위대한 발견
시카고 대학을 졸업하고 나서 영국 옥스퍼드 대학의 장학생으로 법학 공부를 끝내고 미국으로 돌아온 허블은 1913년 켄터키주에서 변호사를 개업했다. 당시 영국에서 유학까지 하고 온 터라 그의 앞길은 탄탄대로가 기다리고 있던 것이나 마찬가지였다.
하지만 그는 대학 시절 공부했던 물리학과 천문학에 대한 애정을 버리지 못한 나머지 1917년 잘 나가던 변호사 사무소의 문을 닫고 다시 시카고 대학으로 돌아가 천문학으로 학위를 마친다. 이후 그는 캘리포니아의 윌슨산 천문대의 연구원으로 취직을 했다. 도시에서 멀리 떨어진 산꼭대기에서 밤마다 자신이 좋아하는 별과 은하를 마음껏 관측하며 시간을 보내던 중 그는 천문학 역사에서 가장 위대한 법칙을 발견하게 된다.
당시 윌슨산 천문대에는 전 세계에서 가장 큰 지름 2.5m짜리 망원경이 있었는데 허블은 이 망원경으로 안드로메다 은하가 가스와 먼지뿐만이 아닌 수십억 개의 별들로 이루어져 있고 안드로메다 은하는 우리 은하가 아니라는 것을 알게 된다.
또한 1923년 허블은 안드로메다 자체가 또 다른 은하이며 우리 은하로부터 약 200만 광년 떨어져 있음을 관측을 통해 알게 되었다. 1927년 그는 윌슨산 천문대에서 관측한 자료와 천체들에서 오는 빛스펙트럼의 자료를 바탕으로 우리로부터 멀리 떨어진 은하의 적색편이는 지구로부터의 거리에 비례하여 증가한다는 것을 발견한다.
이것은 사실 도플러 효과를 이용한 것이었는데, 도플러 효과란 소리의 경우 음원이 그 소리를 듣는 사람에게 가까워질수록 소리는 커지고 멀어질수록 작아지는 현상을 말한다. 빛도 일종의 파동이므로 이러한 도플러 효과를 천체에서 나오는 빛에 적용할 경우 어떠한 천체가 우리로부터 멀어지면 적색 쪽으로 편이가 일어나고 가까워지면 청색 쪽으로 편이가 일어나게 된다.
허블은 우리에게 멀리 떨어져 있는 은하들에서 오는 스펙트럼으로부터 적색편이를 관찰할 수가 있었고 이러한 자료를 거리를 기준으로 계산해 보니 멀리 있는 천체일수록 더 빨리 우리로부터 멀어져 가는 것을 발견하게 된다.
이것이 뜻하는 바는 멀리 있는 별이 우리를 기준으로 더 빨리 후퇴한다는 것으로 우주가 점점 더 팽창하고 있음을 의미하는 것이었다. 이것이 바로 천문학의 역사에서 가장 중요한 허블의 법칙이다.
허블이 이 법칙을 발견하기 전까지만 하더라도 우주는 항상 그 자리에 존재하는 것이라 믿고 있었다. 아인슈타인마저 그의 일반상대성이론에서 우주는 동적일 수 없으며 정적인 우주여야 하기의 그의 우주의 구조를 서술하는 장방정식에서 우주상수항을 추가했었다.
하지만 허블의 법칙은 그 당시 알려져 있었던 우리의 우주에 대한 상식을 완전히 뒤집어 놓는 결과가 되었다. 그리고 그는 자신의 관측된 자료를 바탕으로 우주가 어느 정도의 빠르기로 팽창하고 있는지를 계산해 보았다. 놀라운 사실은 그 우주 팽창의 속도가 어마어마하다는 것이었다. 예를 들어 큰곰자리 은하단은 초속 약 42,000km 즉 시속으로 따진다면 약 1,500만 km이며 이는 빛의 속도의 약 14%에 해당하는 엄청난 빠르기였다. 이를 우주의 가장 바깥쪽에 존재하는 은하들에 적용해 볼 경우 그 속도는 초속 252,000km이며, 이는 빛의 속도의 약 84% 해당하는 숫자이다.
이 허블의 법칙의 발견으로 말미암아 인류는 진정으로 우주를 이해할 수 있는 단계로 뛰어오르게 된다. 사실 도플러 효과는 중학교 정도의 교과서에 나오는 아주 기본적이고 평범한 과학 상식에 해당하는 데 허블은 이를 바탕으로 우주 전체의 엄청난 비밀을 풀어낼 수 있었던 것이었다. 허블의 법칙 이후 현대 우주론은 그야말로 괄목할 만한 발전을 하게 된다.
1920년 당시 미국은 영국에서 유학을 하고 돌아온 경우 많은 혜택과 함께 돈도 많이 벌 수 있고 사회에서 인정도 충분히 받을 수 있는 분위기였다. 하지만 허블은 당시 그 사회에서 많은 사람들이 부러워하는 길을 가지는 않았다. 이미 변호사를 개업했고 나이가 많았음에도 불구하고 진정으로 자신이 평생을 하고 싶은 것이 무엇인지 스스로 물어본 후 자신이 가지고 있었던 모든 기득권을 포기했다. 그리고 처음부터 다시 자신의 길을 걸어갔다. 시작은 너무 늦었고 돈도 많이 벌 수 있는 상황도 아니었지만, 그는 자신이 진정으로 좋아하고 하고 싶은 일에 자신의 에너지를 쏟았다. 이것이 바로 천문학의 역사에서 가장 위대한 과학적 사실인 우주가 어떻게 팽창되는지를 발견하게 된 이유였던 것이다.
