1. 우주의 정의와 대폭발
우주는 모든 인류와 생명체, 지구를 포함한 행성들, 태양, 별들, 은하 등 모든 천체 말합니다. 그리고 우주에는 모든 공간만 아니라 시간까지 포함하고 있습니다. 이러한 내용물들은 다양한 형태들의 에너지로 구성되어, 전자기복사 및 물질, 행성들, 별들, 은하들 및 은하 간 공간의 내용물들을 포함합니다. 또한 우주는 보전 법칙 및 고전역학, 상대성 이론과 같이 에너지와 물질에 영향을 미치는 물리 법칙들을 포함합니다.
우주는 "이 세상에 존재하는 모든 것들, 즉 존재의 총체" 또는 존재하는 전부, 존재한 모든 것, 존재할 모든 것으로 정의됩니다. 현대에 와서 우주의 개념은 더욱 확장되었으며, 일부 철학자들과 과학자들은 우주의 정의에 아이디어와 추상적인 개념들(수학과 논리와 같은)을 포함한다고 주장하기도 합니다.
대폭발(빅뱅) 이론은 우주의 탄생과 발달에 대한 지배적인 우주론적 이론입니다. 이 이론을 요약하면, 약 138억 년 전 매우 높은 에너지 가진 작은 원시 원자가 대폭발을 일으켜 우주가 탄생하고, 이렇게 탄생한 우주에는 물질은 물론, 시간, 공간도 함께 들어 있었다고 합니다. 그리고 대폭발 이후 계속 팽창해 왔으며, 전체 우주의 공간적 크기는 알 수 없지만, 우주의 크기는 측정할 수 있으며, 오늘날에는 직경이 대략 1조 광년입니다.
2. 우주의 어원
우주를 가리키는 영어 유니버스(universe)는 온 누리를 뜻하는 라틴어 우니 베를 숨(universum)에서 파생되었습니다. 고대 그리스어 코스모스(cosmos)는 질서를 가진 조화로운 체계나 개념으로서의 우주를 말합니다. 피타고라스가 가장 먼저 쓴 말이라고 하며, 우주를 "아름답고 조화로운 전체", 즉 코스모스라고 했습니다.
3. 대폭발(빅뱅) 이론
우주의 탄생과 진화에 대한 대표적인 이론은 대폭발(빅뱅) 이론입니다. 처음 우주는 매우 뜨겁고 고밀도인 상태였으며, 이후 팽창했고 대폭발을 일으키고 냉각되었다고 합니다. 초기의 뜨겁고 고밀도인 상태를 플랑크 시대라고 불립니다. 모든 유형의 물질과 모든 유형의 에너지가 고밀도인 상태로 집중되었으며, 자연계의 4가지 기본 힘인 중력, 전자기력, 약력, 강력 중에서 중력을 제외한 나머지 3가지 힘은 이 시기에 대통 일력으로 통합되어 존재했을 것으로 믿으며, 이 기간을 대통일 이론 시대라고 부릅니다.
플랑크 시대 이후 우주는 현재의 규모로 팽창해 왔으며, 처음 발생한 것으로 추정되는 매우 짧지만 강렬한 우주 급팽창 기간이 있었으며, 오늘날 우리 주변에서 볼 수 있는 것과는 다른 팽창입니다. 이러한 급팽창은 우주의 에너지가 상태를 바꾸는 일종의 상전이 현상(수증기가 물로 바뀌는 것처럼 물질의 성질이 바뀌는 현상)을 겪는 과정에 강력히 대통 일력에서 분리되면서 시작되었을 것으로 추정하고 있습니다.
우주 존재의 몇 분의 1초 안에, 네 가지 기본 힘들이 분리되었습니다. 우주가 매우 뜨거운 상태로부터 계속 냉각함에 따라, 쿼크 시대, 렙톤 시대 및 강입자 시대로 알려진 다양한 유형의 아원자 입자들은 짧은 시간 내에 형성되었습니다. 이런 기본 입자들은 양성자들과 중성자들을 포함하여 더 큰 조합으로 결합하였으며, 그것들은 핵 합성을 이루었습니다. 이때 우주의 온도는 100억~1억 도 정도까지 낮아진 상태로 양성자 간의 결합 작용, 즉 수소 핵융합 반응이 일어나는 환경입니다. 그 결과 전 우주에서는 많은 헬륨이 만들어집니다. 우주 공간을 채운 수소와 헬륨의 원자 수 비율은 9:1, 질량 대비로는 3:1인데, 이것은 1948년 대폭발(빅뱅)의 우주배경복사를 예견한 가모가 예측했던 것과 거의 일치하는 값입니다.
대폭발(빅뱅) 직후 우주는 수소와 약간의 헬륨으로 가득 찬 공간으로, 이 수소가 별을 만들었으며, 별 속에서 철까지의 원소들이 합성되었으며, 그보다 무거운 중원소들은 초신성 폭발로 만들어졌습니다. 그래서 우주 은하를 비롯해 2조 개가 넘는 운하로 대우주를 만들었으며, 그중 조그만 행성에서 인류가 탄생하였으며, 그 인류가 오늘날에 이르게 되었습니다.
네 가지 상호작용 중에서 중력은 천문학적 길이 규모에서 주도적입니다. 중력의 효과는 누적되며, 양과 음의 전하들 효과는 서로 상쇄되는 경향이 있어서, 전자기학은 천문학적 길이 척도들에서는 상대적으로 중요하지 않습니다. 나머지 두 상호작용인 약한 핵력과 강한 핵력은 거리에 따라 매우 빠르게 감소합니다. 그것들의 효과들은 아원자 길이 축척에 주로 국한됩니다.
4. 우주의 크기와 구성
인간이 관측할 수 있는 우주의 가장 끝의 공간은 관찰할 수 없기 때문에, 전체 우주의 크기가 유한한 지 무한한지는 알 수 없습니다. 추정했을 때 만약 유한하다고 가정한다면 한 허블 구보다 250배 이상 커야 한다고 합니다.
일반 상대성이론에 따르면, 공간의 먼 영역들은 유한한 빛의 속도와 지속적인 우주 팽창으로 인해 우리와 결코 상호 작용을 할 수 없다고 합니다.
망원경으로 관측할 수 있는 공간적 영역은 관측할 수 있는 우주라고 부르며, 관측자의 위치에 따라 달라집니다. 지구와 관측할 수 있는 우주의 가장자리 사이의 고유거리(현재를 포함한 측정 시각에 측정할 수 있는 거리)는 460억 계 광년(140억 파섹)이며, 이것은 관측할 수 있는 우주의 지름을 약 930억 광년(280억 파섹)으로 계산합니다.
우주는 거의 암 측 에너지, 암흑물질과 일반 물질로 구성되어 있습니다. 다른 내용물들은 전자기 복사와 반물질이 있습니다. 모든 유형의 물질과 에너지의 비율은 우주의 역사에 따라서 변화했습니다. 오늘날 원자들, 은하들, 별들 및 생명을 포함하는 일반 물질은 우주 전체의 4.9%만을 차지합니다. 암흑 에너지와 암흑 물질의 성질은 알려지지 않았습니다. 아직 밝혀지지 않은 암흑 물질은 우주 내용물들의 26.8%를 차지합니다. 우주의 팽창을 가속하는 암흑 에너지는 남아있는 내용물들의 68.3%를 차지합니다.
물질, 암흑 물질, 암흑 에너지는 3억 광년 정도 이상의 길이에 걸쳐서 우주 전체에 균일하게 분포하고 있습니다. 많은 원자가 응축되어 별들이 만들어지고, 대부분의 별은 은하들이 되고, 은하들은 모여서 은하단들 및 초은하단들이 되고, 마지막으로 대규모 은하 필라멘트들이 됩니다.