약 14 년 전, 천문학자들은 우주의 배경에 있는 마이크로파 복사를 관찰함으로써 마침내 1929 년에 에드윈 허블의 추측을 검증했고, 우주는 약130 에서 탄생했다 나중에 우주의 진화, 은하계, 태양계, 지구, 심지어 우리 자신도 연이어 나타났다.
2006 년 6 월 5 일부터 2006 년 10 월까지 이 중요한 성과로 미국 과학자 조지 F 스무트와 존 C 마더는 그해 노벨 물리학상을 공유했다.
하지만 우주에 대한 우리의 이해는 이제 막 시작되었다. 불과 한 달 후 미국 항공우주국이 발표한 최근 연구결과에 따르면' 암흑에너지' 라고 불리는 신비한 힘은 적어도 90 억 년 전에 이미 존재했다.
즉, 우주 전체가 탄생한 지 50 억년도 채 안 되어 암흑에너지의 영향을 받기 시작했다. 이전에 과학자들은 우주 초기에는 이런 힘이 존재하지 않았을 것이라고 일반적으로 믿었다. 그 당시 모든 것을 주도하는 것은 우리가 잘 아는 중력이었기 때문이다. (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 과학명언)
이 결과는 여전히 우주의 미래가 어떻게 될지 우리에게 알려 주지는 못하지만, 우주의 운행 법칙을 철저히 이해하는 데 새로운 서광을 가져다 주는 것이 분명하다. 관련 논문도 2007 년 2 월' 천체물리학 저널' 에 발표된다.
재경' 과의 인터뷰에서 이 연구팀을 이끄는 존 홉스킨대 교수인 아담 리스 교수는 "암흑에너지를 진정으로 이해하는 데는 아직 멀었다" 고 말했다. 하지만 분명히, 이것은 더 많은 단서를 주기 때문에 매우 중요한 단계이다. "
우주는 왜 팽창을 가속화합니까?
암흑에너지의 발견은 매우 극적이다.
빅뱅 이론에 따르면 빅뱅 이후 시간이 지날수록 물질 사이의 중력작용으로 우주의 팽창 속도가 서서히 느려진다. 마치 천천히 브레이크를 밟은 차처럼. 즉, 지구에서 비교적 멀리 떨어진 은하는 팽창 속도가 비교적 가까워야 한다는 것이다.
하지만 1998 년 캘리포니아 대학 버클리 분교 물리학 교수 솔 펄마트, 로렌스 버클리 국립연구소 (LBNL) 선임 과학자, 오스트레일리아 국립대 Brian Schmidt 가 이끄는 두 그룹은 그 먼 은하들이 점점 더 큰 속도로 우리에게서 멀어지고 있다는 것을 관찰했다.
즉, 우주는 가속 팽창을 가속화하고 있다. 마치 액셀러레이터를 계속 밟는 차처럼, 이전 과학자들이 예상했던 것처럼 감속 팽창 상태에 있지 않다.
이렇게 완전히 예상치 못한 관측은 우주에 대한 전통적인 인식을 근본적으로 흔들었다. 그렇다면 어떤 힘이 모든 은하나 다른 물질을 멀리 가속시키고 있을까요?
과학자들은 중력과 반대되는 반발력의 근원을' 암흑에너지' 라고 부른다. 하지만' 암흑에너지' 는 무슨 뜻일까요? 지금까지 우리가 줄 수 있는 것은 매우 대략적인 우주 구조' 피라미드도' 입니다.
우리가 잘 알고 있는 세계, 즉 일반 원자로 이루어진 초목산천성월은 우주 전체의 4% 에 불과하며 금탑 꼭대기에 있는 것과 맞먹는다. (윌리엄 셰익스피어, 윈스턴, 원자, 원자, 원자, 원자, 원자, 원자, 원자)
바닥의 22% 는 암흑물질입니다. 이 물질은 알 수 없는 입자로 이루어져 있다. 그들은 전자기 작용에 관여하지 않아 육안으로는 볼 수 없다. 그러나 일반 물질과 마찬가지로 중력에 참여하므로 여전히 감지 할 수 있습니다.
탑 기초의 74% 로서, 그것은 가장 신비로운 암흑에너지로 구성되어 있다. 어디에나 있고, 항상 있습니다. 우리가 그것의 성격에 대해 아는 것이 매우 적기 때문에, 과학자들은 아직 실험실에서 그것의 존재를 검증하는 방법을 알지 못한다. 유일한 수단은 여전히 천문 관측의 간접적인 수단을 통해 그것의 신비를 이해하는 것이다.
현재, Ia 형 초신성의 폭발을 관찰하는 것이 가장 중요한 관측 수단이다. 이 초신성은 쌍성계의 백란성 폭발로 형성된 것으로, 그 밝기는 거의 일정하다. 이렇게 하면 그것의 밝기를 측정하여 지구와의 거리를 알 수 있어 그것의 속도를 알 수 있다.
허블과 같은 예민한 천문 기기로 우리는 적어도 90 억 광년 밖의 상황, 즉 90 억 년 전 우주에 대한 정보를 관찰할 수 있다.
홉킨스 대학 교수인 Adem Reiss 교수는 최신 암흑 에너지 장면을 다음과 같이 보여주었습니다.
빅뱅 이후 초기에 우주는 빠른 팽창 단계를 거쳤다. 이후 암흑물질과 물질의 거리가 가깝기 때문에 중력의 작용으로 우주의 팽창 속도가 느려지기 시작했다.
하지만 적어도 90 억 년 전, 우주의 또 다른 힘, 즉 반발력으로 표현되는 암흑에너지가 나타나 중력 효과를 점차 상쇄하기 시작했다.
우주가 팽창함에 따라 점점 더 커지는 암흑에너지는 마침내 약 50 억에서 60 억년 전에 중력을 넘어섰다. 이후 우주는 감속 팽창에서 가속 팽창으로 바뀌어 지금까지 계속되고 있다.
아인슈타인의 유산
중국 과학기술대 물리학과 교수인 이준은 "암흑에너지 전문가가 얼마나 많은지 암흑에너지 모델이 있다" 고 농담했다. 아마도 이런 견해는 과장이 아닐 수도 있지만, 암흑에너지의 이론적 혼돈 상태도 볼 수 있다.
그중에서 가장 극적인 이론은 아인슈타인의' 우주 상수' 의 부활이다. 19 17 년, 20 세기 최고의 과학자로 여겨지는 알버트 아인슈타인은 안정된 우주 모델을 만들기 위해 처음으로 이 개념을 제시했다. 그러나 그 자신도 나중에' 우주 상수' 가 단지 잘못된 개념일 뿐이라는 것을 인정했다.
그러나 암흑에너지의 존재는 우주 상수에 새로운 가능성을 제공한다. 암흑에너지가 우주 상수라면 그 강도는 우주의 크기와 관련이 있을 뿐이다. 우주가 팽창함에 따라 그 부피가 점차 커지기 때문에 암흑에너지도 점차 증가할 것이다. 결국 임계점에 도달하여 우주를 감속 상태에서 가속 상태로 바꾸고 계속 가속화할 것이다.
중국과학원 고에너지물리학연구소 장신민 연구원은' 재경' 과의 인터뷰에서 리스의 최신 결과를 포함한 지금까지의 관측 결과가 아인슈타인의 우주상수 이론과' 잘 어울린다' 고 지적했다.
그러나, 우주 상수는 확실성의 암흑에너지 이론이 아니다. 일부 과학자들은 이 모델에 따르면 우주가 계속 팽창을 가속화할 것이라고 농담조로 말했다. 이것은 상당히 지루하다.
물론 가장 치명적인 것은 양자장론에 따라 계산된 우주상수가 천문 관측에 비해 최소한 120 배 이상 높다는 것이다.
그중에서 가장 이상하고 과학적인 근거가 부족하지 않은 설명은' 다중우주론' 이다. 관찰과 이론은 틀릴 수 없다. 사실, 우리가 살고 있는 이 우주 외에도 수많은 다른 우주가 있다. 과학자들이 상상할 수 있는 우주의 수는 수만 또는 수억으로 산정되는 것이 아니라 10 의 1000 제곱에 이를 가능성이 높다.
각 우주는 서로 다른 우주 상수를 가지고 있습니다. 우리는 우주 상수가 매우 작은 우주에 살고 있습니다. 어둠 속에는' 신의 손' 이 있는 것 같은데, 우리에게 지혜의 생명의 생존에 적합한 우주를 보여 준다. (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 지혜명언)
그러나, 이런 다중 우주의 존재를 희망하는' 의인화 원리' 에 대해 천문학자와 물리학자 사이에는 큰 논란이 있다. 중국과학원 고에너지 물리학연구소 장신민 연구원은' 재경' 에 많은 사람들이 이것이 단지 추측일 뿐' 원리' 에서 멀리 떨어져 있다고 말했다.
더 날카로운 비판은 이런 해석이 과학 이론보다는 종교적 신념에 더 가깝다고 생각한다.
이러한 충돌을 피하기 위해 과학자들은 우주 상수 모델 대신 각종 암흑에너지 이론을 제시했다. 대표모형에는 정수 모델과 팬텀 모델이 있고, 장신민과 중과대물리학과 교수인 이규도 각각 quintom 과 홀로그램 모델을 제시했다.
우주의 미래
선택할 수 있는 암흑 에너지 이론이 성립된다면, 완전히 다른 우주의 미래를 가리킬 것입니다.
스칼라 필드 모델에 따르면 우주의 미래는 훨씬 복잡해질 것이다. 팽창을 계속 가속화할 수도 있고, 팽창의 속도를 늦추거나 수축할 수도 있으며, 결국 빅뱅과 반대되는' 대긴축' 으로 이어질 수도 있다.
유령 모델에 따르면 암흑에너지는 계속 증가하여 우주가 점점 더 빠른 가속도로 팽창하게 될 것이다. 결국 우주는 "큰 눈물" 로 나아갈 것입니다.
Elf 모델은 "진동의 미래" 를 제공합니다. 장신민은' 재경' 에게 그의 이론에 따르면 우주 전체가 가속 팽창과 감속 팽창 사이에서 반복적으로 연기될 것이며,' 대붕괴' 와' 대파열' 이라는 극단적인 상황은 나타나지 않을 것이라고 말했다.
가장 큰 어려움은 지금까지 우리가 암흑에너지를 연구할 수 있는 수단이 매우 제한적이라는 것이다. 현재 가장 주류는 초신성에 대한 관측이다. 하지만 특히 우주 초기에는 초신성의 밝기가 일정하지 않을 수도 있고, 자체 진화 과정도 있을 수 있다는 우려가 있다. (윌리엄 셰익스피어, 초신성, 초신성, 초신성, 초신성, 초신성, 초신성, 초신성)
이러한 우려를 배제할 수 있다 해도 초신성은 지구에서 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 관찰하기가 어렵다. 리스의 관점에서 볼 때, 이것은 두 달 사이의 거리에서 60 와트의 전구를 관찰하는 것과 같다. 허블 망원경이 감도가 매우 높더라도 제거하기 어려운 시스템 오차가 있다.
대규모 우주 구조 (예: 은하단) 에 대한 연구는 암흑에너지에 새로운 단서를 제공할 수 있다. 암흑에너지가 존재하면 은하단의 형성이 느려질 수 있다. 중력은 이 반발력을 먼저 극복해야 하기 때문이다.
현재 슬로언 디지털 순천 (SDSS) 이라는 우주 탐사 프로젝트는 이미 5 년간의 1 단계 작업을 마쳤다. 일단 완성되면, 하늘의 4 분의 1 을 덮을 수 있는 정교한 광학 이미징 장비는 의심할 여지 없이 더 많은 세부 사항을 밝혀낼 것이다.
우리나라 과학자들도 최근 베이징 부근에서 발사된 라모스 (대천구 다목표 광섬유 스펙트럼 망원경) 를 이용해 초신성을 관측해 우리나라에서 처음으로 암흑에너지 실험을 할 가능성을 모색하고 있는 것으로 알려졌다. 감마 폭풍 (초대형 항성 폭발로 인한 우주 고에너지 방사선) 의 사용은 초기 암흑 에너지를 더 연구하는 간접적인 수단을 제공할 수 있다.
주종홍 베이징 사범대학교 물리학과 교수는' 재경' 인터뷰에서 감마선 폭천문학의 탐구가 아직 초급 단계에 있다고 지적했다. 이는 1998 년 암흑에너지가 막 발견되었을 때의 초신성 천문학과 다소 비슷하지만, 그 성질은 장기적으로 암흑에너지를 연구하는 데 사용될 수 있다.
그럼 실험실을 이용해 암흑에너지를 직접 연구할 수 있을까요? 어떤 사람들은 나노 기술이 이 목표를 달성하는 데 사용될 수 있다고 주장한다. 라이스는' 재경' 과의 인터뷰에서 일부 과학자들도 단거리 중력 실험을 이용하여 암흑에너지의 단서를 찾고 싶다고 밝혔다.
California Technology (CIT) 물리학자인 션 캐롤 (Sean Carroll) 도' 재경' 에게 보다 확실한 모델을 찾기 위해서는 천문학적 데이터뿐만 아니라 입자물리학의 증거도 필요할 수 있다고 강조했다. 특히 2007 년 유럽에서 가동될 대형 강자 충돌기 (LHC) 는 "기대해볼 수 있다" 고 말했다.
하지만 암흑에너지의 본질, 다른 물질과의 반응 메커니즘을 포함해 아직 명확하지 않기 때문에, 많은 과학자들은 단기간에 연구실의 업무에 큰 희망을 걸 수 없다고 생각합니다. 좀 더 현실적인 채널은 여전히 천문 관측에서 나올 수 있다.
만약 사고가 나지 않는다면, 플랑크 탐사선은 2007 년 1 분기에 정식으로 발사될 것이며, 그것은 하늘을 더 정확하게 탐지할 것이다. 피어무트는' 재경' 과의 인터뷰에서 연구실이 설계한 초신성가속탐지기 (SNAP) 가 예정대로 20 13 또는 20 14 로 발사될 것이라고 밝혔다.
"앞으로 5 ~ 10 년 동안 우리는 암흑에너지의 본질에 대해 더 잘 알 수 있을 것이다." Christopher Conselice 교수는' 재경' 에 대해 노팅엄 대학교 물리학천문대 교수인 크리스토퍼 콘셀리세 교수가 말했다.
암흑에너지가 우주론과 물리학에 있어서 혁명이라는 것을 부인하는 사람은 거의 없다. 1979 노벨 물리학상 수상자인 스티븐 와인버그는 "암흑에너지라는' 길호' 를 해결하지 않으면 기초물리학을 완전히 이해할 수 없다" 고 분명히 밝혔다. 중국의 저명한 물리학자 1957 노벨 물리학