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계정을 잊어버리셨나요?

by NEW LIFE 뉴라이프 Jun 08. 2023

우주 명상: "우주는 영원한가?"에 대해 생각하다

Universe Meditation

우주는 우리에게 절대적인 공간입니다.

그 존재는 의심의 여지가 없으며, 무한한 넓이를 가지고 있습니다.

그렇다면 우주는 ‘영원히 변하지 않는 보편적인 것’일까요? 아니면 '커질까 작아질까요', '나타날까 사라질까요?

오늘은 우주에 대해 과학적, 형이상학적으로 살펴보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

보통 우주에 대해 검색하면 '우주의 나이는 0.00억 년이다', '우주의 탄생은 빅뱅이다'라는 정보도 나올 것입니다.

하지만 오늘은 그러한 정보들은 잠시 잊고, 우주가 이끄는 대로

지금의 일상에서 벗어나 무한한 우주를 탐험하는 ‘우주명상’을 시작해봅니다.

https://wallpaperaccess.com/outer-space#google_vignette

'우주는 계속 변화하고 있는가? 아니면 영원히 변하지 않는가?

먼저 별과의 거리를 알아본다

우선 우주를 조사해보자고 천문학자들은 생각하지만, 우리 인류는 지구 밖으로 나갈 수 없습니다. 태양계 내 행성조차 갈 수 없는 수준의 과학기술이기 때문에 우주의 정보를 얻기 위해서는 '관측'밖에는 방법이 없습니다. 가장 쉬운 관측 방법은 천체망원경으로 별을 보는 것입니다. 역시 눈에 들어오는 것은 밤하늘에 빛나는 별, 태양처럼 빛을 발하는 '항성'입니다. 이들은 우리가 사는 기간으로 보면 계절에 따라 항상 정해진 방향에 나타나며, 그 위치도, 빛나는 강도도 변하지 않는 것처럼 보입니다. 천문학자들은 이런 별들과의 거리와 위치 관계를 알면 우주를 조금이나마 이해할 수 있다고 생각했습니다.

별의 빛을 관찰하면 가까운 별일수록 빛이 강하고 밝게 보이고, 반대로 먼 별은 빛이 약하고 어둡게 보입니다. 하지만 별의 본래 크기와 밝기는 각각 다르기 때문에 같은 밝기로 보이는 별이라도 '가까이 있는 작고 어두운 별'인지, '멀리 있는 거대하고 밝은 별'인지 알 수 없습니다, "빛의 세기만으로는 거리를 측정할 수 없다"는 문제가 있습니다. 이 문제를 어떻게 해결했을까요?

발판이 되는 '세페이드 변광성'

이때 우주에는 흥미로운 성질을 가진 별의 존재가 확인되었습니다. 세페이드 변광성(세페이드 변광성)이라고 불리는 유형의 별은 일정한 주기로 밝기가 변하는 것으로 알려져 있습니다(그림 2, *1, *2, *3). 밝기가 변하는 이유는 별 전체가 팽창과 수축을 반복하는 진동 운동 때문이라고 합니다(*4). 그리고 그 '변광주기'와 '절대등급'을 그래프로 나타내면 그림 2B와 같이 같은 종류의 별에서는 일정한 상관관계가 있음을 알 수 있습니다. 이를 통해 '그 별의 진정한 밝기(절대등급)'를 알 수 있습니다.

국립중앙과학관 홈페이지. https://www.kahaku.go.jp/exhibitions/vm/resource/tenmon/space/galaxy/galaxy05.html

별의 밝기(절대등급)로 알 수 있는 것들

그 별의 '진정한 밝기(절대등급)를 알면, 지구에서 관측할 수 있는 밝기(겉보기 등급)로 얼마나 멀리 떨어져 있는 별인지 알 수 있습니다. 그림 3과 같이 각각의 항성은 지구에서 관측되는 '겉보기 등급'이 있지만, 변광성에서는 '절대등급'을 구하면 그 별과의 거리를 어느 정도 정확하게 구할 수 있습니다. (*5, *6).

https://sci.esa.int/s/8ZkRKOA

다양한 별과 은하의 거리를 조사하여 알게 된 법칙

위에서 설명한 것처럼 '변광성의 주기'와 '그 별의 지구에서 본 밝기'를 알면 거리를 알 수 있습니다. 이를 통해 다음과 같은 사실을 알게 되었습니다.

거의 모든 천체는 정지해 있는 것이 아니라 지구에서 멀어지면서 움직이고 있었다.

지구에서 멀리 떨어져 있는 천체일수록 빠른 속도로 지구에서 멀어지고 있었다.

라는 당시로서는 예상치 못한 현상이 발견되었습니다. 이는 그림 4의 그래프를 보면 쉽게 알 수 있는데, 지구로부터의 거리(가로축)가 큰 별일수록 멀어지는 속도(세로축)가 크다는 것을 알 수 있습니다(*7). 이 법칙은 허블의 법칙(*8)이라고 불리는데, 아마 누구나 한 번쯤은 들어봤을 유명한 '허블 우주망원경'의 허블씨(*9)가 바로 이 법칙의 주인공입니다.

모든 천체는 지구에서 멀어지고 있다?

우주의 별들은 넓은 우주에 어느 정도 균일하게 흩어져 있을 것입니다. 각각이 독자적인 방향으로 운동하고 있다고 생각할 수 있지만, "모든 것이 한 점에서 멀어지고 있다"는 것이 가능할까요? 예를 들어 '큰 호수에서 수천 마리의 물고기를 관찰했더니 모든 물고기가 한 지점에서 멀어지는 방향으로 헤엄치고 있었다'와 같은 현상으로 생각할 수 있지만, 우연으로 이런 현상이 일어날 것 같지는 않습니다. 이를 설명할 수 있는 이론으로 '우주 공간 자체가 팽창하고 확대되고 있는 것 아니냐'는 모델이 제시되었습니다(그림 5). 확실히 '공간 자체가 팽창하고 있다'면 이러한 현상도 설명할 수 있습니다. 또한 '멀리 있는 천체일수록 빠른 속도로 멀어지고 있다'는 현상도 '우주 공간 자체의 팽창'을 뒷받침하고 있습니다.

팽창하는 우주로부터 유도된 허블상수

그림 4와 같이 멀리 떨어진 천체(은하와 항성)의 '거리(D)와 멀어지는 속도(v)'의 관계는 거의 일정한 비례 관계이며, 아래 식 1로 표현됩니다. 　　　

v = H(0)D ・・・(식1)

H(0)은 허블상수(*8)라고 불리는 것으로 그 단위는 km/s/Mpc(킬로미터/초/메가퍼섹, 1Mpc = 약 326만 광년)입니다. 이 허블 상수는 아직 완전하지 않고, 우주의 관측 정밀도가 높아지면서 해마다 조금씩 변하고 있지만, 최근 2017년 발표에서는 '70.0(km/s/Mpc, *10)'이라는 값을 얻었습니다. 이는 '지구에서 1메가퍼섹(약 326만 광년) 떨어진 천체는 초속 70km의 속도로 멀어지고 있다'는 것을 의미합니다. 이 허블 상수는 나중에 다시 사용하게 됩니다.

'우주가 팽창하는 속도'를 알면 무엇이 필요한가?

이 허블이 분석한 '우주 공간 자체가 팽창하고 있다'는 사건에서 추측할 수 있는 것은 역으로 생각하면 '이산하는 은하와 항성들은 과거로 거슬러 올라가면 서로 가까워진다'는 것을 있습니다. 그리고 그림 6과 같이 "모든 천체는 시공간적으로 어느 한 지점에 수렴한다"는 것을 추측할 수 있습니다. "지구와 어떤 천체의 거리"와 "멀어지는 속도"를 알고 있고, "원래는 같은 한 점에서 발생했다"고 생각됩니다. 그러면 '우주가 시작된 순간', '전 우주의 모든 것이 응집된 특이점'까지의 시간을 계산할 수 있습니다. 방금 전의 식 1은 다음과 같습니다. 　　　

v = H(0)D ... (v="속도", D="거리")

그리고 누구나 알고 있는 공식을 아래에 제시합니다. 　　

"속도" = "거리" ÷ "시간" 이 관계에서, 　　

"시간"=1/H(0)이다.

즉, 허블상수의 역수가 '우주의 시작 특이점에서 현재까지의 시간'임을 알 수 있다.

허블상수의 역수 '1/H(0)'을 계산해 보자.

허블상수 단위인 Mpc:메가퍼섹을 km로 고쳐서 분자 분모에서 뺍니다. 스마트폰이나 PC로도 할 수 있으니 시간이 있는 분은 계산해 보세요.

H(0) = 70.0 (km/s)/Mpc [1Mpc=326만 광년, 1광년=약 9조 5000억km]

=70 / (326,0000×9,5000,0000,0000,0000) = 1/(4424×10^14) (/s)

구한 H(0)의 역수를 구합니다.

1/H(0) = 4424×10^14 초 = 140.188×10^8 년 = 약 140억 년

［1년 = 60초×60분×24시간×365.25일=31557600초].

이렇게 약 140억 년이라는 시간이 나타났습니다. 실제로는 우주의 가속팽창(*11)이라는 개념이 있으며, 최근(2013년) 분석에 따르면 우주의 나이는 약 138억 년으로 추정되고 있습니다(*12).

우주는 '영원하지 않았다'

다시 제목으로 돌아가서, 우리 인류에게 우주는 항상 '불변'이며 '영원한 불멸의 시공간'인 것처럼 여겨져 왔습니다. 그러나 실제로는 "끊임없이 변화하고" 있으며, "어느 순간부터 시작되었다"는 것이 밝혀졌습니다. "영원"이란 "시작도 끝도 없는", "시간이라는 개념조차 없는", "태어날 수도 없고 멸망할 수도 없는 절대적인 존재의 것이라고 할 수 있습니다. 그렇다면 '우주는 영원한가, 영원하지 않은가'라는 질문에 대해서는 '우주는 시작이 있었다 = 영원하지 않았다'라고 말할 수 있을 것 같습니다. 그리고 '우주는 무한한가 유한한가? 라는 질문에는 '우주의 끝까지 가봐야 알 수 있다'고 말할 수 있지만, 지금까지의 이론으로 볼 때 '우주는 유한한 공간이다'라고 말할 수 있을 것 같습니다. 그렇다면 또 다른 의문이 생깁니다.

'우주가 시작되기 전에 '무엇'이 있었을까'?

이것은 안타깝게도 '과학'으로는 풀 수 없는 문제입니다. 왜냐하면 현대 과학은 '빛', '시간', '거리', '질량'과 같은 '측정 가능한 것'만을 다룰 수 있기 때문입니다. ‘측정 가능한 것'만을 다룰 수 있다는 근본적인 '한계'가 있기 때문입니다. 팽창하는 우주의 외부 영역에는 아마도 '물질', '공간', '시간'도 없다, ‘진공조차도 없다’고 할 수 있습니다. 이러한 '과학으로 다룰 수 없는 영역'에는 또 다른 학문이 필요합니다. 그것은 '형이상학'이라는 형체가 없는 영역을 다루는 학문입니다. "과학을 연구할수록" "과학적이지 않은 영역의 존재가 확정적"이라는 것은 흥미로운 역설입니다. 다만 형이상학에서 보면 지극히 당연한 것일지도 모릅니다.

보통 형이상학을 일상에서 접할 기회가 없기에 어렵게 느끼는 경우가 많지만 형이상학이 우리에게 가장 가까운 곳에 존재한다는 사실, 알고 계신가요? 그 중 하나가 ‘우리의 의식’입니다. 우리는 보통 과학적인 것만 인지가 가능하다고 생각하기 쉽지만 ‘당신의 의식을 과학적으로 측정할 수 있나요?’라는 질문을 받으면 대답하기 어려울 것입니다.

또한 ‘의식’이 이미 과학적인 물질세계에 영향을 미친다는 사실도 증명되어 오고 있습니다.(*13, *14). 이 의식을 진화시키는 방법이 바로 ‘명상’입니다. ‘우주를 넘어선 영역’을 탐구해온 위대한 과학자들의 탐구심과 상상력도 바로 이 ‘명상’과 같은 두뇌 사용법이었을지도 모르겠습니다. ‘과학을 아는 것’을 통해 ‘비과학적 것을 인식하는 것’도 명상법 중 하나입니다.

오늘은 ‘우주명상’을 통해 우리의 뇌와 의식을 활성화하는 기회를 가져보시는 것, 어떠실까요?

‘우주명상’시리즈는 앞으로 계속 됩니다.

저자: Takuma Nomiya I 번역: Sim Min Aa

Profile

Takuma Nomiya 의사・의학박사

임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.

인용문

출처: NewLife Magazine_명상, 뇌, 행복 호르몬… 의학 시선의 진짜 이야기

宇宙瞑想：“宇宙は永遠か？”について考える｜NEW LIFE

宇宙は我々にとって絶対的な空間です。その存在は疑う余地もなく、無限とも思える広さを持っています。では宇宙は“永遠に変わらない普遍的なもの”なのか、それとも“大きくなるのか

note.com

*1. Barry F. Madore and Wendy L. Freedman. The Cepheid Distance Scale. 1991 PASP 103 933. DOI 10.1086/132911

*2. 국립과학박물관 HP./vm/resource/tenmon/space/galaxy/galaxy05.html

*3. 케페이드 변광성-Wikipedia https://ko.wikipedia.org/wiki/케페이드 변광성

*4. 세파이드-천문학 사전 https://astro-dic. kr/cepheid/

*5. ESA- The European Space Agency. https://sci.esa.int/s/8ZkRKOA

*6. 파섹- Wikipedia https://ko.wikipedia.org/wiki/퍼섹

*7. E. A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae, Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 15, no. 3, pp. 168-173, 1929.

https://doi.org/10.1073/pnas .15.3.168

*허블=루메트르 법칙-Wikipedia.

*9. 허블 우주 망원경-Wikipedia

*10. The LIGO Scientific Collaboration et al. “A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant” (영어). Nature volume 551, pages 85–88 (2017)

https://www.nature .com/articles/nature24471

*11. Garnavich PM, et al. "Constraints on cosmological models from Hubble Space Telescope observations of high-z supernovae" Astrophysical Journal 493 (2): L53+ Part 2 Feb. 1 1998 *

*12 et al. Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results. arXiv:1303.5062 [astro-ph.CO], https://doi.org/10.48550/arXiv.1303.5062

*13. 증명: 이중 슬릿 세계적인 실험 https://note.com/newlifemagazine/n/n19342d9a4f56

*14. 「보는」 것으로 「현실이 바뀐다」?: 이중 슬릿 실험

https://note.com/newlifemagazine/n/nf11ac38b370a