빅뱅

빅뱅은 단지 이론일 뿐, 천문학적 관측에 기초한 생각일 뿐이다. 약 150억년 전, 우주의 모든 물질이 한 지점에 고도로 집중되어 온도가 극도로 높아지면서 거대한 폭발이 일어났습니다. 빅뱅 이후 물질은 외부로 팽창하기 시작하여 오늘날 우리가 보는 우주를 형성했습니다. 빅뱅의 전체 과정은 복잡하고, 이제 고대 우주의 발전사는 이론적인 연구를 통해서만 설명할 수 있다. 이 150억년 동안 은하단, 은하계, 우리 은하수, 별, 태양계, 행성, 위성 등이 탄생했습니다. 지금 우리가 볼 수 있는 것과 볼 수 없는 우주의 모든 천체와 물질은 이러한 우주의 진화 속에서 현재의 우주의 모습을 이루었습니다.

아이디어 제시 과정

사람들은 어떻게 빅뱅이 있었을 것이라고 추측할 수 있는가? 이는 천문학적 관측과 연구에 의존합니다. 우리 태양은 은하수에 있는 1000억에서 2000억 개의 별 중 하나일 뿐입니다. 우리 은하수와 같은 은하 외 은하계는 수만 개에 이릅니다. 관측을 통해 우리는 멀리 있는 은하들이 우리로부터 멀어지고 있다는 것을 발견했습니다. 은하들이 우리로부터 멀어질수록 더 빠르게 날아가서 팽창하는 우주를 형성합니다.

이에 대해 사람들은 사방으로 멀어져가는 이 은하들의 움직임을 살펴보면, 과연 같은 근원에서 방출된 것인지도 모른다는 생각이 들기 시작했다. 우주의 시작은 어떻습니까? 나중에 우주를 가득 채운 마이크로파 배경복사가 관측되었는데, 이는 약 137억년 전 빅뱅의 여파가 미약하지만 존재한다는 것을 의미한다. 이 발견은 빅뱅을 강력하게 뒷받침합니다.

빅뱅 이론은 우주론의 몇 가지 근본적인 문제를 만족스럽게 설명할 수 있는 현대 우주론의 주요 학파입니다. 빅뱅 이론은 1940년대에야 제안되었지만 1920년대부터 본격적으로 등장했습니다. 1920년대에 몇몇 천문학자들은 많은 은하외 은하의 스펙트럼 선이 지구상의 동일한 원소의 스펙트럼 선과 비교하여 파장 변화, 즉 적색 편이를 갖는다는 것을 관찰했습니다.

1929년에 미국 천문학자 허블은 은하 스펙트럼 선의 적색 편이가 은하와 지구 사이의 거리에 정비례한다는 결론을 내렸습니다. 그는 이론에서 다음과 같이 지적했습니다. 스펙트럼 선의 적색 편이를 도플러 효과의 결과로 간주하면 은하 외 은하가 우리에게서 멀어지고 있다는 의미이며, 은하가 멀어질수록 속도가 빨라집니다. 우리에게서 멀어지고 있습니다. 이것은 우주의 팽창을 보여주는 그림이다.

1932년 르메트르(Lemaître)는 현대 우주 빅뱅 이론을 처음으로 제안했다. 우주 전체가 처음에는 '원시 원자'로 모여 있었다가 이후 큰 폭발이 일어나 그 파편들이 사방으로 흩어졌다는 것이다. 우리의 우주를 형성합니다. 러시아계 미국인 천체물리학자 가모프는 처음으로 일반 상대성 이론을 우주 이론에 통합하여 뜨거운 빅뱅 우주론을 제안했습니다. 우주는 고온, 고밀도 원시 물질로 시작되었으며 초기 온도는 수십억도를 넘었습니다. ., 온도가 계속 떨어지면서 우주는 팽창하기 시작했습니다.

빅뱅 이론은 우주 형성에 관한 가장 영향력 있는 이론이다. 빅뱅 이론은 1920년대에 탄생해 1940년대에 보완 발전됐지만 아직까지 알려지지 않은 이론이다. 1940년대 미국의 천체물리학자 가모프(Gamow) 등이 빅뱅 이론을 공식적으로 제안했다. 이 이론은 먼 과거에 우주가 극도로 높은 온도와 밀도의 상태에 있었다고 주장합니다. 이 상태는 생생하게 "원시 불덩어리"라고 불립니다. 소위 원시적 불덩어리란 현재의 우주는 계속해서 팽창할, 즉 무한한 우주 폭발의 에너지가 한계에 도달하면 우주는 원시적인 불꽃, 즉 무한한 지점이 될 가능성이 있다. , 불덩이가 폭발하고 우주가 팽창하기 시작했으며 물질의 밀도가 점차 얇아지고 온도가 점차 감소하여 오늘날의 상태에 이르렀습니다. 이 이론은 은하외 물체의 스펙트럼선의 적색 편이 현상을 자연스럽게 설명할 수 있으며, 많은 천체물리학 문제도 만족스럽게 설명할 수 있습니다. 사람들이 이 이론에 광범위한 관심을 기울이기 시작한 것은 1950년대가 되어서였습니다.

1960년대에 펜지아스와 윌슨은 우주 배경 복사를 발견했고, 이후 우주 배경 복사가 빅뱅이 남긴 유물임을 확인했습니다. 이는 우주 빅뱅 이론의 중요한 기초를 제공합니다. 그들은 또한 1978년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

20세기 과학의 지혜와 인내는 호킹에게서 구현된다. 그는 우주가 탄생한 지 10초부터 43초까지 우주의 진화 과정을 명료하게 설명했다. 우주의 기원은 처음에는 원자보다 작은 특이점이었고, 이후 빅뱅을 통해 일부 소립자가 형성됐다. 빅뱅의 에너지, 이 입자들은 에너지의 작용에 따라 점차적으로 우주의 다양한 물질을 형성했습니다. 지금까지 빅뱅 우주 모델은 우주 그림에 대한 가장 설득력 있는 이론이 되었습니다. 그러나 빅뱅 이론은 아직 수많은 실험의 뒷받침이 부족하고, 우리는 우주가 폭발하기 시작하고 폭발하기 전의 모습을 아직 알지 못합니다.

이론적 관점

빅뱅 이론의 주요 관점은 우리 우주가 한때 뜨거운 상태에서 차가운 상태로 진화해 왔다는 것입니다. 이 기간 동안 우주 시스템은 고정되어 있지 않고 끊임없이 팽창하여 물질의 밀도가 밀도가 높은 것에서 얇은 것으로 진화했습니다. 뜨거운 것에서 차가운 것으로, 밀도가 높은 것에서 얇은 것까지 이 과정은 마치 거대한 폭발과 같습니다. 빅뱅 우주론의 관점에 따르면 빅뱅의 전체 과정은 다음과 같습니다. 우주 초기에는 온도가 100억도 이상으로 매우 높았습니다. 물질의 밀도도 상당히 커서 우주계 전체가 평형에 도달한다. 우주에는 중성자, 양성자, 전자, 광자, 중성미자와 같은 일부 기본 입자 형태의 물질만 존재합니다. 그러나 전체 시스템이 지속적으로 확장되기 때문에 결과적으로 온도가 빠르게 떨어집니다. 온도가 약 10억도까지 떨어지면 중성자는 붕괴되거나 양성자와 결합하여 중수소, 헬륨 및 기타 화학 원소가 형성되기 시작합니다. 온도가 100만도까지 더 떨어지면 화학 원소를 형성하는 초기 과정이 종료됩니다(원소 합성 이론 참조). 우주의 물질은 주로 양성자, 전자, 광자 및 일부 가벼운 원자핵입니다. 온도가 수천도까지 떨어지면 방사선이 가라앉고 우주는 주로 기체 물질로 이루어져 있으며, 그 가스는 점차적으로 가스 구름으로 응축되어 다양한 성계를 형성하여 오늘날 우리가 보는 우주가 됩니다.

1948년 가모프가 뜨거운 빅뱅 개념을 정립한 이후, 우주론자들은 수십 년간의 노력을 통해 우리에게 우주의 역사를 다음과 같이 설명했습니다.

빅뱅이 폭발할 때 약 137억년 전에 시작되어 크기가 매우 작고 밀도가 매우 높으며 온도도 매우 높았습니다.

빅뱅이 일어난 지 10~43초 뒤, 양자배경에서 우주가 모습을 드러냈다.

빅뱅이 일어난 후 10~35초가 지나면 같은 장이 강한 힘, 약한 힘, 중력으로 분해됩니다.

10조도 빅뱅이 일어난 뒤 10~5초 뒤에 양성자와 중성자가 형성됐다.

빅뱅 이후 0.01초, 1000억도, 광자, 전자, 중성미자가 지배하고, 양성자와 중성자가 10억분의 1밖에 차지하지 않는 열평형 상태, 계가 급속히 팽창하며 온도와 밀도가 지속됐다. 감소하다.

빅뱅이 일어난 후 0.1초, 300억도에서 중성자-양성자 비율은 1.0에서 0.61로 떨어졌습니다.

빅뱅이 일어나고 100억도가 지나면 1초가 지나면 중성미자가 바깥쪽으로 빠져나가고, 전자와 양전자의 소멸반응이 일어나며, 핵력은 중성자와 양성자를 묶을 만큼 부족하다.

빅뱅 13.8초, 30억도에서 중수소, 헬륨 등 안정한 원자핵(화학원소)이 형성됐다.

빅뱅이 일어난 지 35분, 온도가 3억도에 이르면 핵 과정이 멈추고 중성 원자는 아직 형성될 수 없습니다.

빅뱅 이후 300,000년이 지나면 화학적 결합으로 중성 원자가 형성됩니다. 우주의 주요 구성 요소는 기체 물질이었는데, 이는 자기 중력의 작용으로 점차 밀도가 높은 기체 구름으로 응축되었습니다. 별과 별 시스템.

빅뱅 모델

우주 진화에 대해 널리 알려진 이론입니다. 요점은 우주가 극도로 높은 온도와 밀도의 상태에서 발생하는 '빅뱅'에 의해 생성되었다는 것입니다. 그것은 적어도 100억년 전에 일어났습니다. 이 모델은 두 가지 가정을 기반으로 합니다. 첫 번째는 우주에서 물질의 중력 효과를 정확하게 설명할 수 있는 아인슈타인이 제안한 일반 상대성 이론이고, 두 번째는 소위 우주론적 원리, 즉 눈에 보이는 것들입니다. 우주의 관찰자는 관찰하는 방향이 위치와 관계가 없습니다. 이 원리는 우주의 대규모에만 적용되며, 우주가 무한하다는 의미이기도 합니다. 따라서 우주의 빅뱅 근원은 공간의 특정 지점에서 발생한 것이 아니라, 공간 전체에서 동시에 발생했다. 이 두 가지 가정을 사용하면 특정 시간(플랑크 시간이라고 함)부터 시작되는 우주의 역사를 계산하는 것이 가능합니다. 그 이전에는 어떤 물리 법칙이 작용했는지가 아직 명확하지 않습니다. 우주는 그 시점부터 급속히 팽창하여 밀도와 온도가 원래 극도로 높은 상태에서 떨어졌고, 양성자의 붕괴를 예고하는 과정은 오늘날 우리가 볼 수 있듯이 반물질보다 훨씬 더 많은 물질을 만들어 냈습니다. 이 단계에서는 많은 기본 입자도 나타날 수 있습니다. 몇 초 후, 우주의 온도는 일부 원자핵이 형성될 만큼 충분히 냉각되었습니다. 이 이론은 또한 오늘날 볼 수 있는 것과 일치하는 특정 양의 수소, 헬륨 및 리튬 핵종의 형성을 예측합니다. 약 백만 년이 더 지나면 우주는 더 냉각되고 원자가 형성되기 시작했으며 우주를 가득 채운 방사선은 공간을 통해 자유롭게 퍼졌습니다. 이 방사선을 우주 마이크로파 배경 방사선이라고 하며, 관측을 통해 확인되었습니다. 빅뱅 이론은 원시 물질과 방사선 외에도 이제 우주는 질량이나 전하가 없는 기본 입자인 중성미자로 채워져야 한다고 예측합니다. 이제 과학자들은 이 물질을 찾기 위해 열심히 노력하고 있습니다.

빅뱅 모델은 다음과 같은 관측 사실을 일률적으로 설명할 수 있습니다.

(a) 이 이론은 모든 별은 온도가 감소한 후에 생성되므로 모든 천체의 나이는 다음과 같다고 주장합니다. 기온이 떨어진 이후 오늘까지의 기간보다 짧은, 즉 200억년 미만이어야 한다. 다양한 천체의 나이를 측정한 것이 이를 증명합니다.

(b) 은하 외 물체는 스펙트럼 선의 체계적인 적색 편이를 가지며 적색 편이는 대략 거리에 비례하는 것으로 관찰되었습니다. 도플러 효과로 설명하면 적색 편이는 우주 팽창을 반영합니다.

(c) 다양한 천체의 헬륨 풍부도는 상당히 크며 대부분이 30입니다. 별의 핵반응 메커니즘만으로는 헬륨이 왜 그렇게 많은지 설명하기에는 충분하지 않습니다. 빅뱅 이론에 따르면 초기 온도가 매우 높았고 헬륨 생산 효율도 매우 높았다는 사실이 이를 설명할 수 있다.

(d) 우주의 팽창률과 헬륨 존재비를 바탕으로 각 역사적 기간의 우주 온도를 구체적으로 계산할 수 있습니다.

빅뱅 이론에 따르면 우주는 137억년 전 아주 작은 지점에서 탄생했고, 그곳에서 시간과 공간, 질량과 에너지가 탄생했고, 물질의 작은 입자들이 뭉쳐서 큰 덩어리로 뭉쳐졌다. 물질의 그룹, 결국 은하, 별, 행성 등을 형성합니다. 빅뱅 이전에는 우주에는 물질도, 에너지도, 심지어 생명도 없었습니다.

하지만 빅뱅 이론으로는 빅뱅 이전의 현재 우주가 어떠했는지, 빅뱅이 일어난 이유가 무엇인지에 대해서는 답할 수 없다. 빅뱅 이론에 따르면 우주에는 시작이 없었다. 빅뱅부터 블랙홀까지, 우주가 생성되고 파괴되고 재창조되는 순환과정일 뿐이다.

이것은 단지 가설일 뿐 완벽한 이론은 아닙니다.

주장

빅뱅 이론은 아직 성숙되지 않았지만 여전히 우주 형성의 주류 이론으로 자리 잡고 있습니다. 핵심은 현재 빅뱅 이론을 뒷받침하는 몇 가지 증거가 있다는 것입니다. 방 이론. 보다 전통적인 증거는 다음과 같습니다:

(a) 적색 편이

지구의 어느 방향에서 보아도 먼 은하들은 우리로부터 멀어지고 있습니다. 우주는 팽창하고 있으며, 은하계가 멀어질수록 더 빠르게 멀어지고 있다고 추론할 수 있습니다.

(b) 허블의 법칙

허블의 법칙은 서로 멀어지는 은하 사이의 속도와 거리에 대한 명확한 관계입니다. 그것은 여전히 ​​우주의 움직임과 팽창을 설명합니다.

V=H×D

그 중 V(Km/sec)는 이동 속도이고 H(Km/sec/Mpc)는 허블 상수로 50입니다. D(Mpc)는 은하 거리이다. 1Mpc=326만 광년.

(c) 수소와 헬륨의 풍부함

모델에서는 수소가 25%, 헬륨이 75%를 차지한다고 예측하고 있으며 이는 실험을 통해 확인되었습니다.

(d) 미량 원소의 풍부함

이러한 미량 원소의 경우 모델에서 예측된 풍부함은 측정된 것과 동일합니다.

(e) 3K 우주 배경 복사

빅뱅 이론에 따르면 우주는 팽창으로 인해 냉각되었고 이때 생성된 방사선 불씨는 현재 우주에 여전히 존재해야 한다. 1965년에는 3K의 배경 복사가 측정되었습니다.

(f) 배경 복사의 미량 불균일성은

우주의 초기 상태가 균일하지 않았음을 증명하며, 이것이 바로 현재 우주와 현재 은하계 및 성단이 균일하지 않은 이유입니다. 생산.

(g) 빅뱅 이론에 대한 새로운 증거

2000년 12월 영국 잡지 "네이처"에서는 과학자들이 빅뱅 이론을 확인하는 데 사용할 수 있는 새로운 증거를 발견했다고 말했습니다. 방 이론.

오랫동안 우주는 원래 질량이 매우 크고 부피가 작으며 온도가 매우 높은 점이었다는 이론이 있어왔습니다. 그러다가 이 점이 폭발하여 부피가 팽창하면서 온도도 높아졌습니다. 계속해서 감소했습니다. 우주에는 빅뱅 초기부터 남아 있는 '우주배경복사'라는 우주선이 오늘날까지도 남아있다.

과학자들은 수십억 년 전 퀘사에서 멀리 떨어져 있는 가스 구름이 흡수한 빛을 분석한 결과 그것이 오늘날 우주보다 실제로 더 뜨겁다는 사실을 발견했습니다. 그들은 배경 온도가 섭씨 약 -263.89도라는 것을 발견했는데, 이는 현재 측정된 우주 온도인 섭씨 -273.33도보다 높은 수치입니다.

.