1 Misao Sasaki 번역 : 박명구

2 강연의 메시지 빅뱅 ( 대폭발 ) 우주론 빅뱅 ( 대폭발 ) 우주론 ・・・ 확인되었음 ・・・ 아마도 맞을 것임 ・・・ 연구 중 우주의 급팽창 우주의 급팽창 양자중력 / 우주론 양자중력 / 우주론

3 현대물리학의 2 대 물리 이론 일반상대성이론 중력 = 시공간의 기하 중력 = 시공간의 기하 양자역학 두 이론의 통합 = 현대 물리학에서 가장 도전적인 문제 현대 물리학에서 가장 도전적인 문제 우주의 기원에 대한 열쇠 블랙홀 팽창하는 우주 “ 진공 ” 의 요동 양자 터널링 물질 = 입자 - 파동 상보성

4 중력 = 시공간의 기하 시공간의 곡률 물질의 에너지 - 운동량 밀도 아인슈타인의 일반상대성이론 Albert Einstein (1915) G = 6.7× N m 2 /kg 2 ( 중력상수 ) c = 3×10 8 m/sec ( 빛의 속도 )

5 우주론 원리 ( 코페르니쿠스 원리 ) 우주는어느 곳에서나어느 방향으로나 같게 보인다 등방성균질성 열린 공간 평탄 공간 닫힌 공간 각의 합 < 180 o 각의 합 = 180 o 각의 합 > 180 o 균질, 등방 공간

6 프리드만 방정식 Friedmann (1922) 우주의 팽창속도 a 공간이 팽창한다 ! 중력상수 -1( 열린 ), 0( 평탄 ), 1( 닫힌 ) 밀도 우주의 크기척도

7 2 Mpc “ 허블 법칙 ” 의 발견 2 Mpc 70 km/s 140 km/s 1 Mpc = 3 백만광년 (Mly) 우리 은하 Edwin Hubble (1929) 1 Mpc 더 먼 은하가 더 빨리 멀어진다 현재의 팽창율 : H 0 = 70 km/s/Mpc

8 30,000 ｋｍ /s 관측되는 우주의 크기 : 10Gly ( 빛의 속도＝ 300,000 km/sec) 우주의 거대 구조 멀리 본다＝ 과거를 본다 1Gly(300Mpc) 허블의 관측

9 우주는 과거에 작았다. １ 40 억년전 은하도 별도 없었다. 물질은 공간에 일정하게 분포하였다. 초고온, 초고밀도 Big Bang! 가모프의 불 덩어리 우주론 (1940’s) 우주의 탄생 George Gamow

10 고온이었을 때의 우주에서 만들어진 먼 우주에서 온 복사 우주배경복사의 발견 (CMB) Wilson and Penzias 하늘의 모든 방향에서 전파 잡음 존재 Penzias & Wilson (1965) 멀리 보는 것 = 과거를 보는 것 !

11 광자와 소립자의 뜨거운 수프 광자와 소립자의 뜨거운 수프 최초 3 분간의 핵합성 : 4 He, D, 7 Li,... 최초 3 분간의 핵합성 : 4 He, D, 7 Li,... 탄생 후 380,000 년 때 탄생 후 380,000 년 때 우주는 ( 중성화 ) 맑아짐 은하와 별의 형성 은하와 별의 형성 > 탄생 후 10 억년 > 탄생 후 10 억년 초간단 우주의 역사 bigbang 핵합성 마지막 산란 은하형성

12양성자 전자 우주의 맑아짐 시간 140 억년 준항성 은하빅뱅 10 억년 100 억년 이온화된 플라즈마 ⇒ 광자는 더 이상 산란되지 않음 양성자 (+) & 전자 ( - ) 의 중성화 빅뱅 후 380,000 년

13 우리는 구름의 표면을 보게 된다 ( 마지막 산란면 ( 마지막 산란면 ) 가시광선으로 하늘을 볼 때, 우리가 보는 것은 맑아진 우주의 표면 ＝우주배경복사의 마지막 산란면 ( 우주나이 380,000 년 ) 전파로 보면 (~100 GHz) (~500,000 GHz)

14 우주론적 적색이동 우주의팽창 한 때 파란색이던 빛은 이제는 점점 더 붉은색 빛이 되고, 심지어 적외선, 마이크로파 전파로도 된다. 파장  ∝ 우주의 크기

15 자연에서 가장 순수한 플랑크 분포 “ 열적 스펙트럼 ” 우주배경복사의 플랑크 분포 흑체복사 스펙트럼 COBE/FIRAS 우주배경복사 단극자 스펙트럼, 100 ϭ 오차막대

16 진공 에너지에 의한 가속 팽창 급팽창 우주 이론 (1980~) 빅뱅 이전은 ? Katsuhiko Sato Alan Guth Andrei Linde

17 “ 진공 ” 에너지란 ? 가짜 진공 가짜 진공 팽창에 의해 막대한 에너지 생성 총에너지 = ( 에너지밀도 ) x ( 부피 ) 공간이 팽창하여도 에너지 밀도는 일정 물질은 없지만 ‘ 공간 ’ 자체가 퍼텐셜 에너지 ( 진공 에너지 ) 를 가짐

18 관측가능한 우주의 크기 아기 우주 배 이상 거대 우주의 탄생 우주의 급팽창 ( 인플레이션 ) 완벽하게 매끈하고 평탄하게 보임 “ 균질성과 등방성 ” 설명 양자역학적 진공 요동도 거대규모로 늘어져서 은하와 별 형성의 씨앗이 됨

19 빅뱅 우주의 탄생 전체 진공에너지가 열로 변환됨 물질의 탄생 ( 쿼크, 전자, 중성미자,...) & 복사 ( 광자들 ) 차가운 우주 뜨거운 우주 ~ 초 된 우주 ~ K 양성자 = 3 쿼크 = 3 쿼크

20 급팽창의 증거 급팽창 후의 우주는 지극히 평탄하다. 급팽창 후의 우주는 지극히 평탄하다. 미시적 양자 진공 요동은 은하를 미시적 양자 진공 요동은 은하를 형성하는 거시적 밀도 요동으로 자라남. 형성하는 거시적 밀도 요동으로 자라남. 예측 예측은 관측과 완벽하게 일치함. 이 요동들은 우주배경복사의 온도 요동에 구별가능한 흔적을 남길 것임.

21 380,000 년 된 우주의 지도 WMAP 위성 관측 ( 마지막 산란면 ) 우주가 100 살이라면, 1 일된 우주 Temperature is highly uniform 온도 T 는 적색영역에서 좀 더 높고, 청색영역에서 좀 더 낮다. If we magnify fluctuations by 100,000 times

22 우주배경복사 비등방성의 파워 스펙트럼 이 자료는 우주의 과거와 미래에 대해 많은 것을 말해준다. 이론 WMAP 자료 각 크기

23 우주의 팽창 프리드만 방정식 ··· 프리드만 방정식 최적모형 ( 평탄 : K=0) 암흑에너지 없는 모형 ( 평탄 : K=0) 암흑에너지 없는 모형 ( 닫힌 : K>0) “ 암흑 ” 에너지 가속팽창 현재 기준 시간 (10 억년 )

24 현재 우주의 성분 암흑에너지 ~ “ 진공 ” 에너지 우주의 가속 팽창 암흑물질 우주의 거대구조 원자들 별, 보이는 천체들 우주의 96% 는 알려지지 않았음 ! 암흑에너지 암흑 물질 원자들

25 우주배경복사 관측의 미래 WMAP PLANCK 위성 ( 모사계산 ) 더 자세한 우주배경복사 지도 더 나은 우주에 대한 이해 그러나 이들은 급팽창의 간접적 증거

26 중력파 급팽창의 끝 ( 초 ) 우주의 맑아짐 (350,000 년 ) 전자기파 Proof of Quantum Gravity ! 직접적인 증거 ? 진공의 시공간 요동은 거시적인 중력파로 자라서 진공의 시공간 요동은 거시적인 중력파로 자라서 현재까지 전파되어 온다. 현재까지 전파되어 온다. 중력파 = 천문학의 “ 최전선 ” 현재

27 호킹 - 펜로우즈 특이점 정리 (1970) 물리법칙은 특이점에서 무너진자 ! 우주의 시작 = 시공간 특이점 ? 일반상대성이론 적용 불가능 우주는 유한한 과거를 가진다. 급팽창 이전의 우주는 ? Penrose Hawking

28 양자 우주론 양자중력론은 아직 걸음마 단계,.... 초끈이론, M- 이론, 고리 양자중력론,.... 시공간의 양자 이론 양자중력론 우주크기 척도 a(t) 의 양자역학 : 우주의 탄생에 대한 양자적 접근 우주의 탄생에 대한 양자적 접근 완전한 양자중력론으로의 첫 걸음 완전한 양자중력론으로의 첫 걸음

29 입자는 장벽을 넘을 수 없다 양자 이론 입자의 “ 확률파 ” 확률파는 장벽을 투과한다. 고전 이론 터널링 (Tunneling) - 양자론의 특징 -

30 진공 요동 진공은 무의 조용한 빈 공간 이 아니다. 진공은 무의 조용한 빈 공간 이 아니다. 미시 규모에서 무작위로 생성되고 소멸된다. 미시 규모에서 무작위로 생성되고 소멸된다. 플랑크 상수 L E 크기 L 이 작을 수록 에너지 E 는 더 크다. - 양자장론의 특징 -

31 길이 L ~ cm 에서 에너지 요동은 너무 커져서 시공간 기하조차도 매끄럽지 않다. 플랑크 (Planck) 척도 플랑크 길이 : 플랑크 에너지 : (~ 한 가족의 월별 사용 에너지 )

32 양자중력의 세계 우주의 크기가 ~ cm 일 때는 전체 우주가 양자 상태 우주의 크기가 ~ cm 일 때는 전체 우주가 양자 상태 거리 척도 ~ cm (Planck 척도 ) 에서는 블랙홀과 웜홀이 격렬하게 생성되고 소멸된다. 우주 (= 시공간 ) 자체가 확률적 J.A. Wheeler

33 드 지터 (de Sitter) 시공간 진공에너지 ( 우주상수 ) 로 가득 찬 아인슈타인 방정식의 해 t 우주의 최소 반경 우주반경 운동의 장벽 R 수축 팽창 R min time R E E 양자이론에서는 우주반경 R 이 최소반경 R min 보다 작아질 수 있다.

34 “ 무 ( 無 )” 로 부터 우주 생성 R=0 （무）로부터 양자터널링으로 탄생 Vilenkin (1982), Hawking, Vilenkin (1982), Hawking, … 우주의 “ 운동 ” 을 방해하는 장벽 Vilenkin 양자 터널링 반경 장벽의 높이 고전적 드 지터 해 양자해

35 요약 : “ 무 ( 無 )” 에서 “ 유 ( 有 )” 우주는 “ 무 ” 로 부터 생성되었을 수 있다. 우주는 “ 무 ” 로 부터 생성되었을 수 있다. 아기 우주는 아마도 플랑크 크기 ( cm) 였을 것이다. 아기 우주는 아마도 플랑크 크기 ( cm) 였을 것이다. 핵합성, 광자 풀려남, 별 / 은하 형성, 태양계, 생명의 탄생,.... 핵합성, 광자 풀려남, 별 / 은하 형성, 태양계, 생명의 탄생,.... 진공에너지에 의한 급팽창에 의해 큰 우주가 됨. 그 후 진공에너지는 물질과 복사로 변환됨. 진공에너지에 의한 급팽창에 의해 큰 우주가 됨. 그 후 진공에너지는 물질과 복사로 변환됨. ( 아직 연구 초기단계 ) ( 이론을 관측으로 검증 )

36 우주의 미래는 ? 영원히 팽창할 경우 영원히 팽창할 경우 팽창율이 무한정 줄어들 경우 팽창율이 무한정 줄어들 경우 열적 죽음 ( 죽은 별과 은하로 찬 빈 공간 ) 열적 죽음 ( 죽은 별과 은하로 찬 빈 공간 ) 팽창율이 무한정 늘어날 경우 팽창율이 무한정 늘어날 경우 대 파열 ( 모든 것들이 쪼개진다 ) 대 파열 ( 모든 것들이 쪼개진다 ) 일정한 비율로 팽창할 경우 일정한 비율로 팽창할 경우 정상 상태 (“ 급팽창 우주 ” 의 실현 ) 정상 상태 (“ 급팽창 우주 ” 의 실현 ) 우주의 끝 ? 새로운 우주의 끝 ? 팽창이 멈출 경우 팽창이 멈출 경우 우주가 결국 수축하면 우주가 결국 수축하면 대 함몰 ( 모든 것이 한 점으로 함몰 ) 대 함몰 ( 모든 것이 한 점으로 함몰 )