우주가 끝나는 방식에 대한 추측은 그 기원에 대한 이론만큼이나 인기가 많으며, 우주론자들과 일반인들 모두에게 강한 매력을 발휘합니다. 몇 가지 경쟁적인 과학적 이론이 존재하지만, 암흑에너지의 발견으로 한 이론에 힘이 쏠리고 있습니다.
20세기 초반까지 대부분의 천문학자는 우주는 시간과 공간 모두에서 무한하다고 믿었는데, 그것은 영원히 존재해 왔으며 무한한 미래에도 계속 존재할 것이라고 생각했습니다. 하지만 그 안에 있는 물질들에 어떤 일이 있어났는지는 또 다른 문제였습니다. 19세기 초 프랑스의 과학자 니콜라 사디 카르노와 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스에 의해 발전된 열역학 법칙에 따르면 우주는 천천히 쇠퇴할 운명으로 보입니다.
열역학은 한 체계 내에서 에너지가 전달되는 방식을 기술하며, 특히 규칙적인 구조는 오직 에너지를 사용해서만 유지될 수 있지만 에너지 자체는 입자들 사이에 덜 집중되고 더 널리 분포되는 경향을 보이고 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 1850년대 켈빈 경으로 알려진 영국의 과학자 윌리엄 톰슨은 이런 아이디어에 근거해 열적 죽음의 개념을 발전시켰는데 이에 따르면 우주의 모든 구조는 결국 분해되고 우주의 평균 온도는 서서히 낮아질 것입니다.
유한한 우주
이러한 배경에 반대해, 20세기 우주론자들은 대폭발 이론을 발전시켰는데, 이 이론은 우주가 비교적 멀지 않은 과거에 분명한 시작점을 가진다는 것을 함축하고 있었습니다. 그리고 이 유한한 시작점과 함꼐 우주의 잠재적인 종말에 대한 전망도 따라왔습니다.
우주가 최초의 폭발 이후로 여전히 팽창하고 있으므로 이 팽창이 영원히 계속될 것인지 아니면 우주 자체의 중력 때문에 이 팽창이 점점 느려지고 결국 수축하게 될 것인지를 고려해 보는 것은 의미가 있습니다. 1920년대 대폭발 이론의 선구자 중 한 명인 소련의 우주론자 알렉산드르 프리드만은 최초로 이 가능성을 확인했고, 팽창과 수축의 연속적인 단계를 겪는 진동하는 우주를 상정했습니다.
일단 20세기 후반에 대폭발 이론이 완전히 확립되자 천문학자들은 밀도 파라미터인 오메가로 알려진 양을 통해서 우주에 있는 물질들의 밀도를 측정하는 것이 우주의 가능한 운명을 이해하기 위해 중요하다는 결론을 내렸습니다.
이론가들은 세가지의 가능한 시나리오를 예견했는데, 중력이 팽창을 극복해 그 결과 우주가 다시 붕괴하여 대수축하게 될 것이라는 닫힌 우주, 팽창이 누려지지 않고 영원히 계속될 것이라는 열린 우주, 중력이 팽창 속도를 느리게 만들어 우주의 팽창이 거의 멈추지만 다시 수축하는 일은 일어나지 않는 중간적인 입장의 편평한 우주가 그것입니다. 열린 우주와 편평한 우주 시나리오에서는 켈빈의 열적 죽음이 수조 년 뒤에 궁극적인 역할을 하게 될 것입니다.
1970년대와 1990년대 사이 이뤄진 모든 오메가 측정 결과는 물질의 밀도가 편평한 우주를 위해 요구되는 임계치에 매우 가깝다는 것을 보여줬지만, 1998년 우주론자들은 우주의 팽창을 가속하고 있는 예상치 못했던 힘인 암흑에너지를 발견했다고 발표했습니다. 이 발견은 이전에 사용됐던 먼지 해법(중력 붕괴만이 고려할 가치가 잇는 중요한 요소라고 주장하는)을 극적으로 뒤집었습니다. 또한 열린 우주의 손을 들어줌으로써 논쟁을 종식시키는 것처럼 보였습니다.
현대의 이론들
그러나 고려해야 할 다른 요소들이 존재합니다. 최근의 측정을 통해 암흑에너지의 효과가 할상 일정한 것은 아니며, 가속은 겨우 50억 년 전부터 비로소 효과를 내기 시작했다는 것이 알려졌습니다. 암흑에너지의 우주 상수 이론에 따르면, 이것은 팽창하는 우주에서 암흑에너지와 정상물질과 암흑물질 간의 균형이 변하기 때문에 발생하는 자연적인 결과이지만, 다른 가능성 역시 존재합니다.
미국의 우주론자 로버트 콜드웰은 '유령 에너지'라고 알려진 형태의 암흑에너지를 제안했는데, 이것은 시간이 감에 따라 기하급수적으로 커져서 결국에서 소위 대파열 속에서 그 안에 있는 공간과 물질을 산산조각 낼 것입니다. 이와 반대로, 캘리포니아 스탠퍼트 대학교의 안드레이 린데는 암흑에너지가 어느 날 그 효과를 뒤집어서 우주를 끌어당기고 비교적 짧은 시간인 100억 ~ 200억 년 안에 대수축에 이르게 할 것이라고 주장했습니다.
물론 다른 우주론자들은 우주의 운명이 열린 우주, 닫힌 우주 그리고 편평한 우주 시나리오 중에서 선택하는 것처럼 단순하지 않다고 주장합니다. 프리드만의 진동하는 우주의 어떤 특징들은 루프 양자 우주론과 같은 이론들 안에서 부활했는데, 이 이론은 다시 튀어나오는 우주, 즉 빅 바운스의 가능성을 예견했습니다.
비록 팽창이 끝없이 계속돼 우주의 차가운 열적 죽음이나 격렬한 대파열을 맞이할 운명일지라도, 브레인 이론은 보이지 않는 차원에서 작용하는 또다른 힘이 궁극적으로 새로운 우주의 탄생을 촉발할 것이라고 주장합니다. 마지막으로, 린데의 혼란스러운 급팽창 이론은 우리 우주의 운명이 무엇이건 간에, 우리 우주는 궁극적으로 무수히 많은 거품 중 하나일 뿐이며 새로운 우주들은 계속 탄생할 것이라고 주장합니다.
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