우주물리학 - 우주관

고대의 우주관과 현대물리학의 시작

 

신화속의 우주

우주 창세 신화(멜라네시아 대부분 지역,동남 아시아)

->이미 우주는 존재하고있다는 것을 전제 (우주의 기원에 대한 내용 없음)

공통되는 내용: 우주는 혼돈(카오스)에서 질서(코스모스)로 전환

 

우주 창조의 대표적인 여섯 가지 유형(전환되는 계기)

 

1. 창조신처럼 우주가 존재하기 이전에' '존재하는 의지의 힘으로 창조

2. 원인 혹은 세계 거인의 사체에서 우주가 탄생

3. 우주알과 같은 것에서 우주 탄생

4. 세계의 양친이 우주를 만듬

5.자연에 차례차례 우주의 요소가 정리되어가는 진화/출현

6. 바다 밑에서 가져온 진흙으로부터 우주가 창조

 

 

1.창조신처럼 우주가 존재하기 이전에 '존재하는 의지의힘으로'창조

창세기에서 혼돈이 지배하는 암흑을 향해 하느님이 '빛이 있으라'라고 말하자 우주가 개벽함.

 

5. 자연에 차례차례 우주의 요소가 정리되어가는 진화/출현

홍수 후에 초목과 생물이 자연스럽게 출현하는 것에서 유추함.

이집트의 천지창조설- 처음에 '누'라는 원초의 바다에서 원초의 언덕이 솟아오르고 그후 여신 누토가 우뚝 솟아 하늘이됨

수마트라 남부의 레장족 - 원초의 허무에서 물이 흘러나오고, 대지가 나타나고 하늘이 출현.그후 아홉마리의 새가 날아와 각각 알을 낳고 알이 부화되어 우주의 만물탄생.

 

6.바다 밑에서 가져온 진흙으로부터 우주가 창조

시베리아의 부랴트족 - 야생 오리가 물속에서 물고 온 진흙으로 창조신이 대지인 우르겐을 만들고 그 위에 식물과 동물을 만듦.

캘리포니아의 인디언 모노족과 만도우족 - 농병아리와 거북이 물에 들어가 흙을가지고오고, 그 흙에서 육지가 만들어짐.

 

4대 문명의 우주론

 

고대 이집트

심연, 무한, 암흑, 불가시성이라는 4가지 특성을 가진 원초의 물인 '누'신이 우주를 창조

'누': 태초 이전부터 이미 존재했고 영원히 존속하는 것.

세계는 무한한 공간에 떠 있는 기포와 같은 것.

 

메소포타미아 지방의 수메르인과 바빌로니아인

아푸스라고 불리는 지하의 거대한 담수를 편평한 원반인 대지가 덮고있고, 땅의 위쪽에는 하늘이 펼쳐져있음

하늘 최상부에 '아누', 중간에 하늘에 '이기기', 아래쪽 하늘에 별이있음.

 

고대중국

개천설: 하늘은 반원형의 뚜껑이며 땅은 공기를 엎어 놓은 형태로, 공통되는 중심을 가진 두개의 돔 모양을 가짐

혼천설: 하늘은 계란과 같이 둥글고, 땅은 난황처럼 중심에 위치하여 지구는 둥글다.

선야설: 무한한 공간 속에서 천체들이 큰 간격을 두고 떠다니고있다.

 

인도

우주의 중앙에 세계의 산이있고, 그 정상에 하늘이, 그리고 그 밑바닥은 지옥으로 통한다.

우리가 사는 대지는 원반 모양으로 퍼져있고, 그 주위를 바다가 둘러싸고있다.

우주적시간에 대해서는

불교-시간은 시작도 끝도 없음(단 영원한것도없음)

자이나교-올라가는 시대와 내려오는 시대를 반복

힌두교-큰불과 홍수를 주기적으로 반복한 후에 우주의 공허가 옴

 

그 외의 우주관

고대구약성서의 우주관

육상의 여러 나라를 포함하는 대지는 전체적으로는 평탄하지만 국부적으로는 산, 계곡, 강등에 의한 변화가 있고 육지의 주변은 바다로 둘러 싸여 있다. 그 지상 세계는 원형이다.

 

그리스 자연철학의 탄생

기원전 600년경, 탈레스

소아시아의 밀레투스 지역(현재의 터기 서해안)

신과 초자연적인 설명에 의존하지않고 자연현상을 논리적으로 설명하려함

 

기원전 5세기경 피타고라스

피타고라스는 자연을 이해하는 중요한 언어로서 수학의 중요성을 거의 최초로 인식했던 인물임

 

기원전 5세기경 헤라클레이토스

우주의 본질은 변화이다 하지만 파르메니데스는 세상은 변화하지않는것으로 생각함

엠페도클레스는 대단히 복잡한 자연현상을 자연을 이루는 기본원소와 그들 사이에 존재하는 상호적인 관계로 이해할수있다고 주장함.

아낙사고라스는 모든 물질은 더 이상 쪼갤수없는 눈에 보이지 않는 무한히 작은 씨앗으로 만들어졌다고 생각

물질도 아주작은 것으로 무한히 나눌수있다고 생각

데모크리토스는 물질을 일정수준으로 작게나누면 더이상 쪼갤수없는 상태가되는데 모든 물질은 이처럼 눈에 보이지않는 더이상 쪼갤 수 없는 물질로 되어있다는 것.이걸 아톰이라함

 

초기 우주모형

플라톤

자연에 정 다면체가 다섯개밖에 없다는 유클리드의 발견에 주목하여서 

이 정다면체가 차례로 기본원소인 흙,물,공기,불을 상징하고 있으며 나머지 하나인 정이십면체는 신성한 다섯번째 원소를 상징한다고 생각 -> 이 원소가 하늘에 떠 있는 천체를 구성함으로써 지상과 하늘을 구분할 수 있다고 생각

하늘천체를 움직이는 천체와 움직이지않는 천체로 구분하고 움직이지 않는 천체는 유한한 크기의 천구에 고정되어있다고 생각. 플라톤의 우주모형은 최초의 우주모형

아리스토텔레스

태양과 행성들을 완벽한 도형인 원궤도를 가지고 지구 둘레를 공전한다고 생각 - 동심우주론

->본격적인 천동설의 시작

아리스타르코스

지동성 주장

지구가 태양 둘레를 공전하고있다면 당연히 관측되어야 할 연주시차가 발견되지않아서 주목 못받음 -> 이 이유는 우주의 크기가 매우 크고 별들이 멀리있기 때문에 연주시차가 관측되지않는다고 반박함.

프톨레마이오스

지구와 무게추의 질량이 우주의 중심이며, 지구와 무게추는 질량 중심에 대해 서로 공전 주전원이 28개나 있을만큼 복잡한 우주모형 당시 관측가능한 천문현상을 모두 설명 일식과 월식 예측

 

지동설과 행성 운동 법칙

코페르니쿠스

지동성을 언급하였고 태양이 우주의 중심에 위치하고 지구가 태양 둘레를 공전한다면 행성의 역행과 같은천문현상들을 자연스럽게 이해할수있다고 생각함.프톨레마이오스의 천동설보다 많은수의 주전원을 가지고있음

행성의 궤도가 정원이라고 생각했지만 실제의 관측 결과는 태양과 행성의 거리가 일정하지않음.

티코브라헤 

동 시대를 포함해서 가장 많은 양의 별과 행성의 관측자료를 남김

우주의 중심에 지구가 존재하며 마치 행성을 위성처럼 거느린 태양이 지구 둘레를 공전한다고 생각

(코페르니쿠스의 지동설+프톨레마이오스의 철학)

 

케플러

스승인 티코의 정교한 천체관측 결과를 분석하여 케플러의 행성운동법칙을 발견

케플러의 행성운동법칙

1.태양둘레를 도는 행성은 태양을 하나의 초점으로하는 타원궤도를 갖는다.(타원궤도를 받아들이면서 행성의 주전원이 사라짐)

2. 행성이 태양 둘레를 공전할때 태양의 가까운곳을 지날때는 속도가 빨라지고 태양에서 먼 곳을 지날때는 행성의 공전 속도가 느려지며, 행성과 태양을 잇는 직선은 같은시간 간격 동안 동일한 면적의 부채꼴을 그림.

3. 태양으로부터 먼 곳에 위치한 행성은 가까운 곳에 위치한  행성보다 태양 둘레를 느리게 공전하며 그 주기는 태양과 행성의 평균적인 거리와 일정한 관계가 있다 - 조화의 법칙

중력의 발견

갈릴레이

달의 분화구를 처음으로 발견

목성의 위성과 태양의 흑점을 발견

피사의 사탑 낙하실험을 통하여 낙하하는 물체의 속도는 물체의 질량과 아무런 관계가 없다는 사실을 증명

가속도가 일정한 경우 물체의 이동거리가 시간의 제곱에 비례한다는 것을 발견

코페르니쿠스의 지동설을 옹호하는 책을 썼지만 이단으로 인정되어 일생동안 가택 연금

 

뉴턴

행성의 운동이 중력에 의한 것이며 케플러의 행성운동법칙들이 자신이 발견한 중력의 자연스러운 결과라는 사실을 증명

-> 고전역학의 확립

운동법칙

제1법칙 관성에 대한 정의

관성이란 물체가 외부에서 힘이 작용하지않는다면 원래의 운동상태가 변화하기 않으려는 성질

제2법칙 운동의 변화와 관련

질량과 속도의 곱을 운동량이라고 정의할때 외부에서 물체의 힘을 작용시키면 이 힘의 크기가 운동량의 시간에 대한 변화율고 같고 그 방향은 작용시킨 힘의 방향을 따른다.

제3법칙 작용과 반작용에 대한 것

모든 작용에는 그 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 작용한다.

 

만유인력의 법칙 두물체가 끌어당기는 힘은 두물체의 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다.

 

뉴턴은 우주가 유한하다고 생각

1692년 벤틀리-만약 뉴턴의 중력이론이 올바른 것이고 별들이 유한한 우주공간에 펼쳐져있다면 결국 모든 별들은 중력에 의해 서로 충돌하여 거대한 불덩어리를 일으킬것

올버스: 무한 우주의 신봉자 밤하늘이 어두운 이유는 별들사이에 존재할수있는 먼지때문임

 

팽창하는 우주

모든 은하로부터 나오는 빛은 적색편이가 나타나고 지구로부터 멀리 떨어진 은하일수록 그 정도는 더욱 크다는 것을 발견 ->광원, 즉 은하가 멀어짐으로써 나타나는 도플러 효과

최근 관측결과 안드로메다 은하는 대략 초속 110km의 속도로 다가옴

 

허블

24개 은하에 대한 적색편이를 자세히 관측하여 은하가 위치한 거리와 후퇴속도 사이에 일정한 관계가 성립한다는 사실을 알아냄.

v=Hd

여기서 v는 은하의 후퇴속도, d는 지구와 은하사이의 거리, H는 허블상수임.

 

우주가 거대한 폭발을 통해 탄생-> 빅뱅이론

프리드먼의 지도를 받았던 가모프가 프리드먼과 르메트르에 의해 제기된 우주 폭발과 관련된 이론을 정교하게 다듬어 1948년 알퍼와 함께 발표

크기가 없고 에너지가 무한대인 하나의 특이점이 폭발하여 우주가 탄생

 

빛의 화석과 흑체복사

우주배경복사의 발견

잡음이 항상 일정한 수준으로 발생하고 방향에도 상관이 없다는 사실을 관측 이는 절대온도 3.5k에 해당

일부 물리학자들은 이 복사가 가모프가 이야기한 태초의 빛의 흔적이라는 사실을 알아챔

호일-우주는 변화하지 않는다고 생각

호일은 정상우론자의 신봉자로 가모프의 이론을 소리만큰이론이라고 조롱