우주론

Cosmology
宇宙論
우주의 기원과 진화 및 구조를 연구하는 학문이다.
고전적인 우주론은 천문학의 영역에 속했으나, 아인슈타인의 중력방정식(일반 상대성 이론)이 나온 이후에 성립한 현대의 우주론은 보통 물리학의 하위 분과로 분류한다. 그렇더라도 천문학과 우주론은 아주 밀접한 관계임은 틀림없고, 천문학과에서는 보통 우주론을 학부과정에서 가르친다. 반면 물리학과에서의 우주론은 보통 대학원 과정에 속한다.[1] 사실 우주론이 물리학의 영역으로 편입된 것은 현대 우주론의 연구목표가 천문학적으로 관측 가능한 범위를 벗어나고 있기 때문이다. 고전 우주론 시대에는 우주에 대한 이해를 증진시키기 위해 망원경을 들고 천체의 운동을 관찰했지만 관찰을 통해 알 수 있는 범위 바깥(예컨데, 우주의 탄생에서 멸망까지의 변화라거나, 가시거리 바깥의 우주)에 대해 알기 위해서는 관측이 아닌 수학적/물리학적 모델에 의존할 수 밖에 없는 것. 꼭 우주론 분야뿐 아니라 과학의 다른 분야에서도 연구분야가 실험이나 관측이 가능한 범위 바깥까지 확대됨에 따라 이러한 영역들이 깔대기에 빨려들어 물리학자들 뱃속으로 우걱우걱 챱챱 들어가는 경우가 적지 않다. 예를 들어 19세기 ~20세기 초반만 하더라도 물질의 성질에 대한 연구는 주로 화학의 영역이었지만(도스토예프스키의 작품을 보면 19세기 당시 과학의 각 분과 중에서도 화학이 어떤 위상을 가졌는지 쉽게 알 수 있다.) 이후 물질의 성질에 대한 연구가 원자 이하의 소립자 수준에 이르게 되면서 이 역시 물리학의 영역에 편입된 것.
한편 우주론은 천체물리학과도 다른데, 천체물리학은 물리학 이론을 이용하여 우주를 구성하는 '항성', '행성', '은하' 등에 대해서 연구하는 반면, 우주론은 전체 우주가 어떻게 탄생했고, 현재 어떻게 변화(진화)하고 있으며, 앞으로 우주의 미래는 어떻게 될 것인지에 대하여 연구하며, 이를 위해 물리학 이론을 이용하여 '우주 모형(모델)'을 만든다. 천체물리학이 미시적인 연구라면, 우주론은 거시적인 연구라고 할 수 있다.
과거에는 우주론도 천체물리학의 하위 분야로 취급되었지만, 현재는 천체물리학에서 독립된 학문 분과로 취급하는 것이 일반적이다. 게다가 굳이 소속을 정하자면, 천체물리학은 천문학에 속하고, 우주론은 물리학에 속하는 것으로 보는 것이 일반적이다. 그런데 천체물리학자들도 우주론에 대한 웬만한 지식은 갖추고 있고, 천체물리학 연구를 하다보면, 자연스레 우주론을 넘나들기도 한다.
연구 분야 중에서 천문학자들과 물리학자들 간의 협력이 가장 활발하게 이루어졌고, 이루어지고 있는 분야이기도 하다. 일반적으로 천문학자들이 관측 결과를 내놓으면 물리학자들이 그에 맞는 우주론 모델을 개발하는 방식으로 진보가 이루어지고 있다. 그 반대의 경우도 있었다. 천체물리학자들의 노력 덕에 현대에 들어와서는 우주론의 많은 질문들이 풀렸으며, 현재 세계적으로 대다수의 연구가들에게 인정받는 우주론의 표준모형이 등장했다. 이걸 두고 혹자는 우주론은 그 역할을 다했으며, 이제 남은 것은 만물의 이론과 같이 우주 초기에 관한 문제나, 암흑에너지와 암흑물질의 정체와 같은 지극히 지엽적인 문제만이 남아있다고 보기도 한다. 그러나, 다중우주론과 평행우주론 그리고 차원론 같이 다른 공간이 있다고 하는 이론들의 증거가 등장하며 현대 우주론을 뒤집어 놓을 가능성도 충분히 존재한다. 참고로 19세기 말에도 맥스웰이 전자기학을 완성시킨 이후, 사람들은 "물리학은 이제 완성됐다"고 말했으나, 그런 말이 나온 뒤 얼마되지 않아 20세기에 상대성 이론과 양자역학이 등장하면서, "뉴턴이 틀렸다. 지금까지의 물리학이 무너졌다"는 소리까지 나오는 반전이 일어났다. 이후 뉴턴부터 맥스웰까지의 물리학은 고전 물리학으로 불리게 되었고, 20세기 이후의 물리학은 현대 물리학으로 불리게 되었다. 즉 현재 우리가 진리라고 알고 있는 지식이 앞으로도 영원히 진리의 자리에 있을 것이라고 장담할 수 없는 것이며, 감히 어느 누구도 "우주에 관해 다 알았다.", "이제 과학은(물리학은, 우주론은) 완성됐다" 등의 말을 할 수는 없는 것이다.

2. 역사

사전적 정의에 따르면 우주론은 '''우주에 대한 과학'''이다. 그러나 그 시초는 과학이 아니라 철학이었다. 철학이 정의한 우주는 모든 것을 포용하고 있는 공간이며, 일반적으로는 규칙을 가지고 있는 질서정연한 상태를 의미했다[2]. 그러나 아리스토텔레스나 프톨레마이오스와 같은 종교와 잘못된 철학에 의해 올바른 우주론의 형태를 갖추지 못했다.[3]

2.1. 천동설에 기반한 고대 우주론

지구가 우주의 중심이고 태양이 지구 주위를 돌고 있다는 우주론. 현재는 버려진 이론이다.

2.2. 지동설에 기반한 근대 우주론

그로부터 한참 지난 중세시대, 철학자가 아닌 자연철학자들이 등장하고, 이론을 우주에 적용한 결과 지구가 태양 주위를 돌고 있음이 확립되었다. 코페르니쿠스와 갈릴레이가 기여했다. 요하네스 케플러는 스승 브라헤의 자료를 이어받아 케플러의 법칙을 확립했고, 뉴턴은 자신의 중력 이론으로 천체의 움직임을 계산했다. 이로써 근대 우주론이 확립된 것이다.

2.3. 정상우주론

19세기 후반~20세기 초반 아인슈타인이 특수 상대론과 일반 상대론에 관한 논문들을 발표함으로써 상대론적 우주론이 확립되었다. 그 시초는 올베르스의 역설과 같은 우주에 대한 깊은 물음이었고, 그에 대한 답은 중세시대에 완성된 이론들이었다.
서로 멀어지는 은하들에 의해 생겨난 빈 공간을 같은 밀도로 채우기 위해 새로운 물질이 꾸준하게 만들어진다는 학설이다. 현재는 버려진 이론이다.

2.4. 빅뱅(대폭발) 우주론

현재 가장 널리 인정받고 있는 우주론.
문서 참조

2.4.1. 등각순환우주론(Comformal Cyclic Cosmology: CCC)

우주는 빅뱅으로 탄생했다가 빅크런치를 통해 수축하여 소멸하며 특이점에 도달하면 다시 빅뱅을 통해 재탄생하고 다시 소멸, 탄생을 반복하는 과정이 무한루프로 계속 이어진다는 주장이다.

3. 번외

3.1. 홀로그램 우주론

우리우주는 실제로는 2차원 형태이고 우리가 인식하고 보여지는 모습은 그런 2차원이 3차원 형태로 투영된 홀로그램이라는 가설이다. 데이비드 봄이 주장했으며 페르미입자가속기 실험 결과 이 주장은 틀렸다고 잠정 결론을 내렸다.#
[image]
그러나 아예 가능성이 없는 것은 아니다. 2017년 1월 27일 물리학 저널 '피지컬리뷰 레터(Physical Review Letter)'에서 우주가 홀로그램일 수 있다는 근거가 처음으로 제시되며 홀로그램 우주론을 뒷받침하는 논문이 발표되었다. 관련기사

3.2. 모의실험 가설

우리가 살고 있는 우주가 일종의 거대한 시뮬레이션 프로그램이라는 것. 일론 머스크가 이 주장에 지지를 표하면서 유명해졌다.[4] 일종의 제1원인론이라 사실상 검증할 방법이 없다. 오메가 포인트의 전능한 슈퍼컴퓨터와 연관이 있을 수도 있다.
철학자 닉 보스트롬이 제안한 '모의실험 논증' 덕분에 새삼 주목을 받게 되었다.
이 우주론을 지지하는 사람들이 주로 내세우는 근거는 물질이 관측되기 전에는 확률로서 존재한다는 양자역학의 법칙이 컴퓨터 프로그램이 연산량을 최소화하기 위해 사용하는 최적화와 비슷하다는 것과 그리고 플랑크 길이, 플랑크 시간 등으로 보아 우주가 사실 연속적인 아날로그가 아닌 최소 단위가 존재하는 디지털에 가까워보인다는 것이다. 게다가 광속이라는 일종의 최대값의 존재까지.
브라이언 그린은 시뮬레이션 우주론에 대해서도 진지하게 고민해볼 필요가 있다고 언급했으며 만일 우주가 시뮬레이션이 맞다면 인류의 과학이 충분히 발달한 미래에 인류가 이 시뮬레이션의 메모리 한계로 인한 오차를 발견할 수 있을 것이라고 예견했다.[5]

3.3.

과학적인 우주론이 아니며 유사과학자들이 대중을 낚기 위한 떡밥으로 만든 개념. 라이프니츠가 이 우주론을 최초로 주장하였다고 알려져 있다. 주로 등장하는 것으로는 우주 거대 구조와 인간의 뇌 시냅스 구조가 비슷하다며 우리 우주가 어느 생명체의 몸 속일지도 모른다는 주장. 물론 이를 '''진지하게 연구하는 학자는 없다.''' 다만 이름만 같을 뿐 우주 거대 구조의 자기유사성을 진지하게 연구하는 학문이 존재하며 위 이론과는 전혀 관계가 없으니 혼동하지 말자.

3.4. 블랙홀 우주론(black hole cosmology)

우리의 우주가 하나의 블랙홀 내부에 있다는 가설이다.참조
미노스 채널에서도 다룬적이 있다.#

4. 교육과정 중의 우주론

4.1. 구 지구 과학Ⅰ

천동설, 지동설, 티코 브라헤의 우주론에 대한 내용이 수능에 출제되었다

4.2. 지구과학Ⅰ

정상 우주론과 빅뱅 우주론, 인플레이션 이론과 가속 팽창 우주에 관해 우주론의 발전 과정을 중심으로 다루고 있다.

4.3. 지구과학II

태양계 행성의 운동과 관련하여 고대의 천동설부터 티코 브라헤의 우주론, 갈릴레이의 천동설까지 우주론의 발전 과정을 다루고 있다.

4.4. 천문학과

4학년 전공으로 다루며, 선수과목 역시 학부 교육과정을 거의 포함한다.[6] 미분기하학과 다양체의 개념에서부터 강의를 시작한다.
물리 우주론에 대한 이야기가 주로 이뤄진다. 학부 수준에서 하기엔 다소 무리가 있으나 프리드먼 방정식을 포함한 일반 상대성 이론과 현대 우주론을 주로 배운다. 국내에는 실제 전공하는 교수의 수가 적다. 교재로는 Matt Ross, Andrew liddle 등을 사용한다.

5. 관련 학자

스티븐 호킹: 블랙홀 이론과 일반 상대론 전문가. 논문(업적)을 보면 그의 명성을 이해할 수 있다. 그의 논문집은 책으로도 출판되었다.
안드레이 린데: 다중우주를 주장
앨런 구스: 인플레이션 이론 제안
알렉산더 빌렌킨: 다중우주를 주장
조지 엘리스: 수학자 겸 우주론 연구가
조지 가모프
스티븐 와인버그

[1] 다만 천문학과에서 가르치는 우주론은 주로 관측우주론으로 이론적인 디테일까지 가르치지는 않아 물리학과의 그것보다는 난이도가 쉬운 편이다.[2] 여기서 유래한 단어가 바로 영어 단어인 Cosmos다.[3] 이러한 철학으로서의 우주론은 동양의 경우 성리학도 갖추고 있었는데, 대표적인 것이 이이가 별시를 칠 때 작성한 '천도책' 문답이다.[4] 정확히는 이 우주가 시뮬레이션이 아닐 확률이 10억 분의 1 정도라고 생각한다고 밝혔다.[5] 가령 플랑크 길이보다 더 짧은 거리만큼의 이동에 대해서 반올림을 해서 근사값으로 처리한다면 이 오차가 누적되어 관측될 수도 있을 것이다.[6] 미적, 선대, 일반물리, 고전역학, 전자기학, 양자역학, 열통계역학