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우주는 어떻게 탄생하고 오늘날의 모습으로 진화했나요? 미래는 어디로 갈 것인가? 이 과학적 명제, 아니 오히려 철학적 명제는 수천 년 동안 인류를 혼란스럽게 했습니다.

약 14년 전, 사람들은 완벽한 답이 있다고 생각했습니다. 천문학자들은 우주 배경 마이크로파 복사의 관찰을 통해 1929년에 마침내 에드윈 허블의 추측, 즉 13.7년경 빅뱅으로 우주가 탄생했다는 사실을 입증했습니다. 억년 전. 그 후 우주가 진화하면서 은하수, 태양계, 지구, 심지어 우리 인간까지도 차례차례 등장하게 되었습니다.

2006년 10월, 미국의 과학자 조지 F 스무트(George F Smoot)와 존 C 매더(John C Mather)가 그해 노벨 물리학상을 공동 수상한 것은 이 중요한 성과였습니다.

그러나 우주에 대한 우리의 이해는 분명히 이제 막 시작되었을 뿐입니다. 불과 한 달 뒤 NASA가 발표한 최신 연구 결과에 따르면 '암흑에너지'라는 신비한 힘이 최소 90억년 전에 존재했다는 사실이 드러났다.

즉, 우주 전체가 탄생한 지 50억 년이 채 지나지 않아 암흑에너지의 영향을 받기 시작했다는 것이다. 이전에 과학자들은 우주 초기에는 이런 종류의 힘이 존재하지 않았을 것이라고 일반적으로 믿었습니다. 그 당시에는 우리에게 친숙한 중력이 모든 것을 지배했기 때문입니다.

이 결과는 아직 우주의 미래가 어떻게 될지 확실하게 말해 줄 수는 없지만 우주의 작동 법칙에 대한 우리의 완전한 이해에 새로운 빛을 제공합니다. 관련 논문은 2007년 2월 미국 '천체물리학저널(The Asphysical Journal)'에도 게재될 예정이다.

본 연구팀의 리더이자 미국 존스홉킨스대학 교수인 아담 리스(Adam Riess)는 카이징(Caijing) 기자와의 인터뷰에서 “우리는 암흑에너지를 이해하는 진정한 이해와는 아직 거리가 멀다”고 말했다. 아직 멀었지만 더 많은 단서를 제공하기 때문에 분명히 매우 중요한 단계입니다.”

우주 팽창이 가속화되는 이유는 무엇입니까?

암흑에너지의 발견 과정은 매우 극적이다.

빅뱅 이론에 따르면 빅뱅 이후 시간이 지날수록 우주의 팽창 속도는 물질 간의 중력 효과로 인해 서서히 느려진다. 브레이크. 즉, 지구에서 상대적으로 멀리 떨어져 있는 은하계는 가까운 은하계보다 더 천천히 팽창해야 합니다.

그런데 1998년 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스(UC Berkeley) 물리학과 교수이자 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 수석과학자인 사울 펄머터(Saul Perlmutter)와 블레인에 있는 호주국립대학교의 브라이언 슈미트(Brian Schmidt)가 이끄는 두 팀은 관측을 통해 먼 은하들이 점점 더 빠른 속도로 우리에게서 멀어지고 있다는 사실을 발견했습니다.

즉, 우주의 팽창은 이전에 과학자들이 예측했던 것처럼 감속하는 것이 아니라 계속해서 가속 페달을 밟는 자동차처럼 가속되고 있는 것입니다.

이렇게 전혀 예상치 못한 관찰은 우주에 대한 전통적인 이해를 근본적으로 뒤흔들었습니다. 그렇다면 모든 은하나 기타 물질을 가속시키는 힘은 무엇입니까?

과학자들은 중력과 반대되는 반발력을 '암흑에너지'라고 부른다. 그런데 "암흑 에너지"는 실제로 무엇을 의미합니까? 지금까지 우리가 줄 수 있는 것은 우주 구조에 대한 아주 대략적인 '피라미드 그림'뿐이다.

우리가 익숙한 세계, 즉 식물, 나무, 산, 강, 별 달은 일반 원자로 구성되어 있으며 우주 전체의 4개는 피라미드의 꼭대기에 해당합니다.

아래 22는 암흑물질이다.

이 물질은 전자기적 상호작용에 참여하지 않고 육안으로는 볼 수 없는 아직 알려지지 않은 입자로 만들어졌습니다. 하지만 일반 물질과 마찬가지로 중력에 참여하므로 감지가 가능합니다.

74는 탑의 기반으로 가장 신비한 암흑 에너지로 구성되어 있습니다. 그것은 언제 어디서나 존재하며, 그 특성에 대해 아는 바가 거의 없기 때문에 과학자들은 아직 실험실에서 그 존재를 확인하는 방법을 모릅니다. 그 신비를 이해하는 유일한 방법은 여전히 ​​천문 관측과 같은 간접적인 수단을 통해서입니다.

Ia형 초신성의 폭발을 관측하는 것은 현재 가장 중요한 관측 방법이다. 이러한 유형의 초신성은 쌍성계에서 백색왜성의 폭발로 형성되며 거의 일정한 밝기를 갖는다. 이런 식으로 밝기를 측정하면 지구와의 거리와 속도를 알 수 있습니다.

허블과 같은 민감한 천문장비의 도움으로 우리는 최소 90억 광년 떨어진 곳, 즉 90억 년 전 우주의 정보를 이해할 수 있다.

홉킨스대학교 애드미리스 교수가 최근 보여준 '암흑에너지' 시나리오는 다음과 같다.

빅뱅 이후 초기 우주는 급격한 팽창 단계를 겪었다. . 그 후 암흑물질과 물질이 가까워지면서 중력의 영향으로 우주의 팽창이 느려지기 시작했습니다.

그러나 적어도 90억년 전에 우주에 또 다른 힘, 즉 척력으로 나타나는 암흑에너지가 나타나 중력 효과를 점차 상쇄하기 시작했다.

우주가 팽창하면서 커져가던 암흑에너지가 약 50억~60억년 전 마침내 중력을 넘어섰다. 그 이후 우주의 팽창은 감속에서 가속으로 바뀌었고, 이는 오늘날까지 계속되고 있다.

아인슈타인의 유산

중국 과학 기술 대학의 물리학 교수인 리 미아오(Li Miao)는 농담 반으로 이렇게 말한 적이 있습니다. 암흑에너지 전문가들.” 아마도 이 말은 과장이 아니지만 암흑에너지의 이론적 혼란도 엿볼 수 있다.

그 중에서 가장 극적인 이론은 아인슈타인이 제안한 '우주상수'의 부활이다. 1917년, 20세기 최고의 과학자로 평가받는 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 정상상태 우주 모델을 확립하기 위해 이 개념을 처음으로 제안했습니다. 그러나 나중에 그는 "우주 상수"가 단지 잘못된 개념일 뿐이라는 것을 인정했습니다.

그러나 암흑에너지의 존재는 우주상수에 대한 새로운 가능성을 제공합니다. 암흑에너지가 우주 상수라면 그 강도는 우주의 크기와만 관련이 있습니다. 우주가 팽창함에 따라 그 부피는 점차 증가하고 암흑에너지도 증가합니다. 결국, 그것은 우주가 속도를 늦추다가 속도를 높이는 전환점에 도달한 다음 계속 가속하게 됩니다.

중국과학원 고에너지물리연구소 장신민 연구원은 카이징 기자와의 인터뷰에서 리스의 최신 결과를 포함해 지금까지의 관찰 결과는 “ 아인슈타인의 우주 상수 이론과 매우 유사합니다.”

그러나 우주상수는 여전히 암흑에너지의 결정론적 이론이 되기에는 거리가 멀다. 일부 과학자들은 반농담으로 이 모델에 따르면 우주의 팽창은 계속 가속화될 것이라고 말하는데, 이는 너무 "지루하다".

물론 가장 치명적인 것은 양자장론에 따라 계산된 우주상수가 천문관측에서 구한 상한치보다 최소한 10의 120승 이상 높다는 점이다.

가장 기괴한 설명 중 하나이지만 과학적인 근거가 있는 설명은 '다중우주론'이다. 관찰과 이론이 모두 맞을 수도 있습니다. 사실 우리가 살고 있는 우주 외에도 셀 수 없이 많은 우주가 있습니다. 과학자들이 상상할 수 있는 우주의 수는 수만, 수십억이 아니라 아마도 10의 1000제곱 정도일 것입니다.

우주마다 우주 상수가 다르고, 우리는 아주 작은 우주 상수를 가진 우주에 살고 있다.

지적 생명체가 생존하기에 적합한 우주를 우리 앞에 제시하는 '신의 손'이 어딘가에 있는 것 같습니다.

그러나 다중우주의 존재를 희망하는 '인류원리'를 둘러싸고 천문학자와 물리학자들 사이에 큰 논란이 일고 있다. 중국과학원 고에너지 물리학 연구소 연구원인 장신민(Zhang Xinmin)은 카이징(Caijing) 기자들에게 많은 사람들이 이것이 단지 추측일 뿐이고 '원리'와는 거리가 멀다고 생각한다고 말했습니다.

좀 더 날카로운 비판은 이러한 설명이 과학적 이론이라기보다는 종교적 신념에 가깝다는 점이다.

이러한 갈등을 피하기 위해 과학자들은 우주상수 모델을 대체할 다양한 암흑에너지 이론을 제안해 왔습니다. 가장 대표적인 것으로는 퀸테센스(quintessence) 모델과 팬텀(phantom) 모델이 있으며, 중국 과학기술대학 물리학과 교수인 장신민(Zhang Xinmin)과 리먀오(Li Miao)도 각각 퀸텀 모델과 홀로그램 모델을 제안했다.

우주의 미래

만약 이러한 대체 암흑에너지 이론이 확립될 수 있다면 그들은 완전히 다른 우주의 미래를 지적하게 될 것입니다.

에 따르면 Jing et al. 동적 스칼라 필드 모델에 따르면 우주의 미래는 계속해서 팽창을 가속화하거나 팽창을 늦추거나 축소하여 우주가 결국에는 훨씬 더 복잡해질 것입니다. 빅뱅(빅 크런치) 엔딩과 반대되는 '빅 크런치'.

유령 모델에 따르면 암흑 에너지는 계속 증가하여 우주는 점점 더 빠른 가속도로 팽창하게 됩니다. 결국, 우주는 "큰 찢김"을 향해 움직일 것입니다.

엘프 모델은 '진동하는 미래'를 제공합니다. Zhang Xinmin은 Caijing에게 그가 제안한 이론에 따르면 전체 우주는 가속 팽창과 감속 팽창 사이를 반복적으로 순환하며 '큰 붕괴'나 '큰 균열'이라는 두 가지 극단적인 상황이 발생하지 않을 것이라고 말했습니다.

가장 큰 어려움은 아직까지 암흑에너지를 연구할 수 있는 수단이 아직 매우 제한적이라는 점이다. 현재 가장 주류를 이루는 방법은 여전히 ​​초신성 관측이다. 그러나 일부 사람들은 특히 우주 탄생 초기에 초신성의 밝기가 일정하지 않고 고유한 진화 과정을 가질 수도 있다고 우려합니다.

이러한 걱정을 배제할 수 있다고 해도, 이 초신성이 지구에서 아주 아주 멀리 떨어져 있다는 점을 고려하면, 관측의 어려움은 달 두 개 거리에서 60와트 전구를 관찰하는 것과 같습니다. . 허블의 극도로 높은 감도에도 불구하고 제거하기 어려운 체계적 오류가 있습니다.

대규모 우주구조(은하단 등) 연구를 통해 암흑에너지에 대한 새로운 단서를 제공할 수도 있다. 암흑 에너지가 존재하면 중력이 먼저 이 반발력을 극복해야 하기 때문에 은하단의 형성 과정이 느려질 수 있습니다.

현재 우주 탐사 프로그램인 SDSS(Sloan Digital Sky Survey)가 첫 5년간의 작업을 완료했습니다. 완료되면 이 광학 정밀도는 하늘의 4분의 1을 덮기에 충분할 것입니다. 장비에 대한 자세한 내용은 의심할 여지 없이 공개될 것입니다.

현재 중국 과학자들은 새로 출시된 LAMOST(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope)를 베이징 인근에서 이용해 초신성 관측을 시도하고 있으며, 이를 통해 암흑에너지에 대한 실험적 연구 가능성을 모색 중인 것으로 알려졌다. 중국에서 처음으로. 감마선 폭발(초거대 별의 폭발로 형성된 우주 고에너지 방사선)의 사용은 초기 암흑 에너지에 대한 추가 연구를 위한 간접적인 수단을 제공할 수 있습니다.

베이징 사범대학교 물리학과 주종홍(Zhu Zonghong) 교수는 카이징(Caijing) 기자와의 인터뷰에서 현재 감마 버스트 천문학에 대한 탐구는 아직 초기 단계에 있으며 암흑 에너지가 등장했던 시기와 다소 비슷하다고 지적했다. 1998년에 처음 발견되었습니다. 초신성 천문학이지만 그 특성 중 일부는 장기적으로 암흑 에너지를 연구하는 데 여전히 사용될 수 있습니다.

그렇다면 실험실을 이용해 암흑에너지를 직접 연구하는 것이 가능한가요? 어떤 사람들은 나노기술이 이 목표를 달성하는 데 사용될 수 있다고 주장했습니다.

Reiss는 Caijing과의 인터뷰에서 일부 과학자들이 암흑 에너지에 대한 단서를 찾기 위해 단거리 중력 실험을 사용하기를 희망한다고 말했습니다.

CIT(California Institute of Technology)의 물리학자인 Sean Carroll도 Caijing 기자에게 보다 결정론적인 모델을 찾으려면 천문학뿐만 아니라 데이터, 아마도 입자 물리학에서 더 많은 증거가 필요하다고 강조했습니다. 필요합니다. 특히 2007년 유럽에서 가동될 대형강입자가속기(LHC)는 어쩌면 “기대해볼 만하다”고 할 수 있다.

그러나 다른 물질과의 반응 메커니즘을 포함하여 암흑에너지의 특성이 아직 불분명하기 때문에 많은 과학자들은 단기적으로는 실험실 작업에 큰 희망을 걸 수 없다고 믿고 있습니다. 채널은 여전히 ​​천문 관측에서 나올 수 있습니다.

만약 특별한 일이 없다면 2007년 1분기에 플랑크(PLANCK) 탐지기가 정식 출시될 예정이며, 이를 통해 더욱 정밀한 하늘 탐지를 수행할 예정이다. Caijing 기자와의 인터뷰에서 Perlmutter는 자신의 연구실에서 설계한 초신성 가속도 탐지기(SNAP)가 계획대로 2013년 또는 2014년에 출시될 것이라고 말했습니다.

"앞으로 5~10년 안에 우리는 암흑 에너지의 본질에 대해 더 명확하게 이해하게 될 것입니다." 영국 노팅엄대학교 물리학 천문학과 교수인 크리스토퍼 콘셀리스(Christopher Conselice)는 "라고 재무 기자가 말했습니다.

암흑에너지가 전체 우주론, 심지어 물리학의 혁명에 불과하다는 사실을 부인하는 사람은 거의 없습니다. 1979년 노벨 물리학상 수상자 스티븐 와인버그(Steven Weinberg)는 “암흑 에너지의 ‘장애물’을 해결하지 못하면 우리는 기초 물리학을 완전히 이해할 수 없을 것”이라고 분명히 밝힌 적이 있습니다. 벨 물리학