Transcript 우주의 팽창 - apctp

Y TP
1
YUKAWA INSTITUTE FOR
THEORETICAL PHYSICS
Misao Sasaki
번역: 박명구
2
강연의 메시지
• 빅뱅(대폭발) 우주론
・・・ 확인되었음
• 우주의 급팽창
・・・ 아마도 맞을 것임
• 양자중력/우주론
・・・ 연구 중
3
현대물리학의 2대 물리 이론
 일반상대성이론
중력 = 시공간의 기하
블랙홀
팽창하는 우주
 양자역학
물질 = 입자-파동 상보성
“진공”의 요동
양자 터널링
두 이론의 통합 =
현대 물리학에서 가장 도전적인 문제
우주의 기원에 대한 열쇠
아인슈타인의 일반상대성이론
Albert Einstein (1915)
중력 = 시공간의 기하
G
시공간의
곡률
8 G
 4 T
c
물질의
에너지-운동량 밀도
G = 6.7×10-11 N m2 /kg2 (중력상수)
c = 3×108 m/sec (빛의 속도)
4
우주론 원리
(코페르니쿠스 원리)
우주는어느 곳에서나어느 방향으로나 같게 보인다
균질성
등방성
균질, 등방 공간
열린 공간
평탄 공간
닫힌 공간
각의 합 < 180o
각의 합 = 180o
각의 합 > 180o
5
프리드만 방정식
우주의
팽창속도
6
Friedmann (1922)
8 G
K
H 
 2
3
a
2
G  gravitational
constant
중력상수
밀도
  density
우주의 크기척도
a  cosmic
scale factor
da
 Ha
dt
0(평탄),
1(닫힌)
K  --1(열린),
1(open),
0(flat),
1(closed)
a
공간이 팽창한다!
“허블 법칙”의 발견
7
더 먼 은하가 더 빨리 멀어진다
Edwin Hubble (1929)
140 km/s
2 Mpc
우리
은하
140 km/s
2 Mpc
1 Mpc = 3 백만광년 (Mly)
1 Mpc
70 km/s
현재의 팽창율: H0 = 70 km/s/Mpc
우주의 거대 구조
멀리 본다＝ 과거를 본다
30,000 ｋｍ/s
허블의 관측
1Gly
(300Mpc)
관측되는 우주의 크기: 10Gly
(빛의 속도＝ 300,000 km/sec)
8
우주의 탄생
우주는 과거에 작았다.
１40억년전 은하도 별도 없었다.
물질은 공간에 일정하게 분포하였다.
초고온, 초고밀도
Big Bang!
가모프의 불 덩어리 우주론(1940’s)
George Gamow
9
우주배경복사의 발견 (CMB)
10
Penzias & Wilson (1965)
하늘의 모든 방향에서
전파 잡음 존재
고온이었을 때의 우주에서
만들어진
먼 우주에서 온 복사
멀리 보는 것 = 과거를 보는 것!
Wilson and Penzias
초간단 우주의 역사
광자와 소립자의 뜨거운
수프
최초 3분간의 핵합성: 4He,
D, 7Li,...
big
bang
탄생 후 380,000년 때
우주는 (중성화) 맑아짐
 은하와 별의 형성
> 탄생 후 10억년
핵합성
마지막
산란
은하형성
11
우주의 맑아짐
12
빅뱅 후 380,000 년
이온화된 플라즈마
양성자 (+) & 전자 ( - )의 중성화
⇒ 광자는 더 이상 산란되지 않음
양성자
전자
준항성
은하
우
주
배
경
복
사
맑
아
짐
빅뱅
시간
10억년
100억년
140억년
가시광선으로 하늘을 볼 때,
13
(~500,000 GHz)
우리는 구름의
표면을 보게 된다
(마지막 산란면)
전파로 보면
(~100 GHz)
우리가 보는 것은
맑아진 우주의 표면
＝우주배경복사의
마지막 산란면
(우주나이 380,000년)
우주론적 적색이동
우주의
팽창
파장 l ∝ 우주의 크기
l
한 때 파란색이던 빛은
이제는 점점 더 붉은색 빛이 되고 ,
심지어 적외선, 마이크로파 전파로도 된다.
14
우주배경복사의 플랑크 분포
흑체복사 스펙트럼
COBE/FIRAS 우주배경복사 단극자 스펙트럼, 100ϭ 오차막대
자연에서 가장
순수한 플랑크 분포
“열적 스펙트럼”
15
빅뱅 이전은 ?
16
급팽창 우주 이론 (1980~)
진공 에너지에 의한 가속 팽창
Alan Guth
Katsuhiko Sato
Andrei Linde
“진공” 에너지란?
• 가짜 진공
물질은 없지만 ‘공간’ 자체가 퍼텐셜
에너지(진공 에너지)를 가짐
공간이 팽창하여도 에너지 밀도는 일정
총에너지 = (에너지밀도) x (부피)
팽창에 의해 막대한 에너지 생성
17
우주의 급팽창(인플레이션)
아기 우주
1030배 이상
관측가능한 우주의 크기
완벽하게
매끈하고
평탄하게 보임
“균질성과 등방성” 설명
거대 우주의 탄생
양자역학적 진공 요동도 거대규모로 늘어져서
은하와 별 형성의 씨앗이 됨
18
빅뱅 우주의 탄생
19
전체 진공에너지가 열로 변환됨
차가운 우주
뜨거운 우주
물질의 탄생 (쿼크, 전자, 중성미자, ...)
& 복사 (광자들)
~ 10-34 초 된 우주
~ 1028 K
양성자
= 3 쿼크
급팽창의 증거
예측
• 급팽창 후의 우주는 지극히 평탄하다.
• 미시적 양자 진공 요동은 은하를
형성하는 거시적 밀도 요동으로 자라남.
이 요동들은 우주배경복사의 온도 요동에
구별가능한 흔적을 남길 것임.
예측은 관측과 완벽하게 일치함.
20
380,000년 된 우주의 지도
WMAP 위성 관측 (마지막 산란면)
21
Temperature is highly uniform
If we magnify fluctuations by 100,000 times
우주가 100살이라면, 1일된 우주
온도 T 는 적색영역에서 좀 더 높고,
청색영역에서 좀 더 낮다.
T
 10 5
T
우주배경복사 비등방성의 파워 스펙트럼
이론
WMAP 자료
온
도
요
동
각 크기
이 자료는 우주의 과거와 미래에 대해 많은 것을 말해준다.
22
우주의 팽창
8 G
K
H 
 Matter  DE   2
3
a
2
23
··· 프리드만 방정식
“암흑” 에너지
최적모형
(평탄 : K=0)
크
기
척
가속팽창
도
현재 기준 시간 (10억년)
암흑에너지
없는 모형
(평탄: K=0)
암흑에너지
없는 모형
(닫힌: K>0)
24
현재 우주의 성분
암흑에너지
~ “진공” 에너지
우주의 가속 팽창
암흑에너지
암흑물질
우주의 96%는 알려지지 않았음 !
우주의 거대구조
암흑
물질
원자들
별, 보이는 천체들
원자들
우주배경복사 관측의 미래
PLANCKWMAP
위성 (모사계산)
더 나은 우주에
더 자세한
대한 이해
우주배경복사 지도
그러나 이들은 급팽창의 간접적 증거
25
직접적인 증거?
26
• 진공의 시공간 요동은 거시적인 중력파로 자라서
현재까지 전파되어 온다.
Proof of Quantum Gravity !
중력파 = 천문학의 “최전선”
급팽창의 끝
(10-34 초)
중력파
우주의 맑아짐
(350,000년)
전자기파
현재
급팽창 이전의 우주는?
27
호킹-펜로우즈 특이점 정리 (1970)
우주는 유한한 과거를 가진다.
Hawking
우주의 시작
= 시공간 특이점?
Penrose
물리법칙은 특이점에서 무너진자!
일반상대성이론 적용 불가능
28
양자중력론
시공간의 양자 이론
양자중력론은 아직 걸음마 단계
초끈이론, M-이론, 고리 양자중력론, ....
양자 우주론
우주크기 척도 a(t)의 양자역학:
• 우주의 탄생에 대한 양자적 접근
• 완전한 양자중력론으로의 첫 걸음
터널링(Tunneling)
- 양자론의 특징-
고전 이론
입자는 장벽을 넘을 수
없다
양자 이론
확률파는 장벽을
투과한다.
입자의 “확률파”
29
진공 요동
30
- 양자장론의 특징 -
• 진공은 무의 조용한 빈 공간 이 아니다.
• 미시 규모에서 무작위로 생성되고 소멸된다.
c  3  10  26 J m
c
E
L
플랑크 상수
크기 L 이 작을 수록 에너지 E 는 더 크다.
플랑크(Planck) 척도
길이 L ~ 10-33cm에서 에너지 요동은 너무 커져서 시공간
기하조차도 매끄럽지 않다.
플랑크 길이:
L Planck = 10 -33 cm
플랑크 에너지: E Planck = 10 -5 g /c 2
E Planck  10 8 kcal
or 500 kw hour
(~ 한 가족의 월별 사용 에너지)
31
양자중력의 세계
32
거리 척도 ~ 10-33 cm (Planck 척도)에서는
블랙홀과 웜홀이 격렬하게 생성되고 소멸된다.
J.A. Wheeler
•우주의 크기가 ~10-33 cm일 때는
전체 우주가 양자 상태
우주 (=시공간) 자체가 확률적
드 지터(de Sitter) 시공간
33
진공에너지(우주상수)로 가득 찬
아인슈타인 방정식의 해
R
우주의 최소 반경
E
우주반경 운동의 장벽
수축
팽창
R
Rmin
양자이론에서는 우주반경 R이 최소반경 Rmin 보다
작아질 수 있다.
time
t
E
“무(無)”로 부터 우주 생성
34
Vilenkin (1982), Hawking, …
R=0（무）로부터 양자터널링으로 탄생
장벽의 높이
우주의 “운동” 을 방해하는 장벽
Vilenkin
양자해
양자 터널링
고전적 드 지터 해
반경
요약: “무(無)”에서 “유(有)”
• 우주는 “무”로 부터 생성되었을 수 있다.
• 아기 우주는 아마도 플랑크 크기 (10-33 cm)였을 것이다.
(아직 연구 초기단계)
• 진공에너지에 의한 급팽창에 의해 큰 우주가 됨.
그 후 진공에너지는 물질과 복사로 변환됨.
(이론을 관측으로 검증)
• 핵합성, 광자 풀려남, 별/은하 형성, 태양계, 생명의 탄생, ....
35
우주의 미래는?
• 영원히 팽창할 경우
팽창율이 무한정 줄어들 경우
열적 죽음 (죽은 별과 은하로 찬 빈 공간)
팽창율이 무한정 늘어날 경우
대 파열 (모든 것들이 쪼개진다)
일정한 비율로 팽창할 경우
정상 상태 (“급팽창 우주”의 실현)
• 팽창이 멈출 경우
우주가 결국 수축하면
대 함몰 (모든 것이 한 점으로 함몰)
우주의 끝? 새로운 우주의 끝?
36