우주 멸망 가설들에 대해서(우주의 최종 운명)

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우주 멸망 가설들

빅 크런치 (Big Crunch) – 대붕괴/ 대함몰

빅 크런치는 우주의 최종 운명 중 하나로 제시되는 이론적인 시나리오 중 하나입니다. 이 시나리오에 따르면, 현재의 우주가 계속해서 팽창하는 것이 아니라 어느 순간에 다시 수축하여 매우 밀도가 높은 상태로 돌아가게 되는 상황을 묘사합니다. 이는 우주가 빠르게 팽창하고 있는 현재의 상태에서 멀리 떨어진 천체들이 서로에게 가까워짐에 따라 발생하는 현상입니다.

빅 크런치 시나리오의 핵심 아이디어는 우주의 밀도와 압력이 중력에 의해 균형을 이루게 되어, 팽창이 멈추고 다시 수축되어 우주의 초기 상태로 돌아가게 된다는 것입니다.

그러나 현재까지의 관측 결과와 우주의 물리적 특성에 기반하여, 대부분의 천문학자들은 빅 크런치가 실제로 발생할 가능성은 매우 낮다고 보고 있습니다. 이는 관측된 우주의 팽창 속도가 더 빠르게 가속화되고 있으며, 어둡고 알려지지 않은 물질(다크 에너지)이 우주의 에너지 및 밀도를 지속적으로 바꾸고 있을 가능성이 있기 때문입니다. 이로 인해 빅 크런치보다는 우주가 계속해서 팽창되어 미래에는 빅 립 혹은 빅 프리즈 등의 다른 종류의 멸망 시나리오가 더 가능성이 크다는 주장이 나오고 있습니다.

더 정확한 우주의 최종 운명에 대한 이해를 위해서는 미래의 관측과 연구가 더 필요하며, 여러 가지 시나리오 중 어떤 것이 현실로 일어날지는 아직까지 정확히 알려진 바는 없습니다.

빅 크런치 이론의 핵심 원리는 다음과 같습니다:

  1. 팽창과 수축의 균형: 현재의 우주가 팽창하고 있는데, 이 팽창이 어느 순간에 멈추고 중력에 의해 다시 수축하는 단계가 발생한다는 가설입니다.
  2. 물질 밀도와 압력의 균형: 빅 크런치가 일어나려면, 현재보다 더 높은 밀도와 압력이 우주에 존재해야 합니다. 이는 중력이 우주를 더 밀도 높은 상태로 끌어당기게 하는 역할을 합니다.
  3. 물리 법칙의 변화: 빅 크런치가 발생하려면, 현재의 물리 법칙이 변화하여 중력이 다시 우주를 수축시킬 수 있을 정도로 강력해져야 합니다.

빅크런치가 일어나고 난 후에는 진동 우주 가설에 의하면 다시 빅뱅이 발생하는 과정이 생깁니다. 그리고 다시 지금과 같은 우주가 생기고 또 빅크런치가 일어나고 다시 빅뱅이 발생하는 과정이 반복됩니다. 이는 어쩌면 우주 멸망 시나리오 중에서 가장 희망적인 시나리오입니다.

우주 멸망

빅프리즈 (Big Freeze) – 대동결, 대냉각

“For the first time in its life, the universe will be permanent and unchanging. Entropy finally stops increasing because the cosmos cannot get any more disordered. Nothing happens, and it keeps not happening, forever.”
“생애 처음으로 우주는 영원하고 불변하게 됩니다. 우주는 더 이상 무질서해질 수 없기 때문에 엔트로피는 마침내 증가하길 멈추게 됩니다. 아무 일도 없을 것이고, 일어나지도 않을 겁니다. 영원히.” – 브라이언 콕스, 영국의 물리학자

빅 프리즈(The Big Freeze)는 우주의 최종 운명 중 하나로 제시되는 이론 중 하나입니다. 이 이론에 따르면, 우주는 무한히 계속해서 팽창하면서 온도가 점차 낮아져 결국에는 모든 열적, 물리적 활동이 멈추고 우주가 최종적으로 “얼어붙게” 될 것이라고 예측합니다.

빅 프리즈 이론의 주요 특징과 원리는 다음과 같습니다:

  1. 무한한 팽창: 빅 프리즈 이론은 현재의 우주가 계속해서 팽창하고 있다고 가정합니다. 이는 관측적으로 확인된 사실로, 가까운 천체들이 서로 멀어지는 현상이 지속되고 있습니다.
  2. 온도 하락: 팽창이 계속되면서 우주의 온도는 점차 낮아집니다. 이는 백색왜성과 같은 뜨거운 천체들이 에너지를 방출하면서 식은 곳으로 에너지를 전달하는 과정으로 이루어집니다.
  3. 열적 역학적 평형 소멸: 온도가 낮아짐에 따라 우주 전체의 열적, 역학적 활동이 점차 소멸되어 가게 됩니다. 이로 인해 별들이 소진되고, 에너지 생산이 멈추며, 우주가 얼음과 같은 차가운 상태로 변해가게 됩니다.
  4. 모든 물질의 소멸: 빅 프리즈가 진행되면서, 점차적으로 모든 물질은 얼어붙게 되고, 에너지 생산이 멈추게 됩니다.
  5. 끝없는 침묵과 얼음 상태: 끝없는 침묵과 얼음 상태에서는 시간의 흐름 자체가 무의미해지며, 우주는 고립된 얼음 상태에서 끝없이 정지된 상태로 남게 됩니다.
  6. 절대영도(0K) : 열적사멸. 최대상태의 엔트로피가 되어 모든 입자가 붕괴하고 광자, 중성미자 등의 아원자 입자만 남게됩니다.

빅 프리즈는 현재로서는 우주의 최종 운명 중 하나로 예측되며 현재 정설로서 가장 지지받는 우주 종말 시나리오입니다.

그러나 우주가 진정 랜덤한 운동을 한다면 (Ergodic하다면) 아주 긴 시간을 걸쳐 우주는 모든 가능한 상태를 전부 경험하게 됩니다. 그 중에는 모든 물질과 에너지가 ‘중력’에 의해서가 아니라도 푸앵카레의 재귀정리에 의해 우연히 원래 상태인 한 점에 모이는 상태도 언젠가는 거치게 되며 이를 통해 재차 빅뱅이 일어날 수 있다고 합니다. 이전 우주에서 빅뱅이 일어나 다시 우주가 태어나고 이런 상태가 지속된다는 이론은 등각순환우주론입니다. 이런 상태가 반복되는 우주의 푸앵카레 재귀시간은 대략 10^10^10^56년 정도입니다. 이건 현재 수준의 팽창률을 유지할때고 팽창속도가 천체의 이동속도를 넘어선다면 재귀시간이 훨씬 길어지게 됩니다.

  • 서기 1정(1040) 년: 인류 또는 다른 문명이 우주 공간에서 생존 가능한 마지막 시간대이다. 이 시간대 이후로 사실상 블랙홀 에너지조차 사용이 불가능해지면서 모든 생명체는 완전한 종말을 맞게 된다. 물론 시간 규모가 규모다보니 그 종말의 과정은 아무리 짧아도 최소 수 조년 이상은 걸릴 것이고 그 시간동안 수 억 세대 이상에 걸쳐 굉장히 완만하게 개체수와 가용 에너지가 줄어드는 형태로 나타날 것이다.
  • 서기 10불가사의(1065) 년: 암석 같은 단단한 물체를 이루는 원자와 분자들이 양자 터널 효과에 의해 재배열된다. 이 정도로 긴 시간이 지나면 모든 물질은 유리와 같은 비결정질 고체가 되어 유체의 속성을 띠게 된다.
  • 서기 101500년: 남아있는 천체를 구성하는 원자들이 철-56으로 붕괴하는 데 걸리는 시간이다. 이때 흑색왜성은 철 별(Iron star)이 된다. 빛은 사라진 지 오래고, 이 별들은 암흑뿐인 우주를 그 뒤 붕괴될 때까지 떠돌게 된다.
  • 서기 10^10^26년: 철 별이 양자 터널링을 통해 중성자별이나 블랙홀로 붕괴하는 데 걸리는 시간이다.
  • 서기 10^10^76년: 남아 있는 모든 물질이 블랙홀이 되는 가장 오래 걸리는 시간이다.
  • 서기 10^10^120년: 마지막 블랙홀이 소멸하고 열적사멸을 맞는 가장 오래 걸리는 시간이다.

3. 빅 립 (Big Rip ) – 대열구, 대파열

빅 립(The Big Rip)은 우주의 최종 운명을 제시하는 이론 중 하나로, 현재까지는 이론적인 가능성에 대한 논의가 진행되고 있는 주제입니다. 빅 립 이론에 따르면, 우주의 팽창이 가속화되면서 먼 미래에 우주 전체가 폭발적으로 더 크게 팽창하게 되어, 모든 물질, 에너지, 심지어는 공간과 시간까지까지도 끝없이 뜯어지게 되는 상황을 묘사합니다.

빅 립 이론의 주요 특징과 원리는 다음과 같습니다:

  1. 가속 팽창: 빅 립 이론에 따르면, 현재의 우주가 계속해서 팽창하고 있는데, 이 팽창이 가속화됨에 따라 우주의 에너지 밀도가 증가합니다.
  2. 암달의 공식과 에너지 밀도: 빅 립 이론은 암달의 공식(Arnold’s Formula)이라 불리는 공식을 사용하여, 우주의 에너지 밀도와 팽창 속도 사이의 관계를 설명합니다. 이에 따르면, 우주의 에너지 밀도가 어느 정도 증가하면 팽창 속도가 빨라지게 되고, 이는 끝없이 가속화된 팽창으로 이어집니다.
  3. 빅 립의 발생: 암달의 공식에 따르면, 특정한 조건에서는 우주의 에너지 밀도가 무한대로 발산할 수 있습니다. 이는 팽창 속도가 무한대로 가속화되면서, 우주의 모든 구성 요소가 뜯어져 나가게 되는 빅 립이 발생하는 것으로 해석됩니다.
  4. 끝없는 찢어짐과 분해: 빅 립이 발생하면 우주의 모든 것이 끝없이 찢어지고 분해되어 가게 되며, 물체, 별, 은하계, 그리고 시간과 공간까지 모든 것이 무의미하게 분리되어버립니다.

빅 립은 현재로서는 관측적인 증거가 부족하며, 다양한 미지의 물질인 어둡은 에너지와 관련된 미스터리한 현상에 대한 이해가 더 발전해야 비로소 더 강력한 예측과 검증이 가능할 것으로 생각되고 있습니다.

빅프리즈와 비슷하지만 빅립은 암흑에너지의 양이 과도하게 높아질 경우 일어나는 종말 시나리오입니다.

암흑에너지가 우주의 크기에 상관없이 밀도가 변하지 않는 우주상수의 형태로 존재한다면 우주는 빅프리즈로 끝날것입니다. 현재까지의 관측 결과에 의하면 꾸준하게 우주상수가 지지받고 있으므로 표준 우주론에서는 암흑에너지의 밀도가 불변한다는 가정 하에 세워졌습니다. 그러나 이 가정에 대한 관측상의 증거가 아닌 이론적 근거는 현재 전무한 상태입니다.

만약 암흑에너지의 성질이 우주가 팽창할수록 밀도가 증가한다면 빅립이라는 결과가 기다리고 있습니다.

암흑에너지는 척력 에너지, 서로 밀어내는 에너지인데 이는 중력보다 강한 , 큰 상태로 우주는 이미 산산히 흩어지고 있습니다. 시간이 흐를 수록 입자 간의 척력이 점점 강해져 중력을 제외하고 실질적으로 제일 약한 핵력부터 시작하여 전자기력, 강한 핵력까지 다 압도하며 은하와 별은 물론 원자와 원자핵까지 모든 물질이 죄다 뜯겨져 소멸하는 종말이 일어납니다.

현재 암흑에너지는 멀리 떨어진 은하단 사이를 갈라놓는 수준에 머무르고 있으나 빅립은 별이나 행성을 찢어놓는것도 모자라 결국 원자핵과 핵자까지 분해시켜버립니다. 특정시점에 도달하면 계산상으로 암흑에너지의 양은 무한대로 발산하고 반대로 우주의 밀도는 0으로 수렴하여, 공간의 팽창 속도가 광속을 넘어서게 되며 최종적인 우주의 종말이 이루어집니다.

빅 립 이론은 암흑에너지 상태방정식이라 부르는 w값에서 출발합니다. w값은 암흑에너지의 총량이 우주 부피의 w제곱에 반비례함을 의미한다. 이 w값이 얼마냐에 따라 우주의 운명을 추측할 수 있습니다.

  • w가 -1보다 작으면, 암흑에너지는 ‘유령 에너지'(phantom energy)라고 불리는 형태가 되며 우주 팽창이 극도로 가속화되어 원자까지도 찢어지고, 마지막에는 시공간 자체가 찢어져버려 입자와 입자 사이의 거리가 ∞가 되어 결국 無가 된다.
  • w가 정확히 -1이면, 우주 상수와 동치이므로 절대로 빅 립으로 끝나지 않는다.
  • w가 -1보다는 크고 0보다는 작으면, 우주가 팽창할수록 암흑에너지의 양은 증가하지만, 가속 팽창으로 인해 밀도가 낮아져서 결국 빅 프리즈로 끝난다.

현재 관측을 통한 가장 최신 측정치는 -0.99로서, 이는 우주가 빅 립으로 끝나지 않을 가능성이 매우 높음을 보여주고 있습니다.

다음은 w값이 -1.5일 경우의 시나리오입니다. 이 경우 약 220억년 뒤 빅립이 발생합니다.

  • 빅 립 2억 년 전: 이 시점에서는 은하들이 뿔뿔이 흩어지기 시작한다.
  • 빅 립 6000만 년 전: 은하계의 중력이 천체들을 붙들어두기에 너무 약해지면서 결국 은하계가 해체된다. 이것은 빅 프리즈에서는 무려 1000경 년이 지나야 발생할 것으로 추측되는 일이다.
  • 빅 립 3개월 전: 항성의 중력이 행성들을 붙들어두기에 너무 약해지면서 행성계가 해체된다.
  • 빅 립 30분 전: 항성, 행성들이 해체된다. 이 시점에서 만약 문명이 남아 있었다면 갈기갈기 찢어지면서 순식간에 멸망을 맞이하게 될 것이다.
  • 빅 립 10-19초 전: 원자핵에 이어 핵자가 해체된다.
  • 빅 립 발생: 시공간 자체가 찢어지면서 입자와 입자 사이의 거리가 무한대가 되어, 시간의 의미를 상실한 세계가 된다.