물리학으로 바라본 세상
[1] 세상 _ 1
1.1 우주
우리는 우주에서 살고 있습니다. 조금 더 정확하게 표현하자면, 우리는 우리가 살고 있는 이 세상을 우주라 부릅니다. 과거의 인간은 우주에 대하여 막연한 상상을 하였지만, 이제는 직접 눈으로 또는 다른 기구들을 이용하여, 우리는 우주의 모습에 대하여 조금씩 알아가고 있습니다. 그러면서 사람들은 "우주는 처음도 끝도 없는 그런 것이지 않을까?" 라는 생각을 하고 있었습니다.
1.2 우주의 시작
그런데 이 생각과 전혀 다른 생각들이 물리학에 등장하기 시작했습니다. 바로 우주는 처음과 끝이 있다는 것이지요. 이 이론에 의하면, 우주는 한 점에서부터 시작했다고 합니다. 아주 작은 점! 우주는 처음에 한 점이었는데, 이 한 점이 이유는 알 수 없지만, 어쨌든 엄청난 폭발을 하였답니다. 그래서 빅(큰) 뱅(폭발) 이론이라고 합니다. 그리고 폭발과 더불어 이 한 점은 팽창하기 시작했습니다.
1.3 우주의 나이
지금으로부터 약 137 억 년 전이라고 하지요. 누구는 138 억 년이라고도 하지만, 오십보백보 입니다. 우주를 관찰한 결과와 물리학적 추측을 더한 다음 몇 가지 계산을 하면 위의 숫자가 나오고, 우리는 이 숫자를 우주의 나이라고 부릅니다. 우주의 나이를 구하는 방법은 저자의 수준을 넘어가는 것이므로 생략합니다. 집에 고등학생이 있다면, 물어보세요. 어쩌면 그 아이는 배웠을지도 모릅니다.
처음에 빅뱅이론은 터무니없다는 반응을 얻었으나, 빅뱅의 흔적이랄 수 있는 우주 배경 복사가 발견됨으로써, 인정을 받게 되었습니다. 우주 배경 복사란, 빅뱅의 엄청난 열의 흔적이, 그러니까 아주 뜨거웠던 우주가 점점 식어서, 그 열의 흔적이 우주 전체에 복사 에너지의 형태로 남아 있다는 얘기지요. 예를 들자면 온돌이 있습니다. 밤새 뜨끈뜨끈하게 아궁이에 불을 지피면, 아침에 설령 더 이상 장작을 넣지 않아 불이 꺼질지라도, 방바닥의 구들은 천천히 식으며 열기를 내놓지 않습니까? 우주 배경 복사란 온돌처럼 우주 처음 빅뱅 때의 뜨거웠던 열기가 지금도 남아 있는 것입니다. 그리고 그 온도는 무려 [-273+2.7]인 [-270.3] 도입니다. 실제로 2.7 절대온도 정도의 에너지를 가지는 마이크로파를 측정하였습니다. 우주 전체에서 말입니다. 이 마이크로파는 우리가 존재하고 있는 이 우주의 모든 방향에서 오고 있었습니다.
1.4 우주의 크기
그러면 우주는 과연 얼마나 커졌을까요? 아무도 정확히는 알 수 없겠지만, 대략 960 억 광년 정도라고 추측하고 있습니다. 마찬가지로 1000 억 년이 넘는다고 주장하는 사람도 있습니다. 빛이 1 년 동안 가는 거리를 1 광년이라 부르는데, 빅뱅 이후 137 억 년이 흘렀다면, 우주 최초의 빛은 137 억 년 동안 달렸을 겁니다. 그렇다면 우주의 크기는 137 억 광년일까요?
아니, 그렇지 않지요. 우주 최초의 빛은 빅뱅에서 사방으로, 그러니까 360 도의 모든 방향으로 달렸겠지요? 풍선이 팽창하는 것을 상상해 보세요. 풍선은 둥글게 팽창하고, 이 풍선의 반지름이 137 억 년이라고 해 볼까요? 그러면 풍선의 둘레는 2 곱하기 파이(3.14) 곱하기 반지름(137 억)이므로 860 억 정도 됩니다. 물론 이렇게 우주의 크기를 재지는 않겠지만, 860 과 960 은 우주라는 관점에서 볼 때, 비슷한 정도로 보입니다.
