하늘, 끝은 어디인가? - 우주
18. 인간은 우주의 축소판, 우주만큼 무한하고 신비한 인간!
18. 하늘, 끝은 어디인가? - 우주(宇宙)
밤하늘을 바라보면 별들 사이의 하늘은 칠흑처럼 어두우며 아무것도 없습니다. 지구에서 우주를 관찰하면 마치 지구가 우주의 중심인 것처럼 보이지만 그렇지 않습니다. 지구는 우주의 한 점일 뿐입니다.
(1) 빅뱅(Big Bang)이란 무엇인가?
아주 먼 옛날에는 우주가 고온도의 불덩어리와 같은 것이었다고 합니다. 그리고 이 불덩이가 폭발적으로 팽창을 시작함으로써 우주가 생겨났다고 할 수 있습니다. 바로 이것을 빅뱅이라 부릅니다. 빅뱅이란 대폭발이란 뜻입니다. 우주는 과거로 거슬러 올라가면 갈수록 고밀도이며 약 150억~200억 년 전에는 밀도가 무한히 높았으리라고 추정됩니다. 빅뱅 우주론은 우주가 초기에는 이와 같이 고밀도였을 뿐만 아니라 동시에 고온이었다는 이론입니다. 고온·고밀도 상태에서는, 물질은 원자핵을 구성하는 양성자나 중성자로 뿔뿔이 분해된 상태입니다. 약 10만 년 후 우주의 온도와 밀도는 충분히 떨어지고 빛은 이미 물질을 플라스마 상태로 유지할 만큼 충분히 반응하지 않고, 양자와 전자는 결합하여 중성의 수소 원소를 형성하여 우주는 빛에 대하여 투명하게 되었습니다. 이것을 우주에 대한 플라스마의 재결합이라 합니다.
중성화된 물질은 중력적으로 불안정하게 되고 낮은 밀도의 흔들림이 크게 성장할 수 있게 됩니다. 이렇게 해서 은하나 제1세대의 별이 생기고 현재의 우주 모습으로 진화되었다고 합니다. 초고온이었던 우주가 현재까지 팽창하여 3도K(K는 절대온도)의 낮은 온도가 되었다는 것입니다. 탄생했을 때는 작은 불덩이였던 우주가 빅뱅에 의해 팽창하여 현재의 우주가 만들어졌다는 것이 ‘빅뱅 이론’입니다.
(2) 우주는 팽창하고 있다.
멀리 떨어져 있는 天體界(은하와 은하단)들은 천문학자들에게 알려진 가장 큰 우주의 구조 단위입니다. 이 계들은 아주 먼 거리에서도 관측됩니다. 20세기 초반 미국의 천문학자 슬라이퍼는, 대부분의 은하들은 우리에게서 멀어져 가고 있다는 것을 발견하였습니다.
은하가 우리들로부터 멀어지고 있다는 것은 대체 어떻게 알 수 있을까? 기찻길 바로 옆에서 가까워지거나 멀어지는 기차의 소리를 기적 소리를 들었다고 해보겠습니다. 기적 소리는 열차가 멀어져 갈 때에는 낮은 소리로 들리고, 열차가 가까이 올 때는 높은 소리로 들립니다. ‘도플러 효과’라고 부릅니다.
도플러 효과는 물체가 관측자에게 가까이 올 때에는 파장이 짧고(소리가 높고) 또 멀어질 때는 파장이 길어지는(소리가 낮아지는) 현상입니다.
1929년 미국의 천문학자 허블은 우리의 우주가 팽창하고 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 사실을 발표했을 때 허블이 거리를 측정하고 있었던 은하는 불과 18개였으나, 그 후 다시 더 많은 은하에 대해서도 우리들로부터 거리에 비례한 속도로 멀어지고 있음을 확인했습니다. 즉 우주가 팽창하고 있음을 확인할 수 있었습니다.
(3) 우주의 끝은 과연 어디일까?
지구에서 보면 어느 쪽 방향을 향하더라도 동일하게 우주가 펼쳐져 있습니다. 어느 정해진 방향으로만 우주가 확장되어 있다거나 반대로 작아져 있다거나 하는 일은 없습니다. 그리고 또한 우리들로부터의 거리에 비례하는 속도로 우주가 팽창하고 있는 것으로 보입니다.
우주를 풍선의 표면과 같은 것으로 생각하고 또 풍선은 점점 더 커지고 있다고 생각해 보도록 합니다.
그리고 풍선 표면에 몇 개의 점을 찍어 두면 어느 점에서 보더라도 어느 방향으로나 동일하게 우주가 펼쳐져 있으며, 또한 풍선이 팽창됨에 따라서 점과 점 사이의 거리는 멀어져 가는 것을 알 수 있습니다. 이 팽창해 가는 풍선 위의 한 점, 이것이 우리가 살고 있는 지구입니다.
우주는 과연 끝이 있을까? 또 만일 끝이 있다고 한다면, 그 너머에는 어떻게 되어 있을까? 우리가 여기에서 끝이라고 하는 것은 두 가지의 의미가 있습니다. 하나는 우리나라의 남쪽 끝이 어디냐고 묻는다면 마라도라고 대답할 수 있는 끝이 있습니다. 이는 어떤 것이 거기서 끝나고 앞으로는 없다는 의미의 끝입니다. 두 번째는 체적이라든가 면적을 생각할 때와 같이 어떤 양이 어느 정해진 자리밖에 없다는 의미의 끝이 있습니다.
우주에 관해서 생각해 보도록 하겠습니다.
우주로 나온 빛이 백억 광년이라는 것은 그곳에서 나온 빛이 백억 년 걸려서 닿게 되는 거리이므로 실은 우리가 백억 년 전의 모습을 보고 있는 것입니다. 또한 우주는 팽창하고 있습니다. 그리고 그 속도는 거리에 비례한다는 것을 알고 있습니다. 이러한 곳으로부터 나오는 빛은 아무리 시간이 지나도 우리에게 닿지 않습니다.
이를 우주의 지평선이라고 부르며, 우리들로부터 보았을 때는 이 우주의 지평선이 바로 우주의 끝이 되는 것입니다. 지구에서 보이는 범위의 우주라는 것으로 그곳에서부터 그 앞의 우주가 없다는 진정한 의미의 끝은 아닙니다. 처음에 말했던 거리 의미의 우주 끝은 존재하지 않습니다.
하지만 두 번째 말하는 면적 의미의 우주 끝은 있다고 할 수 있습니다. 우주가 풍선의 표면이나 지구의 표면과 같다면 지구 표면은 어느 정해진 면적만 있습니다. 이와 같이 생각하면 우주의 체적은 유한하다고 할 수 있습니다. 이것이 두 번째 의미에서의 끝이 있다고 하는 것입니다. 그러나 지구는 2차원의 면이며, 우주는 가로, 세로, 높이가 있는 3차원의 공간이어서 훨씬 더 복잡하다는 특징이 있습니다.
(4) 인플레이션 우주론은 무엇인가?
미래에는 우주 속 물질의 양이 너무 많아서 장래에는 팽창이 중지되고, 이후에는 점차로 수축해 갈 것이라는 예측을 해볼 수 있습니다. 이 경우에는 빅뱅과 정반대의 일이 일어 남으로 우주가 한 점으로까지 수축해 가고 마침내 우주의 최후를 맞이하게 된다는 것입니다. 이것을 빅크런치(대수축)라고 부릅니다.
그리고 우주는 빅뱅으로 생겨나서, 빅크런치로 소멸하기를 반복한다고 생각하는 사람들도 있습니다.
이에 따르면 빅뱅 이전에 빅크런치가 있었다고 주장하는데 증명할 길은 없습니다.
또한 빅뱅에 의한 우주 탄생설의 최근 이론 중에 인플레이션 우주론이라는 것이 있습니다. 이는 우주가 탄생한 직후 얼마 동안은 우주가 급격하게 팽창했다는 이론입니다. 우주가 탄생한 직후 극히 짧은 시간 동안에 우주의 크기가 수십 자리에서 백자리나 급격하게 팽창되었다는 이론입니다. 이 급격한 팽창을 우주의 인플레이션이라고 부릅니다. 인플레이션 이론은 단순히 빅뱅 이론만으로 설명하지 못했던 여러 가지 문제들을 그럴듯하게 설명해 줍니다. 이 인플레이션 이론은 상대성 이론과 최근 여러 가지 사실들이 밝혀진 소립자에 관한 소립자론을 조합시켜 완성한 것인데, 이에 따르면 우리 우주 이외에도 다른 우주들이 생겨나게 된다는 것입니다. 우리 우주 외에 다른 많은 우주가 있어도 무방하며, 또한 있을 것이라는 생각은 이 인플레이션 이론에서 나온 것입니다.
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