우주

공간이랑 시간 그리고 행성, 항성, 은하 등 다른 모든 형태의 물질과 에너지를 포함하는 모든 것을 우주라고 한다. 대폭발 이론은 우주의 발전에 대해 강한 우주론적 기술이다. 우주의 공간과 시간은 137.87 ± 0.20억 년 전에 함께 나타났고 대폭발 이후 우주는 계속 커지고 있다. 우주 전체 크기는 알려져 있지 않지만 관측 가능한 우주의 크기는 측정할 수 있는데 약 930억 광년 정도이다.

초기의 뜨겁고 조밀했던 상태를 플랑크 시대라고 했고 이 짧은 기간은 시간 0에서 대략 10-43초의 1 플랑크 시간 단위까지 확장된다. 플랑크 시대에는 모든 유형의 물질과 에너지가 조밀한 상태로 집중되었으며 현재 알려진 4 가지 힘들 중 가장 약한 중력은 다른 기본 힘만큼 강했으며 모든 힘은 통일된 것으로 추정하고 있다. 플랑크 시대 이후로 우주는 현재까지의 크기로 커져 왔으며 짧지만 강렬한 급팽창 기간이 처음 10-32초 이내에 발생한 것으로 추측되고 있다. 오늘날 우리 주변에서 볼 수 있는 것과는 다른 종류의 확장이고 공간의 객체는 물리적으로 이동하지 않고 대신 공간을 정의하는 '메트릭(metric)'이 변경되었으며 시공간의 물체는 빛보다 빠르게 움직일 수 없어도 시공간 자체를 지배하는 미터법에는 적용되지 않는다. 급팽창의 초기 기간은 우주가 평평하게 보이는 이유를 설명하는 것으로 생각되며 우주 시작 이후 빛보다 훨씬 더 크게 이동할 수 있었다.

초기 단계에서 우주 내의 작은 변동으로 인해 암흑물질이 천천히 형성되었고 중력에 의해 끌어당기는 물질은 가스 구름을 크게 만들고 결국에는 암흑물질이 밀도가 제일 높은 곳에서 별하고 은하를 만들고 가장 밀도가 낮은 곳에서는 거시공동을 만들었다. 종족 III 별으로 알려진 최초의 별이 약 1억 ~ 3억 년 후에 형성되었다. 이 별들은 예측해 보았을 때 엄청 크고 밝았으며 비금속성으로 수명이 짧았을 것이다. 약 2억 ~ 10억 년 사이에 재이온화를 담당했으며 헬륨보다 무서운 원소를 항성 핵합성을 통해 우주에 뿌렸다. 우주에는 암흑 에너지라고 하는 신기한 에너지도 포함되어 있는데 그 에너지는 시간이 지나도 변하지 않는다. 약 98억 년 후, 우주는 물질의 밀도가 암흑 에너지의 밀도보다 낮을 정도로 커져 현재의 암흑 에너지-지배시대의 시작을 알렸다.

우주 존재의 1초 안에 네 가지 힘들이 분리되어 있는데 상상할 수 없을 정도로 뜨거운 상태에서 계속 냉각되는 쿼크시대, 강입자시대, 경입자시대로 알려져 있는 다양한 아원자 입자가 짧은 시간 내에 만들어 질 수 있었다. 이 시대들은 대폭발 이후 10초 미만의 시간을 포함하며 기본 입자는 안정한 양성자와 중성자를 포함하여 안정적으로 결합되어 훨씬 더 큰 조합으로 핵융합을 통해 복잡한 원자핵을 형성한다. 대폭발 핵합성으로 알려진 이 과정은 약 17분 동안만 지속되었고 약 20분 동안 종료되면서 가장 빠르고 작은 반응만 발생했다. 질량을 기준으로 양성자와 모든 중성자의 약 25%가 소량의 중수소와 미량의 리튬을 함께 헬륨으로 변환시켰고 다른 원소들은 매우 적은 양으로만 형성되었다. 나머지 75%의 양성자는 수소 핵으로 아무 영향을 받지 않고 남아 있다.

일반상대성 이론에서는 공간의 먼 지역은 유한한 빛의 속도와 지속적인 공간 커짐으로 인해 우주가 숨쉬는 동안에도 우리와 상호 작용하지 않을 수 있으며 지구에서 보낸 무선 메시지는 영원히 우주가 존재하더라도 일부 지역에는 도착하지 못할 수 있다. 우주는 빛이 통과할 수 있는 것보다 더 빠르게 커질 수도 있다.

대폭발 이론에선 처음 존재하는 에너지와 물질은 우주가 성장함에 따라 밀도가 낮아졌고 10-32초 정도의 급팽창 시대라고 불리는 네 가지 기본 힘의 분리 이후 우주는 점차 얼어가고 계속 팽창하여 최초의 아원자 입자와 단순한 원자들이 형성될 수 있게 됐다. 암흑물질이 조금씩 모여 중력의 영향을 받아 필라멘트와 거시공동의 거품-같은 구조를 형성하고 수소와 헬륨으로 이루어진 큰 구름은 천천히 암흑 물질의 밀도가 가장 높은 곳으로 가면서 현재의 은하와 별 그리고 다른 것들을 형성했다.

우주의 종말, 대폭발 전에 어떤 것이 있었는지에 대해 많은 가설들이 있지만 물리학자들과 철학자들은 그 전의 상태에 대한 정보에 접근할 수 있을지 의심하며 추측하기를 싫어한다. 몇몇 물리학자들은 우주가 비슷한 존재인 많은 우주들 중 하나일 수 있다는 여러가지 다중 우주론을 얘기했다.

은하의 운동을 연구해 본 결과 우주에는 훨씬 더 많은 물질이 포함되어 있다는 것이 발견되었다. 별, 은하, 성운, 성간 가스가 보이지 않는 물질을 암흑물질이라고 한다. ΛCDM 모형은 가장 많이 세계에서 인정하는 우주의 모형이다. 우주의 질량과 에너지의 약 69.2% ± 1.2%가 우주상수나 스칼라장과 같은 다른 형태의 암흑 에너지가 우주 팽창을 일으키는 원인임을 얘기하며 또한 약 25.8% ± 1.1%는 암흑물질이다. 그래서 일반 물질은 물리적 우주의 4.84% ± 0.1%에 불과하며 항서야, 행성 그리고 가시 가스 구름은 일반 물질의 약 6%만 형성한다고 한다.

시공간은 모든 물리적 사건이 일어나는 경기장이라고 볼 수 있다. 시공간의 기본 요소는 사건이며 주어진 시공간에서 고유한 시간에 고유한 위치로 정의된다. 시공간은 모든 사건의 결합이라고 할 수 있으며 형식적으로 4차원 다양체로 통합된다.

역사적으로 우주와 우주론에 대한 많은 아이디어가 있었다. 물리 법칙에 의해 비인격적 우주에 대한 이론은 그리스인과 인디아인이 처음 제안하였는데 고대 중국 철학은 모든 공간과 모든 시간을 포함하는 우주의 개념을 다 포함했다. 여러세기에 걸쳐 천체 관측과 운동 및 중력 이론의 발전으로 우주에 대해 정확한 설명이 가능해졌다. 현대 우주론은 1915년 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론으로 우주 전체의 기원, 진화, 종말을 예측할 수 있게 되었다. 현재 가장 받아들여지는 우주론 이론은 일반 상대성이론보다 구체적으로 예측된 대폭발에 기반을 두고 있다.