[장회익의 자연철학 강의] 6장 "우주와 물질"을 심학제6도로 요약할 수 있습니다. 여기에서 한 걸음 더 나아간 그림이 아래의 것입니다.

[그림출처: https://CHEPphysics.org ]

이 그림은 A0 사이즈 포스터로 컬러인쇄되어 물리학과나 천문학과 복도라든가 실험실/연구실 벽에서 흔히 볼 수 있습니다.

양 옆과 아래의 설명을 빼고 나머지 부분은 다음과 같습니다.

이 그림을 조금 더 상세하게 살펴보는 것이 도움이 될 것입니다.

이 그림은 가로방향이 시간을 나타내고 세로방향이 공간을 나타냅니다. 공간은 3차원이지만 그림으로 나타내려다 보니 어쩔 수 없게 2차원만 보여줍니다. 상대성이론에서는 시간과 공간이 섞여서 4차원 시공간이 되지만, 우주론의 표준모형에서는 시간과 공간의 섞임이 없고 공간과 분리된 시간이 따로 있습니다.

우주의 시간은 지금으로부터 138억년 전에 시작된 것으로 계산됩니다. 138억년이라는 숫자는 이론적 계산만은 아니고 우주망원경에서 얻은 데이터를 이용하여 여러 가지를 맞추어 산출한 것입니다.

그림의 아래 쪽에 시간을 나타내는 두 가지 변수가 보입니다. 하나는 $t$이고 다른 하나는 $E$입니다. $t$는 시간이고 그 단위가 처음에는 s 즉 초(second)로 적혀 있다가 오른쪽으로 더 가면 y 즉 년(year)이 됩니다. 그와 동시에 빛알의 에너지 $E$도 시간의 역할을 합니다. 볼츠만 상수를 1로 놓는 단위계($k_B =1$)에서는 에너지와 온도의 단위가 같습니다. 흔한 온도의 단위는 '켈빈(K)'이고 에너지의 단위는 '줄(J)'이지만, 우주론에서 더 편리한 것은 '전자볼트(eV, electron volt)'입니다. 다만 이 단위를 쓰면 숫자가 너무 커지는 면이 있어서, 관례적으로 '기가전자볼트(Gev, giga electro volt)'를 씁니다. '기가'는 요즘 이동전화에 쓰는 전자기파나 속도나 메모리의 단위에서 자주 등장해서 익숙하실 겁니다. 기가(G)는 $10^9$ 즉 10억을 나타내는 접두어입니다.

왼쪽 아래에 나와 있는 것처럼, 1 기가전자볼트는 대략 $1.6 \times 10^{-10}$줄입니다. 시간이 흘러갈수록 빛알의 에너지는 작아집니다. 이것과 우주배경복사의 온도가 연관됩니다. 지금은 2.73 켈빈 즉 섭씨 영하 271도에 해당하는 아주 작은 에너지가 우주배경복사에 연결됩니다.

급팽창(inflation)이라 표시되어 있는 부분은 빅뱅후(ABB, After the Big Bang) $t=10^{-34}$초 정도무렵으로 계산되는데, 이 때 우주가 매우 급격하게 가속팽창합니다. 그리고 이 때 자유에너지의 교묘한 작동으로 인한 요동으로부터 물질이 만들어집니다. 그래서 $t=10^{-10}$초 무렵이 되면 여러 가지 암흑물질의 잔재가 생겨납니다. 왼쪽 아래에 있는 일러두기를 참조하면, 이 때 마련된 재료들은 전자(e), 뮤온($\mu$), 타우입자($\tau$), 쿼크(q), 중성미자($\nu$), 글루온(g), 약한 중간 보손(W, Z), 빛알(물결모양)입니다. 동그라미 안에 문자 중에서 $\bar{e}$, $\bar{\mu}$, $\bar{\tau}$, $\bar{q}$, $\bar{\nu}$ 등은 각각의 입자에 대한 반입자를 가리킵니다.

시간이 $10^{-4}$초 무렵이 되면, 쿼크 세 개(qqq)와 글루온이 붙어서 중입자(重粒子 baryon)을 이루거나, 쿼크 하나와 반쿼크 하나가 글루온과 붙어서 중간자(中間子 meson)을 이룹니다. 이런 이름은 현대 입자물리학의 표준모형을 따른 것입니다.

바리온 또는 중입자는 양성자, 중성자, 람다, 오메가 등의 이름이 붙어 있습니다. 양성자는 업(up) 쿼크 두 개와 다운(down) 쿼크 하나로 이루어져 있고, 중성자는 다운 쿼크 두 개와 업 쿼크 하나로 이루어져 있습니다. 양성자와 중성자를 묶어서 핵자(nucleon)라 부릅니다. 핵자라는 이름은 원자핵(nucleus)를 구성하는 입자라서 붙여졌습니다.

중간자는 별로 알려져 있지 않지만, 아래와 같은 표를 참조할 수 있습니다.

이와 관련된 더 상세한 설명은 가령 장회익 선생님의 다른 저서 [생명을 어떻게 이해할까?] 146-148쪽에 있습니다.

$t=10^2$초 무렵, 흔히 '처음 3분'이라 부르는 시기가 되면, 양성자와 중성자과 중간자가 뭉쳐서 원자핵을 만듭니다. 그러나 아직 전자, 중성미자, 빛알은 따로 다닙니다.

$t=3\times 10^5$년, 즉 대략 38만년이 지나면, 원자핵들이 전자와 만나서 원자를 이루기 시작합니다. 그 전까지는 전자나 중성미자 같은 것이 걸기적거려서 빛알이 막힘 없이 나아가지 못하고 여기저기 튕겨다녔는데, 이 시기가 되면, 막힘 없이 빛알들이 전 우주를 돌아다닐 수 있게 됩니다. 이렇게 만들어진 것이 우주배경복사입니다. 복사(radiation)는 대략 빛알들의 모임 더 줄여서 빛이라고 봐도 무방합니다.

$t=10^9$년 즉 10억년 정도가 지나면 은하가 생겨납니다. 이런 숫자는 현재의 관측결과와 이론적 계산을 합하여 종합적으로 산출한 것입니다. 드디어 138억년 정도가 지난 지금은 은하 속에서 별도 만들어지고 별을 구성하는 물질들로부터 생명이 생겨나고 결국 인간도 등장하게 됩니다.

우주의 역사를 여러 가지로 쉽게 설명하긴 하지만, 자연철학의 관점에서 볼 때 관측데이터로 확인된 것과 아직은 사변적인 이론에 머물러 있는 것을 구별할 필요가 있다고 생각합니다. 아래 그림이 그런 구별을 명시적으로 하고 있는 예입니다.

(출처: Cosimo Bambi, Alexandre D. Dolgov (2016) Introduction to Particle Cosmology: The Standard Model of Cosmology and its Open Problems. Springer. p. 6.)

이 표를 보면 소위 빅뱅 핵합성(BBN, Big Bang Nucleosynthesis) 이후는 관측 데이터가 있지만, 그 이전의 내용들은 모두 관측상의 증거가 없고 단지 알려져 있는 현재의 물리학이론에 기반을 둔 예측임을 명시하고 있습니다.