 우주의 크기가 빛의 속도보다 더 빠르게 팽창했다면, 우주의 실제 크기는 현재 빛이 도달할 수 있는 거리보다 훨씬 더 클 수 있다.

 

따라서 공간의 급팽창 현상을 가정하면 현재 우리가 보는 우주의 지평선의 영역은 급팽창이 일어날 당시의 우주의 지평선 거리보다 훨씬 안쪽에 있었고 빛에 의한 정보의 교환이 가능했던 영역으로써, 그때 이미 공간은 균질한 특성을 지녔던 것이다. 또한 우주 배경 복사의 미세한 비균질성은 급팽창 이론에서 제시하는 급팽창 당시의 세밀한 작은 요동에 의해 쉽게 설명될 수 있다.