목차
● 공간의 팽창
● 지평선
● 열평형화
대폭발(빅뱅) 모형은 가벼운 원소들의 존재, CMB, 거대구조 및 허블-르메트르 법칙을 포함하는 광범위한 관측 현상에 대한 포괄적인 설명을 제공합니다. 모형은 물리 법칙의 보편성과 우주론 원리의 두 가지 주요 가정에 의존합니다. 물리 법칙의 보편성은 상대성이론의 기본 원리 중 하나입니다. 우주론의 원리는 큰 규모에서는 우주는 균질하고 등방성이며, 위치에 상관없이 모든 방향에서 동일하다고 말합니다.
이런 아이디어는 처음에는 가정으로 간주되었지만 나중에는 각각을 테스트하기 위한 노력이 이루어졌습니다. 예를 들어 첫 번째의 가정은 우주의 대부분의 나이에 걸쳐서 미세 구조 상수의 가능한 가장 큰 편차가 10-5차라는 것을 보여주는 관측에 의하여 테스트되었습니다. 또 일반 상대성이론은 태양계와 쌍성계의 규모에서 엄격한 테스트들을 통과하였습니다.
거대규모의 우주는 지구에서 볼 때 등방성으로 보입니다. 만일 그것이 정말로 등방성이라면 우주론 원리는 선호되는 또는 특별한 관찰자나 유리한 지점이 없다는 더 단순한 코페르니쿠스 원리에서 도출될 수 있습니다. 이를 위하여 CMB 온도 관측을 통하여 우주론 원리가 10-5 수준으로 확인되었으며 1995년 현재 CMB 지평선 기준으로, 우주는 비동질성 10% 크기 정도의 상한으로 균질성을 갖는 것으로 측정되었습니다.
공간의 팽창
우주의 팽창은 20세기 초에 천문 관측을 통하여 추론되었으며 대폭발(빅뱅) 이론의 핵심 요소입니다. 수학적으로는 일반상대론은 근처의 점들을 분리하는 거리를 결정하는 거리 함수-계량(metric)으로 시공간을 설명합니다. 은하들, 별들 또는 다른 천체가 될 수 있는 점들은 모든 시공간에서 놓인 좌표도 또는 '격자'를 이용하여 지정됩니다. 우주론 원리는 프리드만-르메트르-로버트슨-워커 계량(FLRW)을 고유하게 선별하는 대규모의 균질적이고 등방성이어야 한다는 것을 암시하고 있습니다. 이 지표에는 시간에 따라 우주의 크기가 어떻게 변화하는지 설명하는 척도인자가 포함되어 있습니다. 이것을 통하여 공변 좌표라고 하는 좌표계를 편리하게 선택할 수 있습니다. 이 좌표계에서 격자는 우주를 따라 팽창하고 우주팽창 때문에 움직이는 물체는 격자의 고정점에 머무르게 됩니다. 그들의 '좌표' 거리 즉 공변거리는 일정하지만 그와 공변 하는 두 점 사이의 물리적 거리는 우주의 축척인자에 비례하여 확장됩니다.
대폭발(빅뱅)은 빈 우주를 채우기 위하여 바깥으로 이동하는 물질의 폭발이 아닙니다. 대신에 공간 자체는 시간과 함께 모든 곳에서 확장되고 공유점 사이의 물리적 거리를 증가시킵니다. 다시 말해서 대폭발은 공간 내의 폭발이 아니라 공간의 확장이라고 할 수 있습니다. FLRW 계량은 질량과 에너지의 균일한 분포를 가정하기 때문에 우리 우주에는 오로지 거대한 척도들로 적용되어 우리 은하와 같은 물질의 국소적 농도가 전체 우주와 같은 속도로 팽창할 필요는 없습니다.
지평선
대폭발(빅뱅)의 시공간의 중요한 특징은 입자 지평선의 존재입니다. 우주에는 유한한 나이가 있고 빛은 유한한 속도로 여행하기 때문에 빛이 아직 우리에게 도달할 시간이 없었던 과거의 사건이 있을 수 있습니다. 이것은 관찰할 수 있는 가장 먼 물체에 한계 또는 과거 지평선을 두게 됩니다. 반대로 공간이 팽창하고 더 멀리 있는 물체가 점점 더 빨리 후퇴하기 때문에 오늘날 우리가 방출하는 빛은 매우 먼 물체를 따라잡지 못할 수도 있습니다. 이것은 우리가 영향을 미칠 수 있는 미래의 사건을 제한하는 미래 지평선을 정의합니다. 두 유형의 지평선의 존재 여부는 우리 우주를 설명하는 FLRW 모형의 세부 사항에 따라 다릅니다.
아주 초기의 시대로 거슬러 올라가는 우주에 대한 우리의 이해는 과거의 지평선이 있음을 시사하고 있지만 실제로는 우리의 시야는 초기 우주의 불투명성에 의하여 제한됩니다. 따라서 우리의 시야는 시간적으로 더 뒤로 확장될 수 없지만 지평선은 공간에서 후퇴하게 됩니다. 만일 우주의 팽창이 계속 가속화되다면 미래의 지평선도 또한 있습니다.
열평형화
초기의 우주의 일부 과정들은 우주의 팽창 속도에 비하여 너무 느리게 발생하여 대략적인 열역학적 평형에 도달하였습니다. 다른 것들은 열평형화(thermalization)에 도달할 만큼 충분히 빨랐습니다. 극초기 우주의 과정이 열평형에 도달했는지 여부를 알아내기 위하여 일반적으로 사용되는 매개변수는 과정의 비율 즉 일반적으로 입자 간의 충돌 비율과 허블 매개변수 간의 비율입니다. 비율이 클수록 입자가 서로 너무 멀리 떨어지기 전에 열평형화해야 하는 시간이 늘어나게 됩니다.