밤하늘의 등뼈

코스모스 Ch7. 해설

별들은 도대체 어떤 존재인가? 탐험의 욕구는 인간의 본성이다. 우리는 나그네로 시작했으며 나그네로 남아 있다. 인류는 우주의 해안에서 충분히 긴 시간을 꾸물대며 꿈을 키워 왔다. 이제야 비로소 별들을 향해 돛을 올릴 준비가 끝난 셈이다.

-p. 387, 코스모스(칼 세이건)

이번 챕터에서, 책에서는 주로 역사적인 우주관에 대해서 다루고 있습니다. 어려운 과학적이 내용은 아니라 슥 읽을 수 있으니 이번 챕터는 가볍게 읽어보셔요!

대신 챕터의 제목이 ‘밤하늘의 등뼈’인 만큼, 책에서는 나오지 않는 우주의 시공간에 대해 이야기를 나눠볼까 합니다.

흔히들 우주가 ‘4차원 시공간’, 즉, 3차원 공간 + 1차원 시간으로 이루어져 있다고 합니다.

그렇다면 여기서 이야기하는 ‘차원’이란 무엇일까요?

차원, Dimension

흔히 2D, 3D라고 할 때의 D는 차원을 뜻하는 ‘Dimension’의 첫 글자에서 따왔습니다.

차원은 우리가 잘 아는 ‘좌표’의 개념과 맞닿아 있습니다.

예를 들어 어떤 선분(또는 직선)이 하나 있다고 해봅시다.

이 그림에서 점 A또는 점 B의 위치를 표시하려면 몇 개의 숫자가 필요할까요?

만약 어떤 원점(0)을 기준으로, A가 그것보다 왼쪽에 있다면 -, 오른쪽에 있다면 +을 이용하여 1개의 숫자로 표현할 수 있을 것입니다.

→ 이것이 1차원의 개념입니다.

그렇다면 이번에는 x와 y축으로 이루어진 평면 좌표가 있다고 해봅시다. (앗 어려운 이야기 아니에요!)

이 좌표계 위의 어떤 점 A(x, y)를 표시하기 위해서는 몇 개의 숫자가 필요한가요? 2개의 숫자, x좌표와 y좌표가 필요합니다.

→ 이것이 2차원입니다.

즉, 차원이란, 어떤 물체의 위치를 표현하기 위해 몇 개의 좌표가 필요한지를 나타내는 개념입니다.

다시 4차원 우주로 넘어와서, 우리가 사는 세상은 가로, 세로, 높이까지 표현하는 3차원의 공간으로 이루어져 있습니다. 반면, 시간은 단 하나, 예컨데 ‘몇시 몇분 몇초’로 정해지는 딱 1개의 숫자로 표현되기 때문에 1차원입니다.

그렇다면 우주에는 이렇게 4차원만 존재하는 것일까요?

5차원의 블랙홀

2015년에 노벨 물리학상을 받은 ‘킵 손’ 교수는 ‘인터스텔라의 과학’에서 블랙홀이 5차원이라고 설명합니다.

먼저, 블랙홀을 2차원 종이 위에 그린다고 생각해볼게요.

블랙홀은 중심부에서 아래쪽으로 강하게 끌어당기는 중력이 있기 때문에, 시공간이 휘어지는 일종의 ‘구멍’을 만듭니다.

즉, 2차원의 종이 위에서 3차원의 공간이 생겨난 것이죠!

실제 우주의 공간이 일반적으로 3차원이라는 것을 생각하면, 중력 때문에 생기는 4번째 공간의 차원이 있다고 볼 수 있습니다. 여기에 더하기 시간 1차원!

⇒ 공간 4차원 + 시간 1차원 = 5차원 시공간

더 높은 차원의 우주

실제로는 5차원뿐만 아니라 더 높은 차원의 환경도 존재합니다.

예를 들어, 블랙홀의 특이점(중력이 한 점으로 모인다고 할 때, 그 점) 근처로 다가갈수록, 시공간이 더 많이 뒤틀리기 때문에 좌표를 단 3, 4개로 표현하기 어렵습니다.

A라는 점에서 B라는 점으로 이동하려면, x,y,z… 좌표 말고도 다른 성질들을 더 알아야 한다는 것이지요.

빅뱅이 일어난 후 초기의 우주에서도 마찬가지입니다.

이렇게 5차원 이상의 시공간이나 에너지를 다루는 이론을 ‘끈 이론’이라고 하며, 많이들 들어보셨을 ‘초끈 이론’이 그 중 하나입니다. → 우주 초기의 상태를 설명해보려고 하는 이론이지요.

천체 물리학에 있어서 시공간은 빼놓을 수 없는 재밌는 주제입니다.

제가 처음 천문학에 관심을 가지게 되었던 것도 2차원의 세계에서 바라보는 3차원을 설명하는, 아래의 애니메이션을 보고 난 후였어요! (도대체 왜…)

https://youtu.be/sEVEKL1Fbx0?si=cBynYfLQAv8pMRWe

마무리하며..

이번 챕터에서는 책 내용 대신 간단하게 시공간과 차원에 대한 이야기를 나누어봤는데요!

다음 챕터부터는 다시 책 내용으로 돌아와서 좀 더 먼 우주에 대한 이야기를 나눠보아요!

그럼 또 만나요~ �