대폭발 이론이란 우주의 기원과 그 안에 존재하는 물질들의 기원에 대한 가장 좋은 모형을 제공하는 이론입니다. 1931년 르메트르는 우주가 '태초의 입자'로부터 유래했다고 했고, 1948년 가모프와 앨퍼는 르메트르의 이론으로 우주화학원소를 만드는 프로세스를 증명했습니다. 대폭발 이론은 매우 작은 사건들과 현상들에 영향을 미치는 거대 규모 우주의 성질을 좌우합니다.
대폭발 이론의 기원
대폭발 이론의 기원은 벨기에의 가톨릭 신부이자 캠브리지에서 아서 에딩턴에게 그리고 하버드에서 할로 섀플리에게 우주론을 배운 물리학자인 조르주 르메트르의 공이라고 볼 수 있습니다. 일반 상대성 이론에 대한 그의 해석을 담은 1927년 논문에서 르메트르는 우주는 팽창하고 있다는 것을 예측했으나, 그의 이론 그리고 그것과 유사했던 러시아의 우주론자 알렉산드르 프리드만의 연구 결과는 에드윈 허블이 1929년 팽창에 대한 관측상의 증거를 찾아내기 전까지는 아인슈타인과 다른 과학자들에게 받아들여지지 않았습니다.
르메트르는 또한 팽창하는 우주의 필연적 결과, 구체적으로는 우주가 먼 과거에는 훨씬 작고 더 뜨거웠을 것이라는 사실을 처음으로 고려했습니다. 또한 그는 우주가 '태초의 원자'라고 불렀던 하나의 폭발 사건으로부터 기원했음을 확신했습니다. 처음에 과학계는 르메트르의 주장에 회의적이었는데, 많은 과학자들은 그것이 과학적 증거가 아닌 종교적 신앙에 의해 더 많은 영향을 받았으리라 의심하기도 했습니다. 다른 과학자들은 영원하고 본질적으로 변하지 않는 우주의 개념을 포기하지 않은 채로 우주의 팽창을 설명하려고 시도했습니다. 여기에는 우주가 팽창과 수축을 반복한다는 프리드만의 '진동하는 우주', 팽창과 함께 새로운 물질이 지속적으로 창조된다는 '정상 우주론'들이 포함됐습니다. 아이러니하게도 1951년 르메트르의 이론에 '빅뱅'이라고 이름 붙인 사람은 정상 우주론의 가장 열렬한 지지자들 중 한 사람인 영국의 천문학자 프레드 호일이었습니다.
대폭발 이론의 입증
핵물리학의 발전은 르메트르의 이론을 옹호하고 있었습니다. 1948년의 중요한 논문에서 물리학자인 조지 가모프와 랠프 앨퍼는 대폭발로부터 방출된 어마어마한 양의 에너지가 매우 가벼운 화학 원소들인 수소와 헬륨을 어떻게 만들어 낼 수 있었는지 설명했습니다. 또한 그들은 전체 우주가 대폭발의 매우 희미한 메아리, 즉 우주 마이크로파 배경복사로 가득 차 있을 것이라고 예측했습니다. 1950년대와 1960년대에 걸쳐 다른 과학자들이 원자 구조와 기본적인 힘들에 대한 최신 연구결과를 결합함으로써 대폭발 모형을 계속 발전시켰습니다. 이 중 가장 눈에 띄는 두 가지 공헌은 미국의 수리물리학자 하워드 로버트슨과 영국의 수학자 제프리 워커로부터 나왔습니다.
완성된 형태의 대폭발 이론의 세부 내용은 매우 복잡해서, 그것을 기술하려면 책 한 권으로도 모자라겠지만, 간단하게 말해 매우 높은 온도와 에너지하에서는 질량과 에너지가 상호 변환이 가능하다는 사실입니다. 또한 높은 온도는 물질을 더 작은 구성 입자들로 쪼개는데, 그 결과 수소분자는 원자들로 분해되고, 다시 이온화되고, 결국에는 심지어 양성자와 중성자가 그들을 구성하는 쿼크로까지 분리됩니다.
대폭발의 첫 순간인 대략 137억 년 전에는, 온도와 에너지 레벨이 매우 높아서 그 결과 물질들이 지속적으로 창조되고 파괴됐습니다(사실상, 물질과 반물질이 창조됐는데, 이는 흥미로운 점입니다). 물리학에서 4개의 기본적인 힘인 중력, 강한 핵력과 약한 핵력, 전자기력 역시 처음에는 단일한 힘으로 나타났지만, 급격히 분리돼 서로 다른 방식으로 입자들에게 영향을 미치게 됐습니다.
우주가 팽창하고 온도가 하강함에 따라, 양성자나 중성자와 같은 핵자를 구성하는 쿼크와 같은 더 무거운 입자가 자발적으로 창조되기는 점점 힘들게 됐습니다. 그 결과, 약 1 나노초(10억 분의 1초) 이후부터 쿼크의 수는 더 이상 증가하지 않은 반면, 전자, 양전자, 중성미자와 같이 훨씬 가벼운 렙톤 입자들은 존재했다가 사라지기를 반복할 수 있었습니다. 약 1 마이크로초(100만 분의 1초) 이후에는 온도가 더욱 하강해 쿼크들이 강한 핵력에 의해 결합돼 핵자를 형성할 수 있게 됐습니다. 대부분의 입자는 양성자였지만 중성자 역시 형성될 수 있었고, 잠시 뒤에 핵 합성 단계에서 양성자와 결합할 수 있었습니다. 이 핵 합성 단계에서는 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소의 핵, 그리고 헬륨과 리튬 원소들이 생성됐습니다. 그러나 대부분의 양성자는 단순한 수소 핵으로 남아 있었습니다.