2. universe era classification


@ 우주의 시대적 구분을 말하겠다. 인류사도, 석기시대, 철기시대, 이런게 있듯이 우주전체로 봤을때, 특히 초기, 초기 우주를 물리적 특성에 따라 시대적으로 구분할 수 있다. 예를들어, 라디언트(복사)가 도미넌트한 시대, 물질이 지배적인 시대, 진공이 지배적인 시대. 이런식으로 구분할 수 있다.


@ 1965년도에 처음으로 윌슨과 켄지아스가 지상에서 빅뱅이 터진후의 잔류파를 측정했다. 지난 100년간 천문학에서의 발견중 아마도 가장 위대한 발견일 것이다. 빅뱅이 단순한 가정이 아니고 실제로 일어난 일일수 있다는 첫번째 증거가 포착이 된것이다. 그래서 윌슨과 켄지아스는 노벨상을 받는다.

1992년도에 코비라는 인공위성이 빅뱅이 터진뒤의 잔류파, 즉, 우주 배경복사를 측정하기 위해 우주로 나갔다. 그 책임자가 조지 스무트 박사인데 이사람은 우리나라에서 연구했다. 지상이 아닌 우주 공간에서 빅뱅의 잔류파를 정밀하게 측정했다. 그 이후로 빅뱅이론이 단순한 가정이 아니고 거의 정설로 받아들여지게 되었다.

확정적이게 된것은 2003년도에 WMAP인공위성의 관측결과이다. 38만년때의 우주의 모습을 찍었다. 온도를 측정했다. 모든 온도의 분포를 측정해서 그 온도의 편차가 구면좌표계에서 표시되었다. 빨간붉은점과 파란점들이 온도차가 있는 부분이다. 온도차가 극히 미미한 10만분의 1도 이지만 이러한 온도차이에 의해서 우주가 137억년 진화하면서 물질의 모임 정도가 달라지고 물질이 많이 모인곳은 갤럭시로 발전하였다.
@ 2009년도에 유럽공동체에서 플랑크 위성을 쏘아올렸다.

이것도 우주공간에서 배경복사를 측정하게 된다.


@ 시간t와 온도K 사이의 관계를 알아야한다. 그러면 우주의 대부분 현상을 이해할 수 있다. 시간이 지나면서 온도가 내려간다. 종이도표.
@ 플랑크 타임은 수식으로 유도가 된다.

$t_{p} = \sqrt{\frac{\hbar{G}}{C^{5}}} $

G : 만유인력상수.

$\hbar$ : 플랑크 상수.

이게 다 상수니까 집어 넣으면 $10^{-43}$ 초가 나온다.

참고로 플랑크 길이도 계산이 될수 있다.

$l_{p} = \sqrt{\frac{\hbar{G}}{C^{3}}} $

결론적으로, 플랑크타임은 플랑크길이를 광속으로 나눈값과 같다.

$t_{p} = \frac{l_{p}}{C}$

위의 관계가 초기 우주에서 굉장히 중요하다.

플랑크타임이라는 것은 인가가 미칠 수 있는 한계시간 이라는 것이다. 그 보다 더 짧은 시간에서는 인가를 논할 수가 없다. 광속에 관계되서 그 범위 안에서만 잉가를 논할 수 있다. 그래서 causulity, 인과율에 한계가 있다는 것이다.
@ 빅뱅부터 $10^{-43}$ 까지는 어떤 세계상 이냐하면 양자중력(중력을 양자화 해야 나오는 세계상) 세계상이다. 추측컨대, 우주 초기의 원시 미니 블랙홀이 생성과 증발이 빈벌하게 일어나는 구간이다. 그리고 이때의 우주의 크기가 양성자의 $10^{-20}$ 배 이다. 극히 미시한 세계에서 미니 블랙홀의 생성과 증발이 일어난다는 것이다.

블랙홀의 증발이란, 블랙홀 주변에서 온도가 굉장히 높은데 이때 광자가 물질과 반물질을 만들어 낼 수 있따. 예를들어 광자가 -전자와 +전자를 만들어 냈다고 하면 이중에 한 물질은 블랙홀로 빨려들어가는 것이다. 빨려들어간 물질이 블랙홀 안의 물질과 결합해서 포톤으로 바뀐다. 그러면 블랙홀의 질량이 줄어들게 된다. 그래서 우주초기에는 블랙홀이 아주 순간적으로 생성되고 순간적으로 증발한다. 한마디로 빅뱅에서 플랑크타임까지는 우주자체가 블랙홀의 집합으로 볼수 있다. 이 구간에서는 물리적으로 뭘 이야기 할수 없다.
@ 그 다음 구간에서는 이런 블랙홀 생성 증발 현상이 멈춘다. $10^{-35}$ 딱 됐을때는 놀라운 현상이 일어난다. 이 때 그 유명한 인플레이션이 일어난다. 이 때 온도와 시간의 양상은 그래프와 같다.

이때 우주가 팽창하는데 양성자 보다 적은 우주가 얼마만큼 팽창하냐면 $10^{50}$ 배 팽창 한다고 한다. 이 팽창하는 힘이 어디서 나오냐면 바로 진공에너지이다.

우주의 상태방정식

$P = w\rho{C^{2}}$ 압력, 상수. 진공이면 w=-1 이다. 따라서,

$P = -\rho{C^{2}}$ 이다.

위의 수식으로부터 압력이 - 라는 것은 무슨 의미냐 하면, 우주가 있을때 밖에서 우주쪽으로 우주를 압축 시키는게 아니고 우주가 바깥쪽으로 팽창한다는 것이다. 이 팽창 압력이 우주의 반지름 a(t) 를 어떤 식으로 바꿔주는가 하면,

$a(t) \propto e^{Ht}$ 반지름을 급격히 늘어나게 한다. 우주의 팽창 에너지가 진공에너지로부터 나왔다.
@ 인플레이션 이론이 다시 각광받는 이유가, WMAP인공위성의 관측결과를 가장 잘 설명해주기 때문이다. 관측결과를 잘 보정해 준다.


@ $10^{50}$ 배 팽창을 하면서 어떤 현상이 생겼냐면, 어떤 블랙홀을 생각해본다면 시공의 곡률이 무한대가 된다. 이러한 블랙홀들이 무수하게 많았다. 이러한 블랙홀들이 끊어지면서 이 끊어진 것들이 하나의 독립된 블랙홀이 우주가 될 수 있다는 것이다.


@ $10^{35}$ 초에 강력이 분리되어 나오면서 진공에너지에 의해서 무슨 현상이 생겼냐면, 에너지이기 때문에 무수하게 많은 쿼크하고 랩톤이 진공에너지의 열에너지에 의해서 형성됨. 동시에 반쿼크하고 반렙톤도 형성됨.


@ 전자의 반물질인 양전자는 자연상태에서는 드물다. 인공적으로 만들수있다. 대표적으로 양전자가 활용되는 사례가 PET이다. Positron Emission Tomography 이다. 물질하고 반물질이 생성되는되 그 비율이 미묘하게 달랐다는 것이다. 쿽렙톤에 반쿽반렙톤보다 10억분의1 만큼 더 생겼다.


@ $p + p = \gamma $

$\gamma$ ray 는 포톤이다.

이런식으로 물질 반물질이 서로 상쇄된다. 10억분의 1만 살아남는다. 그게 우리를 만들었다.

이현상이 언제 일어나냐면 빅뱅후 $10^{-35}$초 지났을 떄이다. 온도가 $10^{27}$K도가 됐을때, 쿽렙톤, anti quark, anti lapton 들이 무수하게 생김.


@ 렙톤은 가벼운 물질 이라는 뜻으로서 대략 세종류가 있다. 일렉트론, 뮤온, 타우입자.

$e, \mu, \tau$


@ 그리고 뉴트리노가 있다. 뉴트리노도 대략 세종류가 있다.

일렉트로 뉴트리노, 뮤온 뉴트리노, 타우 뉴트리노.

$\nu_{e}, \nu_{\mu}, \nu_{\tau}$


@ quark은 6종류이다.

top, bottom.

strange, charm.

up, down.


@ $10^{-12}$ 초에서는 약력전자기력이 분리되어 나온다. 이 과정을 연구했던 사람이 와인버그와 살람이다. 이 과정에서 살람이 자발적 대칭 붕괴 이론을 만들고 우주론에서 표준 이론이 된다. 약력과 전자기력의 분해 이 분야를 연구했던 사람중 한명이 이휘소이다.


@ 힘의 분화 종이 도표.

캡쳐도표. f7d7d170-8284-4410-a696-78302f5c086e 물리학에서 가장 중요한 것 중하나는 단위를 맞춰주는 것이다.

입자물리학에서 생명까지 전체로 볼때 가장 중요한 공통 에너지 단위는 eV이다.

eV는 1볼트 전위차에 일렉트론 하나를 가속시켰을 때 얻게되는 에너지이다.

eV로 바꿔주는 공식은 $10^{-4}$ 을 곱해주면 된다.

따라서 인간이 이해할 수 있는 가장 한계 에너지는 $10^{19}$ GeV 이다.

$10^{14}$ GeV 보다 에너지가 높은 상태를 다루는 이론을 GUT 라고 한다.

Grand Unified Theory 이다.

150 GeV 를 다루는 우주론을 표준우주론이라고 한다.

100 GeV 이상이 되면 $W^{+}, W^{-}, Z_{0}$ 이 세 보존 입자가 포톤 $\gamma$ 랑 구별이 안된다.

위 세 입자역시 100 GeV이상이 되면 포톤 처럼 질량이 없게된다.

우주가 식어가면 세 입자들이 질량을 획득하게 된다.


@ $10^{-6}$ sec 에서 쿽이 confine 되면서 중성자, 양성자인 하드론 seed 가 된다.


@ 왜 원시헬륨이라는 말을 쓰냐면 별 내부에서 헬륨이 생길 수 있다. 이것과 구분하기 위한것이다.

태양전체지름의 10퍼 정도되는 코어에서는 수소가 끊임없이 다음과 같이 헬륨으로 바뀌고 있다.

수소 양성자 : $^{1}\textrm{H}$

중양성자 : $^{2}\textrm{H}$

$^{1}\textrm{H} + ^{1}\textrm{H} \rightarrow ^{2}\textrm{H} + e^{+} + \nu $

$^{3}\textrm{He}$ : 헬륨동위원소. 중성자1, 양성자2

$\gamma$ : 감마레이(포톤)

$^{2}\textrm{H} + {1}\textrm{H} \rightarrow ^{3}\textrm{He} + \gamma$

$^{4}\textrm{He}$ : 정상적인 헬륨.

$^{3}\textrm{He} + ^{3}\textrm{He} \rightarrow ^{4}\textrm{He} 2^{1}\textrm{H}$

이 때 $^{4}\textrm{He}$ 헬륨이 생기고 있다.

빅뱅터지고 3분지나서 생긴 원시헬륨과 구별해야한다.

우주 전체의 물질에서 75퍼가 수소이고 25퍼가 헬륨인데 이때 결정난 헬륨은 원시헬륨으로부터 생성된 헬륨이다.

항성생성헬륨은 극히 미미한 양이다.


@ 태양 중심에서 핵융합을 하면 감마레이가 생긴다. 이 감마레이 포톤이 태양 표면까지 빠져나오는데 백만년이 걸린다. 태양의 반지름이 70만 km이면 빛의 속도로 2초만에 빠져나와야하는데, 태양코어주변에서 입자가 많아서 충돌해서 빠져나오는데 시간이 오래걸린다.

중간과정에서 에너지도 잃어버린다.

감마레이 엑스레이 자외선 가시광성 으로 바뀐 자외선 가시광선 영역에서 표면으로 나오게 된 것이다.


@ 우주-온도 시대 그래프.

캡도표.

263417bd-3d0c-4b51-b26f-9866b03e6e5e
@ 물리학적으로 아무것도 없다라는건 존재하지 않는다. 진공도 quantum fluctuation 을 한다. 이것에 의해 uncertided principal 에 의해서 입자와 반입자가 찰나적인 순간에 생성될 수 도 있다.