Nearly forgotten results in development of physical cosmology
이 논문은 알렉산더 프리드만(Alexander Friedmann)의 기초적인 비정상 모델, 조르주 르메트르(Georges Lemaître)의 초기 빅뱅 및 우주 배경 복사 예측, 그리고 T. 슈마노프(T. Shmaonov)에 의한 우주 마이크로파 배경의 조기 발견을 강조하며 물리적 우주론에 대해 간과되거나 과소평가된 기여들을 조명하는 한편, 소련 내에서 이러한 아이디어들이 인정받는 데 지체되었던 점 또한 언급한다.
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우리 우주의 이야기를 이해하기 위해서 우리는 먼저 단순하면서도 놀라운 사실 하나를 받아들여야 한다. 그것은 바로 우주가 정적이고 변하지 않는 무대가 아니라, 매 순간 더 커지고 있는 역동적인 실체라는 점이다. 수 세기 동안 인류는 우주가 영원하고 움직임이 없는, 별과 행성들의 드라마를 위한 고정된 배경이라고 가정해 왔다. 이러한 관점은 2-0세기 초, 일반 상대성 이론으로 알려진 새로운 중력 이론이 공간 자체가 늘어나거나 줄어들 수 있음을 시사하면서 변화했다. 처음에는 이 이론의 창시자인 알베르트 아인슈타인조차 중력의 끌어당김을 상쇄하기 위해 특별한 항을 추가하여, 정지해 있는 우주를 설명하도록 방정식을 강제로 맞추려 노력했다. 그러나 이 정적인 모습은 마치 연필을 끝으로 세워놓은 것처럼 불안정했다. 아주 작은 충격만으로도 쓰러질 수 있었기 때문이다. 우주의 진정한 본질은 훨씬 더 극적이었다. 우주는 팽창하고 있었으며, 이 개념은 시간, 공간, 그리고 모든 것의 시작에 대한 우리의 이해를 재편했다.
물리학자 A. F. 자카로프(A. F. Zakharov)의 최근 논문은 이 장대한 이야기 속에서 잊혀진 몇몇 장들을 조명하며, 정치, 시기적 불운, 혹은 역사의 기묘함 때문에 간과되었던 시대를 앞서간 과학자들에게 초점을 맞춘다. 서사는 1920년대 초, 러시아의 수학자 알렉산드르 프리드만(Alexander Friedmann)으로부터 시작된다. 그는 아인슈타인의 방정식이 실제로 팽창하는 우주를 허용한다는 것을 처음으로 보여준 인물이다. 프리드만은 단순히 수학적 계산만을 한 것이 아니라, 코페르니쿠스가 지구가 태양 주위를 돌도록 강제했던 것처럼 우주를 움직이게 만들었다. 그의 천재성에도 불구하고 프리드만은 1925년 젊은 나이에 사망했으며, 수십 년 동안 그의 연구는 고국에서 거의 무시되었다. 소련에서 시작이 있는 우주라는 개념은 종교적 창조론과 너무 유사해 보였기에 의구심의 대상이었다. 그 결과, 소련 과학자들은 팽창하는 우주 모델을 연구하는 것이 저지되었고, 프리드만의 공헌은 현실에 대한 묘사라기보다 단순한 수학적 연습 문제로 취급되었다.
프리드만이 러시아에서 작업하는 동안, 벨기에의 신부이자 물리학자인 조르주 르메트르(Georges Lemaître)는 유럽에서 유사한 결론에 도달하고 있었다. 1927년, 르메트르는 팽창하는 우주를 설명하고 은하의 거리와 은하가 우리로부터 멀어지는 속도 사이의 관계를 도출한 논문을 발표했다. 이 관계는 몇 년 후 이를 관측으로 확인한 미국의 천문학자 에드윈 허블의 이름을 따서 허블 법칙으로 유명해졌다. 그러나 르메트르의 연구는 잘 알려지지 않은 벨기에 학술지에 실렸고, 더 넓은 과학계에서는 거의 주목받지 못했다. 르메르트가 아인슈타인을 만났을 때, 아인슈타인은 그의 계산은 맞지만 물리적 통찰력이 부족하다며 팽창하는 우주라는 아이디어를 일축했다. 르메트르가 우주의 거동에 대한 수수께끼를 풀었다는 것을 세상에 설득하기 위해서는 영국 천문학자 아서 에딩턴(Arthur Eddington)과 같은 다른 과학자들의 영향력이 필요했다. 르메트르는 한 걸음 더 나아가, 우주가 '원시 원자(primeval atom)'라고 부르는 하나의 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높은 점으로부터 시작되었다고 제안했으며, 이 시작 단계에서 남겨진 희미한 열의 잔광이 오늘날에도 여전히 감지될 수 있다고 예측했다.
발견의 이야기는 우주 배경 복사라고 알려진 그 남겨진 열을 찾는 과정으로 이어졌다. 1940년대 후반, 물리학자 조지 가모프(George Gamow)와 그의 학생들은 만약 우주가 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 시작되었다면, 절대 영도보다 불과 몇 도 높은 미세한 복사로 가득 차 있을 것이라고 계산했다. 가모프가 미국에서 작업하는 동안, 러시아의 물리학자 티그란 슈마노프(Tigran Shmaonov)는 러시아에서 놀라운 발견을 하고 있었다. 1956년, 풀코보 천문대의 장비를 사용하여 슈마노프는 아르노 펜지아스와 로버트 윌슨이 (훗날 노벨상을 받은) 미국의 유명한 발견을 하기 몇 년 전에 이미 이 배경 복사를 감지했다. 그러나 소련에서 뜨거운 우주라는 개념은 정치적으로 민감했다. 슈마노프의 지도 교수이자 뛰어난 물리학자였던 세묜 카이킨(Semyon Khaikin)은 이 결과가 가모프의 예측과 일치한다는 것을 알고 있었지만, 이를 '부르주아적'이고 종교적인 이론과 연결 짓는 것에 대한 정치적 반발을 두려워했다. 결과적으로 슈마노프의 연구는 널리 공표되지 못했고 당시의 우주론과 연결되지 못했으며, 소련 과학계는 이 문제에 대해 수십 년간 침묵을 지켰다.
이 논문은 또한 1983년에 발사된 소련의 우주 임무인 렐릭트-1(Relikt-1)과 관련된 더 최근의 장을 강조한다. 이 우주선은 은하가 어떻게 형성되었는지를 이해하는 데 중요한 미세한 우주 배경 복사의 온도 변화를 지도화하기 위해 설계되었다. 이고르 스트루코프(Igor Strukov)가 이끄는 팀은 이 변화를 성공적으로 측정했으며 사중극자 이방성(quadrupole anisotropy)이라 불리는 특정 패턴의 증거를 찾아냈다. 그들은 1992년 초에 연구 결과를 제출했다. 불과 몇 달 후, 조지 스무트(George Smoot)가 이끄는 미국의 COBE 위성 팀이 유사한 발견을 발표하며 엄청난 언론의 주목을 받았고 결국 노벨상을 받았다. 논문은 소련 팀이 실제로 이 현상을 먼저 발견했으나, 그들의 결과가 덜 눈에 띄는 학술지에 발표되었고 미국의 발표에 의해 가려졌다고 주장한다. 저자는 소련 과학자들이 이론을 몰랐던 것이 아니라, 팽창하는 우주 모델에 대한 공개적인 토론을 저해하는 정치적 기후와 그들의 연구를 세계적으로 홍보할 자원의 부족으로 인해 어려움을 겪었다고 제안한다.
마지막으로, 이 논문은 1960년대에 우주가 극도로 빠르고 지수적인 팽창을 겪을 수 있다는 개념, 즉 현재 '인플레이션(inflation)'으로 알려진 개념을 제안한 에라스트 글리너(Erast Gliner)의 연구를 다룬다. 우주가 왜 모든 방향에서 균일하게 보이는지를 설명하는 이 아이디어는 1990년대 후반 우주의 팽창이 실제로 가속화되고 있다는 사실이 발견될 때까지 수십 년 동안 거의 무시되었다. 이 행동에 대한 글리너의 초기 통찰력은 거의 잊혔다가 현대 우주론의 필수적인 요소로 재발견되었다. 논문의 저자는 역사가 이 과학자들에게 종종 불공평했다고 결론짓는다. 프리드만의 이른 죽음이든, 르메트르의 모호한 출판이든, 슈마노프의 정치적 제약이든, 혹은 글리너의 간과된 이론이든, 과학의 진보는 천재성의 결여보다는 인간적인 요인들에 의해 늦춰져 왔다. 이 논문은 우주의 이야기가 단지 방정식과 데이터에 관한 것이 아니라, 자신의 발견을 공유하고자 분투했지만 때로는 들을 준비가 되어 있었고, 때로는 비극적으로 그렇지 않았던 세상과 싸워야 했던 사람들에 관한 것이라는 점을 상기시킨다.
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