[미스터리] 우주의 가장 큰 7가지 미스터리(ft.풀리지 않은 이유)

지난 10년 동안 우리는 블랙홀의 사진을 찍고 원자의 심장을 들여다보고 우주의 탄생을 되돌아 보았습니다. 그러나 아직도 우주와 우주를 지배하는 법칙에 대한 우리의 이해가 닿지못하는 영역이 있습니다. 이것들은 향후 10년과 그 이후에 물리학자와 천문학자들을 괴롭히게 될 미스터리입니다.

1. 왜 빈공간에 무언가가 있는 것일까?

태초에 우주론의 표준 그림에 따르면 '인플레이션 진공'이 있었습니다. 그것은 초고 에너지 밀도와 반발 중력을 가지고있어 팽창했습니다. 많을수록 반발력이 커지고 팽창 속도가 빨라졌다.

모든 '양자'와 마찬가지로 이 진공은 예측할 수 없었습니다. 무작위 위치에서 그것은 평범한 일상의 진공 상태로 붕괴되었습니다. 인플레이션 진공의 엄청난 에너지는 어딘가로 가야만 했습니다.

 

그리고 물질을 생성하고 엄청나게 높은 온도로 가열하여 빅뱅을 생성했습니다. 우리 우주는 계속 팽창하는 인플레이션 진공 속의 빅뱅 거품 중 하나에 불과 합니다. 놀랍게도, 이 전체 과정은 설탕 한 봉지와 같은 질량을 가진 팽창 진공 조각으로 시작될 수 있었습니다. 그리고 편리하게도 물리학 법칙, 특히 양자 물리학 은 그러한 물질이 무에서 생겨나게 합니다. 물론 다음으로 분명한 질문은 다음과 같습니다. 물리학 법칙은 어디에서 왔습니까?

 

 

1918년 독일의 수학자 에미 뇌테르는 이에 대해 밝혀냈습니다. 그녀는 위대한 보존 법칙이 공간과 시간의 깊은 대칭의 결과일 뿐이라는 것을 발견했습니다. 그러한 대칭의 두드러진 속성은 그것들이 또한 완전히 비어 있는 우주의 공허의 대칭이라는 것입니다. 그래서 아마 아무것도 아닌 상태에서 무언가로의 전환은 그렇게 큰 문제가 아니었을 것입니다. 아마도 그것은 우리 은하계로 가득 찬 우주의 무에서 '구조화된' 무로의 단순한 변화였을 것입니다. 그런데 왜 변화가 일어났습니까? 미국 물리학자 빅터 스텐거(Victor Stenger)는 온도가 떨어지면 얼음이 더 안정적이기 때문에 물이 구조화된 물 또는 얼음으로 변한다는 사실을 지적했습니다. 그는 구조화된 아무것도 더 안정적이기 때문에 우주가 무에서 '구조화된 무'로 변했다고 추측할 수 있습니까?

 

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2. 왜 모든 은하 중심에 괴물 블랙홀이 있는가?

우리 우주에는 약 2조 개의 은하가 있으며, 우리가 아는 한 거의 모든 은하에는 중심 초대질량 블랙홀이 있습니다 . 그것들의 크기는 태양 질량의 거의 500억 배에 달하는 괴물부터 우리 은하계의 중심에 있는 궁수자리 A*로 알려진 430만 태양 질량 티들러(태양 질량 1개 = 태양 질량)에 이르기까지 다양합니다. 그러나 그들이 어떻게 거기에 도달했는지는 우주론의 풀리지 않은 위대한 미스터리 중 하나입니다.

 

우리는 별의 핵이 폭발하는 초신성 폭발에서 항성 블랙홀이 형성된다는 것을 알고 있습니다. 그러나 초거대질량 블랙홀이 어떻게 형성되는지는 아무도 모릅니다. 대부분의 우주 역사 동안 은하의 중심은 많은 물질이 작은 부피에 갇힌 곳이었습니다. 서로 반복적으로 합쳐지는 항성 블랙홀이 밀집한 성단에 초질량 블랙홀이 형성되는 경우일 수 있다. 이에 대한 잠정적 증거 는 중력파 탐지에 의해 밝혀진 두 블랙홀 의 합병에서 비롯됩니다 . 하나의 구멍은 초신성 유물이 되기에는 너무 커서 이전 합병에서 유래했을 수 있습니다.

 

초거대질량 블랙홀을 형성하는 또 다른 방법은 빽빽한 가스 구름의 직접적인 수축입니다. 그들은 구름 붕괴와 블랙홀 합병의 조합으로 형성 될 수 있습니다. 빅뱅에서 초거대질량 블랙홀이 형성되었을 가능성도 있습니다. 이것은 은하계와 초대형 블랙홀 중 어느 것이 먼저인가? 은하가 먼저 형성되고 그런 괴물을 산란시키는 대신, 초대질량 블랙홀이 먼저 형성되어 별 은하가 형성되는 씨앗을 제공할 것입니다.

 

질량에도 불구하고 가장 큰 초대질량 블랙홀조차도 태양계보다 크지 않습니다. 그러나 그들은 반대 방향의 초고속 물질 제트를 통해 수백만 광년에 걸쳐 자신의 힘을 투사합니다. 그러한 제트가 빠른 곳(은하의 내부 영역)에서는 가스를 몰아내고 별 형성을 차단합니다. 속도가 느려진 외부 지역에서는 가스를 압축하고 별 형성을 촉발합니다. 사실, 가장 큰 구멍에서 나오는 강력한 제트는 우리 태양과 같이 더 작고 더 차가운 별을 향한 경향으로 형성되는 별의 질량을 제어하는 ​​것처럼 보입니다. 그래서, 우리가 태양에 대해 궁수자리 A*에게 감사할 수 있는 경우일지 모릅니다. 그렇지 않으면 이 페이지를 읽지 않을 것입니다.

3. 암흑물질이란?

 

암흑 물질은 우리가 감지할 수 없는 빛을 내지 않거나 너무 적은 빛을 방출합니다. 눈에 보이는 별과 은하에 대한 중력의 영향을 보았기 때문에 우리는 그것이 존재한다는 것을 압니다. 예를 들어, 은하수는 추가 중력으로 속도를 높이는 많은 보이지 않는 물질이 없었다면 빅뱅 이후 138억 2000만 년 동안 별을 만들기에 충분한 물질을 끌어들일 수 없었을 것입니다. 유럽 ​​우주국 ( European Space Agency )의 플랑크(Planck) 위성에 따르면 암흑 물질은 우주 질량 에너지의 26.8%를 차지하며 일반 '원자' 물질의 4.5%를 차지합니다. 따라서 그것은 눈에 보이는 별과 은하보다 약 6배 더 무겁습니다.

 

오랫동안 암흑 물질 입자로 선호되는 후보는 약하게 상호작용하는 거대 입자(WIMP)였습니다. 그러나 이 입자들이 법안에 부합하지만 스위스 제네바 근처의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에는 나타나지 않았습니다. 호의를 얻고 있는 후보는 가상의 아원자 입자인 초경량 '액시온'이다. 계급 외부인은 빅뱅 이후에 남은 원시 블랙홀로 남아 있습니다. 신기하게도 수십 년에 걸친 수색에도 불구하고 어떤 지구 기반 실험에서도 암흑 물질의 증거를 발견하지 못했습니다. 수정이 필요한 것은 물질 이론이 아니라 중력 이론입니다. 또는 암흑 물질은 단일 입자로 이루어진 유체가 아니라 우리 주변에서 볼 수 있는 원자 물질처럼 복잡합니다. 아마도 우주는 어두운 별과 어두운 행성, 그리고 어두운 생명체로 가득 차 있을 것입니다!

4. 시간이 존재하는가?

시간은 모든 일이 한 번에 멈추는 것입니다.”라고 미국 물리학자 존 휠러는 말했습니다. 그러나 시간은 미끄러운 개념입니다. 우리가 안다고 생각하는 것의 대부분은 거짓입니다. 예를 들어, 우리는 흐르는 시간을 상상합니다. 그러나 어떤 것이 흐르기 위해서는 강이 강둑에 대해 흐르듯이 다른 것에 대해서도 흘러야 합니다. 시간은 다른 것, 즉 두 번째 유형의 시간과 관련하여 흐르는가? 그 생각은 말도 안 되는 것 같습니다. 아마도 시간의 흐름은 우리의 감각을 통해 끊임없이 쏟아져 들어오는 정보를 조직화하기 위해 뇌가 만들어낸 환상일 것입니다.

 

우리는 또한 공유된 과거, 현재, 미래에 대한 강한 감각을 가지고 있습니다. 그러나 공통 현재라는 개념은 현실에 대한 우리의 근본적인 설명인 상대성에는 어디에도 나타나지 않습니다. 다른 사람의 시간이 정확히 어떻게 쪼개지는지는 그들이 당신에 대해 얼마나 빨리 움직이는지 또는 그들이 겪고 있는 중력의 강도에 달려 있습니다. 이러한 효과는 빛에 가까운 상대 속도로 또는 초강력 중력에서만 눈에 띄기 때문에 일상 세계에서는 분명하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 그들은 한 사람의 시간 간격이 다른 사람의 시간 간격과 같지 않고 한 사람의 공간 간격이 다른 사람의 시간 간격과 같지 않다는 생각으로 이끕니다.

 

사실은 더 나쁘다. 공간과 시간은 떼려야 뗄 수 없는 관계입니다. 우리 우주에서는 빅뱅에서 우주의 죽음에 이르기까지 모든 사건이 기존의 4차원 시공간 지도에 표시됩니다. 시간을 통해 실제로 '움직이는' 것은 없습니다. 아인슈타인은 친구 미셸 베소가 세상을 떠난 후 이렇게 썼습니다. 그건 아무 의미가 없습니다. 물리학을 믿는 우리와 같은 사람들은 과거, 현재, 미래의 구분이 완고하고 끈질긴 환상에 불과하다는 것을 알고 있습니다." 우주의 팽창이 거꾸로 영화처럼 거꾸로 달리는 것을 상상한다면, 가장 초기의 순간에 공간과 시간이 둘 다 찢어집니다. 따라서 물리학자들은 빅뱅 시대에 보다 근본적인 것에서 출현했다고 생각합니다. 아직 그것이 무엇인지는 아무도 모릅니다.

5. 암흑에너지란 무엇인가?

그것은 보이지 않고 모든 공간을 채우며 반발하는 중력이 우주의 팽창을 가속화하고 있습니다. '암흑 에너지'는 1998년 천체 물리학자들에 의해 발견되었습니다. 그들은 1A형 초신성을 연구하고 있었습니다. 항성 폭발은 고정된 양의 에너지를 방출하고 우주의 100W 전구와 같은 표준 광도로 연소한다고 믿어집니다.

문제는 가장 멀리 떨어져 있는 초신성이 예상보다 희미하다는 것이었다. 우주 팽창이 가속화되어 그들을 더 멀리 밀어냈습니다.

당시 대규모 우주에서 작용한다고 생각되는 유일한 힘은 은하계 사이에서 보이지 않는 거미줄처럼 작용하여 우주 팽창을 제동하는 중력이었습니다.

 

우주의 팽창이 우주의 질량 에너지의 3분의 2를 차지하는 놀라운 물질의 존재를 가정하지 않을 수 없는 미친 우주론자들의 속도를 높이고 있다는 발견. 이 '암흑 에너지'는 중력을 압도하고 약 50억 년 전에 우주를 지배하게 되었습니다. 한 가지 가능성은 암흑 에너지가 우주 상수, 즉 공간의 본질적인 반발력이라는 것입니다. 이러한 반발은 진공에서 양자 에너지 변동으로 인해 발생할 수 있습니다.

그러나 미시 세계에 대한 우리의 최고의 이론인 양자 이론이 진공에 적용될 때 이론가들은 암흑 에너지보다 10 다음에 120개의 0이 더 큰 에너지 밀도를 예측합니다. 

 

우리가 마침내 양자 이론과 아인슈타인의 중력 이론을 결합할 때 불일치가 사라질 것이라고 생각할 수 있습니다. 한편 우주 실험이 도움이 될 수 있습니다. 2022년에 유럽 우주국(European Space Agency)은 암흑 에너지가 우주 시간에 따라 어떻게 변하는지 측정하는 유클리드(Euclid)를 발사하여 과학에서 가장 큰 수수께끼를 푸는 데 중요한 단서를 제공할 예정입니다.

 

6. 왜 우리는 외계인의 흔적을 보지 못했습니까?

1950년, 최초의 원자로를 만든 사람인 Enrico Fermi는 뉴멕시코의 Los Alamos 폭탄 연구소 매점에서 점심을 먹고 있을 때 갑자기 “모두 어디 있습니까?”라고 말했습니다. 테이블 주변의 모든 사람들은 그가 의미하는 바를 정확히 알고 있었습니다.

수십 년 후, 페르미의 질문은 미국 물리학자 마이클 하트와 프랭크 티플러에 의해 독립적으로 검토되었습니다. Hart는 우리 은하계 전체에 퍼져 있는 외계인을 고려했고 Tipler는 행성계에 도착하면 자원을 이용하여 계속 항해하는 자신의 복제품 두 개를 만드는 자가 복제 기계를 고려했습니다.

 

둘 다 적당한 속도로 여행하더라도 은하계의 모든 별을 우리은하보다 훨씬 짧은 시간 안에 방문할 것이라고 결론지었습니다. Fermi가 깨달았듯이 외계인은 지구에 있어야 합니다. 그들은 나타나지 않습니다. 이것이 '페르미 역설'이 되었다.

수백 가지 설명이 제안되었습니다. 여기에는 우리가 은하계에서 발생한 최초의 지능이어서 완전히 혼자라는 생각과 우리가 발달에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 선진 문명에 접근할 수 없는 보육원이라는 생각이 포함됩니다.

더 평범한 가능성은 역설이 없다는 것입니다. 먼 과거에 방문의 흔적이 바람, 비 및 지질 학적 과정에 의해 지워지기 때문입니다. 그러나 최근 뉴욕 로체스터 대학의 Jonathan Carroll-Nellenback 박사가 이끄는 팀은 우리 태양이 외계 팽창의 물결에 의해 우회되었을 수 있다고 제안했습니다. 반세기 이상 동안 망원경으로 탐색했음에도 불구하고 우리 은하에서 외계인의 흔적을 볼 수 없었던 이유에 대한 의문이 남아 있습니다. 

 

그러나 Jason Wright 박사가 이끄는 Pennsylvania State University 팀은 이상할것이 없다고 말합니다. 우리는 지구의 바다에 있는 것과 비교하여 온수 욕조의 물에 해당하는 은하의 극히 일부만 검색했습니다. Douglas Adams는 The Hitchhiker's Guide to the Galaxy에서 이렇게 지각력 있게 관찰했듯이 “우주는 크다. 당신은 그것이 얼마나 광대하고, 엄청나게, 상상할 수 없을 정도로 큰지 믿을 수 없을 것입니다.”

 

7. 자연은 왜 기본 구성 요소를 3중으로 늘렸는가?

Lego가 각 브릭이 표준 브릭보다 수백 배 더 큰 버전의 브릭을 출시했다고 가정해 보겠습니다. 그리고 벽돌이 수천 배 더 큰 다른 버전을 출시했다고 합니다. 기존 이론이 거의 무너졌다고 생각해도 무방합니다. 하지만, 이것이 바로 자연이, 기본 구성 요소인 쿼크와 렙톤으로 한 일입니다.

 

정상 물질은 두 종류의 쿼크와 두 종류의 렙톤으로 이루어져 있습니다. 그러나 쿼크와 렙톤의 두 번째 '세대'도 존재합니다. 쿼크와 렙톤은 모든 입자가 수백 배 더 무겁다는 점을 제외하고는 첫 번째 입자와 동일하고, 제3세대는 동일하지만 수천 배 더 무겁습니다.

더 무거운 세대는 생성하는 데 많은 에너지가 필요하므로 오늘날에는 거의 볼 수 없습니다. 그러나 빅뱅에서 중요한 역할을 했을 가능성이 큽니다. 그러나 왜 각 세대에서 입자의 질량이 크게 다른가? 미국 물리학자이자 노벨상 수상자인 Dr. Steven Weinberg는 흥미로운 추측을 했습니다.

물질의 기본 구성 요소는 모든 공간을 채우는 보이지 않는 유체인 힉스 장과 상호 작용하여 질량을 얻습니다. 이 에너지 장에서 국소화된 hummock인 힉스 입자와 상호 작용한다고 생각할 수 있습니다. Weinberg는 힉스 장과 가장 강하게 상호 작용하는 입자는 결국 힉스 입자에 가까운 질량을 갖게 되며, 이들은 1세대가 아닌 3세대 입자라고 지적합니다.  Weinberg는 이것이 Higgs와 직접 상호작용하는 유일한 입자일 것이라고 추측합니다. 아마도 2세대는 힉스와 직접 상호작용하는 미발견 입자와 상호작용하여 질량을 얻을 수 있습니다. 그리고 아마도 첫 번째 세대는 첫 번째와 상호 작용하는 두 번째 미발견 입자와 상호 작용하여 자신의 것을 얻을 수 있습니다.

 

 

그것은 메시지가 아이들의 줄로 전달되고 전달되는 것이 원래 말한 것에서 점점 더 멀어지는 놀이터 게임과 같습니다. 아마도 각 하위 세대에서 입자는 힉스 장을 '느끼는' 것에서 더 멀리 제거되어 대량 생성 효과가 희석될 것입니다. Weinberg는 그러한 메커니즘이 어떻게 작동하는지 자세히 알지 못합니다. 그러나 다른 물리학자들은 그가 자연의 3중 구성 요소라는 퍼즐을 푸는 방법에 대한 힌트를 제공했을 수 있다고 생각합니다.