인스티즈앱 빅뱅우주론은 정상상태우주론과의 경쟁에서 최종적으로 승리하였지만, 우주학자들의 관심이 집중되고 얼마 안 있어 두 가지 심각한 문제에 직면하게 되었다. 그것은 우주의 평탄성 문제(flatness problem)와 지평선 문제(horizon problem)였다.
빅뱅우주론의 첫 번째 문제점 : 우주의 평탄성 문제
우주는 계속 팽창할까? 아니면 어느 시점에 다시 수축할까?
빅뱅 이후 우주는 100억 년 이상 팽창을 계속하고 있다. 우주의 미래에도 계속 팽창하게 될까? 아니면 언젠가는 팽창을 멈추고 다시 수축하게 될까? 우주가 팽창하는 동안에도 우주 안의 물질들 사이에는 서로 끌어당기는 인력(중력)이 작용하고 있다. 따라서 우주의 팽창은 일종의 브레이크가 걸려 있는 상태이므로, 언젠가 우주의 팽창이 멎게 되면 중력에 의해 우주는 다시 수축하게 될 것이다.
우주가 팽창을 계속하게 될지, 아니면 팽창을 멈추고 다시 수축하게 될지는 우주 안에 있는 물질의 양이 얼마나 되는가에 달렸다. 이 물질의 양을 표현하는 방식으로는 우주의 밀도라는 개념을 사용하는데, 특히 우주의 팽창을 멈추게 하는 특별한 우주의 밀도 값이 존재한다. 이를 임계밀도(critical density)라고 한다.
우주의 임계밀도는 여러 연구를 통해 10-29g/cm3로 알려졌다. 이 값은 1세제곱미터의 우주공간 안에 겨우 6개의 수소 원자가 있는 것에 불과하다. 이 값은 깜짝 놀랄 정도로 작은 것이다. 이 밀도는 행성 사이의 공간 밀도보다 1억 배나 높은 고진공이고, 지구상에서 얻을 수 있은 가장 높은 진공보다 훨씬 더 완전진공에 가깝다. 참고로 우리 대기 중에는 1세제곱미터 안에 1025개의 원자가 있다.
우주의 운명은 Ω 값이 1보다 큰지 작은지에 따라 결정된다
그러면 우주의 평균밀도는 얼마나 될까? 우주학자들은 흔히 평균밀도 대신 Ω(오메가)라는 값을 정의하여 사용한다.
그렇다면 우리 우주는 어떤 상태일까? 그것을 알려면 우리 우주의 Ω 값을 알아야 된다. 이 값은 암흑물질이나 암흑에너지의 포함 여부에 따라 달라진다. Ω의 값은 항성들의 질량만으로 계산해도 0.01 이상이며, Ω의 값이 1에서 크게 벗어나지 않을 것으로 예상한다. 왜냐하면 Ω의 값이 1보다 매우 크다면, 우주의 팽창은 급격하게 제동이 걸려 우주의 팽창 속도가 크게 감속된 다음, 팽창을 멈추고 다시 수축하게 된다.
반대로 1보다 매우 작다면 우주가 커짐에 따라 Ω의 값은 급격히 작아지므로, 우주는 끝없는 팽창만을 하게 된다. 수치로 예를 들자면, Ω=2일 경우 우주의 크기가 2배로 늘어나기 전에 우주는 팽창을 완전히 멈추고 수축단계로 들어가게 되며, Ω=0.5일 경우 우주의 크기가 2배로 커지면 Ω=0.25로 줄어들게 되어 우주는 계속 팽창하게 된다.
우리 우주의 Ω값은 1에서 크게 벗어나지 않는다
이러한 이유 때문에 Ω의 값이 1로부터 조금만 벗어나면 그 편차는 오랜 팽창 기간(우주의 나이: 137억년)동안 엄청나게 증폭된다. 따라서 우주가 너무 오래전에 수축하여 사라져버리지도 않았고, 너무 빨리 팽창하여 은하나 별들이 생성될 여유가 없이 커져 버려서 은하나 별이 거의 없는 우주가 되어버리지 않는 유일한 방법은 Ω가 1에 매우 근접하는 경우이다. 이 때문에 우리 우주의 Ω 값이 1에서 크게 벗어나지 않을 것으로 추측하는 이유이다.
평탄성의 문제 : Ω 값이 1과 거의 같다는 것이 과연 우연일까?
빅뱅 순간, Ω는 어떤 값을 갖고 있었을까? 현재 우주의 밀도는 임계밀도에서 크게 벗어나지 않았고, 우주는 137억 년 동안 팽창을 계속해왔기 때문에 과거의 우주는 현재보다 임계밀도에 더욱 가까이 접근했을 것이고, 빅뱅의 순간에 다가갈수록 그 정도는 더욱 심해질 것을 예상할 수 있다. 오늘날 Ω의 값이 0.1~10 범위의 값을 갖는다고 가정하면, 빅뱅 후 1초가 지났을 때 Ω의 값은 1의 값에서 10-15 정도의 차이를 가졌을 것이다. 즉 Ω=1.000000000000000이어야 한다. 그리고 물리학적으로 상상할 수 있는 가장 짧은 순간(플랑크 시간 : 10-43초), 즉 우주 탄생의 순간에 Ω는 1.0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000이어야 한다는 것을 의미한다.
이것은 우주가 팽창을 시작할 때 팽창과 중력이 믿을 수 없을 정도로 정확하게 조정된 상태에서 출발했으며, 우리 우주가 곡률이 없는 평탄한 우주라는 것을 말해준다. 이것을 미세조율의 문제(fine tuning problem) 또는 평탄성의 문제라고 부른다.
빅뱅우주론의 두 번째 문제점 : 우주의 지평선 문제
우주의 크기는 기준에 따라 다르지만, 상상 이상으로 거대하다
우주는 유한한가 아니면 무한한가? 사실 우리는 그것을 알지 못한다. 그래서 천문학자들은 가시적 우주(visible universe)라는 개념을 사용한다. 가시적 우주는 우주가 팽창을 시작한 이래 빛이 우리에게 도착할 때까지 진행해온 영역으로 정의한다. 따라서 가시적 우주는 중심에 우리가 있고 반지름이 137억 광년 되는 가상적인 구로 생각할 수 있다.
또 다른 우주의 개념으로 관측 가능한 우주(observable universe)가 있다. 가시적 우주에서 우리가 볼 수 있는 우주의 지평선은 137억 광년 거리에 있지만, 우주는 팽창을 계속하고 있기 때문에 현재 이 지평선은 그보다 훨씬 더 멀리 가 있다. 우주의 팽창을 고려할 때 우주의 반경은 465억 광년이 된다. 우주가 팽창하고 있으므로 가시적 우주나 관측 가능한 우주는 모두 시간이 갈수록 커진다.
관측을 해본 우주는 거대한 규모에서 볼 때, 균일하다
빅뱅 우주 모형에서 제기된 또 다른 문제는 우주의 지평선 문제이다. 이 문제는 우주 은하들의 분포가 전체적으로 매우 균일하다는 사실로부터 기인한다. 우주 공간의 은하들은 은하단과 초은하단이라는 구조를 이루며 분포하지만, 이보다 더 큰 거대규모에서 볼 때 전 우주의 물질 분포는 균일하다. 또 우주배경복사 역시 우주의 물질이 전 우주에 걸쳐 매우 고르게 분포하고 있음을 말해준다. 우주배경복사탐사선(COBE)을 통하여 관측된 우주배경복사는 빅뱅으로부터 38만 년 후의 우주의 밀도분포를 보여주는데, 전 우주에 걸쳐 1/10만 범위의 오차 내에서 고르게 분포하고 있음을 보여준다. 이와 같은 사실들은 우주가 전체적으로 고르게 분포하고 있을 뿐 아니라 모든 방향으로 대칭적으로 팽창하고 있음을 말해준다.
이것은 매우 납득하기 어려운 사실이다. 가시적 우주의 끝에서 끝까지의 거리는 137억 광년×2 = 274억 광년이다. 이 거리는 우주의 나이(137억 년) 동안 빛이 도달할 수 없는 거리이다. 우주가 균일해지기 위해서는 우주의 모든 곳, 우주의 한쪽 끝과 그 반대쪽 끝이 서로 정보를 교환할 수 있어야 한다. 하지만 이들은 빛의 속도로도 도달할 수 없을 만큼 멀리 떨어져 있다. 그럼에도 불구하고 우주의 모습이 어디나 똑같이 닮아있는 것이다.
오늘날 지구촌 사람의 패션은 시간 차이 없이 전 세계가 거의 동조화되어 가고 있다. 같은 패션이 여러 나라에서 거의 동시에 유행하고 있다. 이런 일이 가능해진 것은 전 세계가 매스컴과 네트워크로 서로 연결되어 있기 때문이다. 하지만 이런 일은 고대나 중세에는 전혀 가능하지 않았다. 나라마다 개성 있는 고유의 의상을 입고 있었다. 당시에는 정보전달이 동시대적으로 이루어지기 않았기 때문이다. 이로부터 알 수 있는 것은 자연은 서로 단절되어 있을 때 균일성보다는 다양성이나 독창성이 나타난다는 것이다.
지평선 문제 : 우주는 상호 정보 교환이 불가능 할 정도로 큰데, 균일할 수 있을까?
하지만 우리 우주는 서로 아무런 정보를 주고받을 수 없을 만큼 멀리 떨어져 있음에도 어디나 똑같이 닮아있다. 우주는 균일하고 우주의 모든 부분이 똑같은 물리법칙을 따르면서 똑같은 방식으로 동시에 팽창하고 있다. 이것을 우주의 지평선 문제라고 한다. 이러한 문제가 제기되는 것은 중력이 우주의 팽창을 늦추기 때문이다. 우리 우주가 현재보다 더 젊고 더 압축되어 있었을 때, 우주는 더 빨리 팽창하고 있었고 서로 간에 신호 전달이나 어떤 인과적인 접촉이 일어날 수 있는 시간도 훨씬 적었다.
인플레이션 이론의 등장 : 우주가 초기에는 빛 보다 빠르게 커졌다
우주학자들이 빅뱅우주론에서 불거진 이와 같은 문제 때문에 골머리를 앓고 있을 때, 스탠퍼드 선형가속기 센터에서 일하고 있던 앨런 구스는 1979년 12월 어느 날 우주가 태어나자마자 엄청나게 빠른 속도로 팽창했다고 가정하면 이런 수수께끼들을 모두 해결할 수 있다는 사실을 발견했다. 구스는 입자물리학 이론의 하나인 대통일장이론(GUTs)에서 제기된 자기홀극 문제를 해결하기 위해 이 가설을 제안했지만, 곧 빅뱅우주론의 문제들을 해결할 수 있음을 알았다.
인플레이션이라 불리는 이 이론은 우주 초기의 어떤 순간에 우주가 빛보다 더 빠른 속도로 팽창했다는 가설이다. 이것은 빅뱅 속에서 극미한 순간 동안 기하급수적으로 우주의 팽창이 일어나 우주의 크기가 엄청나게 커졌다는 것이다. 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하면 모든 물체는 빛보다 빨리 운동할 수 없다고 생각할지도 모르지만 꼭 그렇지만은 않다. 특수상대성 이론은 공간 안에서 운동하는 물체에 적용되는 것이지 공간 자체의 팽창에는 적용되는 것이 아니기 때문이다.
다른 학자들도 이와 비슷한 결론에 도달했다. 대통일장이론에서 주장하는 힘의 상전이가 일어날 때 10-35초마다 2배씩 증가하는 극단적인 가속팽창이 일어날 수 있다는 것이다. 인플레이션이 일어난 시기는 대폭발 후 10-37초에서 10-33초까지로, 이 짧은 시간 동안 시공간은 빛 보다 빠른 속도로 팽창하여 우주의 크기는 양성자보다 훨씬 작은 크기에서 1026배 이상 커졌다는 것이다.
인플레이션이론으로 평탄성과 지평선 문제를 설명할 수 있다
인플레이션이론을 도입하면 우주의 지평선 문제는 쉽게 설명할 수 있다. 인플레이션에 의해 우주의 크기가 빛의 속도보다 더 빠르게 팽창하므로 인플레이션이 일어날 당시의 우주의 지평선 거리는 현재 빛이 도달할 수 없는 거리보다 훨씬 바깥으로 밀려나가 버린다. 따라서 현재 우리가 보는 우주의 지평선은 인플레이션이 일어날 당시에는 지평선 거리보다 훨씬 안쪽에 있었으므로 우주의 모습이 닮아 있는 것은 당연한 것이 된다.
우주의 평탄성 문제 역시 인플레이션이론으로 설명된다. 우주의 급격한 팽창은 우주 초기에 있었을지도 모르는 우주의 곡률을 거의 0으로 접근시킨다. 이것은 작은 풍선표면의 곡률은 매우 크게 느껴지지만, 지구표면에서는 지구의 곡률을 느낄 수 없는 것과 같다. 현재 우주가 곡률이 거의 0인 평평한 우주로 인식되는 것은 인플레이션으로 우주가 충분히 크게 팽창하였기 때문이다.
1.우주 확장설(빅뱅)!
우주 빅뱅이론은 실험으로 입증
올해 노벨물리학상은 증명 공로자에 수여… 빅뱅은 한 번만 있었던 것으로 추정
1929년에 천문학자 허블(E. Hubble)은 별과 별 사이의 거리가 멀어지고 있다는 관찰 결과를 발표했다. 아주 느리기는 하지만 분명한 사실이었다. 특정한 몇몇의 별이 멀어지는 현상이 아니라 별 무리인 은하 전체가 멀어지고 있었다. 모든 별이 멀어지고 있다면 별이 자리잡고 있는 우주가 팽창하고 있다고 말할 수 있다. 꼬마 아이가 파란색 고무풍선에 바람을 집어넣으면 풍선은 점차 커지고 부풀어 파란 색깔은 점차 옅어진다. 이처럼 지구가 속한 그 광활한 우주도 팽창을 하고 있다.
시간이 지나면서 별과 별이 멀어지고 있다면 과거에는 별끼리 서로 가까웠다는 추론도 가능하다. “시계를 되돌려 몇 백억 년 전으로 되돌아간다면 우주는 현재보다 훨씬 작고 심지어 한 점이었다는 암시를 허블의 발견에서 읽어낼 수 있다”고 KAIST부설 고등과학원(KIAS) 계범석 박사는 말했다.
우주가 과거 한 점에서 폭발했다는 빅뱅이론을 실험으로 확인한 공로로 미국 존스홉킨스 대학과 미항공우주국(NASA)의 매서(John Mather) 박사와 버클리에 있는 캘리포니아 주립대의 스무트(George Smoot) 박사는 올해 노벨물리학상 수상자로 선정됐다.
우주가 팽창한다는 생각은 쉽게 받아들이기 어렵다. 이는 뉴턴 이래 최고의 물리학자로 평가 받는 아인슈타인에게도 마찬가지였다. 아인슈타인이 만든 일반상대성이론에 따르면 빛은 중력이 없는 공간에서는 직진하지만 질량이 있는 곳을 지날 때는 중력의 영향을 받아 직선이 아닌 곡선을 따라 움직인다.
“아인슈타인이 일반상대성이론으로 우주를 풀어보니 정적인 우주가 존재할 수 없다는 결론에 도달했다. 동적인 우주가 나왔으나 아인슈타인 스스로도 이를 받아들이기 어려웠다. 그래서 억지로 우주 상수를 도입해 우주는 영원·불변이라는 소신과 맞추려 했다”고 KAIST물리학과 최기운 교수는 말했다. 이때가 1917년으로 허블이 우주팽창을 발견하기 12년 전이다. “허블의 우주팽창으로 본래의 방정식이 맞게 되자 우주 상수를 폐기했다. 훗날 아인슈타인은 우주 상수 도입을 일생 최대의 실수라고 자평했다”고 최기운 교수는 덧붙였다.
허블의 관찰로 비롯된 우주팽창은 아인슈타인의 일반상대성이론이라는 옷을 입고 형체를 갖게 된다. “훗날 가모프(G. Gamov)의 연구로 허블의 우주 팽창은 빅뱅이론으로 발전했다”고 계범석 박사는 말했다.
문자 그대로의 엄청난 폭발을 가진 ‘빅뱅’이라는 용어는 기업이나 정치 같은 다른 분야에서도 사용된다. 과거 모습을 알아보지 못할 정도의 과격한 변화를 빅뱅이라 부른다. 거대 은행끼리의 인수합병이 일어나면 언론은 ‘금융계의 빅뱅(Big Bang)’이라고 제목을 단다. 하지만 “그런 건 우주의 빅뱅과 비할 바가 못 된다”고 고등과학원 김정욱 교수는 평가한다.
빅뱅이론에 따르면 빅뱅으로 우주가 폭발하고 38만년이 지났을 때 우주 온도는 약 3000도였다. 시간이 지나면서 우주는 엄청 커졌으니 우주공간은 엄청 뜨거웠다가 지금은 식었어야 한다. 이를 계산해 보면 절대온도로 약 3도이다. 절대온도 0도는 섭씨 ―273도에 해당한다. 우주의 온도를 측정하기 위해서는 우주의 전자기파를 측정해야 한다. 왜냐하면 열을 가진 모든 물체는 온도에 맞는 적외선 같은 전자기파를 외부로 내보내기 때문이다.
뜨거운 난로가 빨간색을 띠는 이유도 이와 같다. 난로가 식으면서 내보내는 적외선도 줄고 색깔도 빨간색이 옅어진다. 이런 원리에 따라 빅뱅을 경험한 현재의 식은 우주는 전자기파 중에서도 절대온도 3도에 해당하는 극초단파로 가득 차 있어야 한다. 따라서 “빅뱅이 이론물리학자만의 추론에서 우주의 실체로 인정 받기 위해서는 극초단파 측정이 필수적이었다”고 김정욱 교수는 설명했다.
천체물리학자들은 우주의 극초단파를 찾기 위해 지대한 노력을 기울였지만 예상외로 실험적 결과는 잘 나오지 않았다. 허블의 발견 이후로 36년이 돼서야 실험적 증거가 발견됐다. 그것도 우발적이었다. 1964년 미국의 AT&T 벨 연구소의 펜지아스(Arno Penzias) 박사와 윌슨(Robert Wilson) 박사는 라디오 파장의 빛을 관측하려고 뉴저지에 전파망원경을 설치했다. 원했던 자료를 얻으려고 노력했지만 언제나 잡음(noise) 신호가 관측됐다. 잡음을 제거하기 위해 별별 걸 다했으나 없어지지 않았다. 결국 두 사람은 잡음이 혹시 본인들이 모르는 다른 의미가 있지 않을까 해서 프린스턴 대학의 천체물리학자 디키(Dicke) 교수에게 도움을 요청했다. 그는 “빅뱅이론의 태두 가모프가 예언했던 우주의 극초단파를 당신들이 측정했다”고 이들에게 알려줬다. 연구성과는 1965년에 발표했다.
이들의 성과는 허블의 관측으로 촉발된 빅뱅 이론의 첫 번째 실험적 증거였다. 두 사람은 이에 대한 공로로 1978년 노벨물리학상을 받았다. 한편 이들이 얻은 데이터의 의미를 알려준 디키 교수는 좀 허탈했을 것이라고 김정욱 교수는 전한다. “노벨상을 받은 두 교수가 데이터의 해석에 도움을 요청할 당시 디키 교수 역시 극초단파 측정을 위한 실험을 준비 중이었다”고 김정욱 교수는 말했다.
천체물리학계는 이후 우주의 전자기파가 극초단파 영역에 속할 뿐 아니라 극초단파 중에 어떤 전자기파가 우주에 많고 적은지 알고자 했다. 왜냐하면 독일의 물리학자 플랑크(M. Plank)가 정립한 법칙에 따르면 물체의 온도에 따라 어떤 전자기파를 많이 방출하는지 정해지고 이는 지구상에서 수차례 실험으로 검증됐기 때문이다.
“빅뱅이론이 맞는다면 빅뱅이론이 예측한 우주의 온도에 따라 플랑크 법칙이 성립해야 한다”고 서울대 물리천문학부의 김제완 교수는 말했다. 또한 우주 전자기파는 공간에서 균일(isotropic)해야 한다. 공간에서 균일해야 한다는 의미는 우주 전자기파가 측정된 어떤 각도에서도 골고루 분포돼야 한다는 뜻이다.
인류의 기술이 발전함에 따라 지구 외부, 즉 우주에서 이런 실험이 가능해졌다. 올해 노벨상 수상자인 매서 박사와 스무트 박사는 우주 전자기파가 플랑크 법칙에 들어 맞는지 확인하기 위해 1989년 11월 18일 코비(COBEㆍCosmic Background Explorer) 위성을 발사했다. 1992년까지 위성 코비는 우주 전자기파가 플랑크 법칙을 정확히 만족하고 각도에 따라 10만분의 1 정도 차로 균일함을 관측했다.
우주 공간의 온도 또한 아주 정확히 측정했는데 절대온도로 2.725°였다. 이 실험 결과는 펜지아스·윌슨의 실험에 이어서 시초를 가진 빅뱅이 있었음을 확인하는 중요한 업적이었다. 실험의 두 주역 매서·스무트 박사는 노벨상 수상이 확실시 됐다. 문제가 발생했다. 과학이 아니라 사람이었다. 스무트 박사는 연구업적을 독차지 하고 싶었는지 과학저널에 발표하기 전에 1992년 버클리에서 연구성과를 발표하는 단독 기자회견을 가졌다. 연구팀과 어떤 의논도 없었다.
또한 영국의 스티븐 호킹 박사에게 부탁해 자신의 연구업적이 얼마나 대단한지 언론에 말해 달라는 전화까지 한다. 실제로 호킹 박사는 “세기의 과학적 발견이고 노벨상 수상이 확실시 된다”고 말했다. 김정욱 교수는 “스무트 박사가 굳이 그런 행동을 하지 않았어도 누구나 인정할 만한 노벨상감”이라고 말했다. 결국 스무트 박사의 이런 행동 때문에 매서 박사는 스무트 박사와 결별했다. 스무트 박사는 다른 연구원의 신뢰도 잃어버려 연구팀에서 배제됐다. 결국 실험 발표 당시의 예상대로 매서와 스무트 박사는 이 공로로 올해 노벨물리학상 수상자로 선정됐다. 하지만 올 12월에 있을 노벨상 수상식에서 매서가 스무트를 어떻게 대할지 주목된다.
이론물리학자들이 예측한 빅뱅이 매서와 스무트의 실험으로 검증됐다. 그러나 빅뱅은 여전히 풀어야 할 중요한 숙제를 남겨 놓고 있었다. 바로 빅뱅이 한 번 일어났느냐 아니면 수차례 일어났느냐가 의문이었다. 수차례 빅뱅이 있었다는 것은 빅뱅 이후에 우주가 팽창을 하다가 어느 시점 이후에는 수축해서 다시 한 점으로 오그라든 과정을 반복했다는 의미이다. 이 이론이 맞는다면 우주의 시초나 종말이 의미가 없다. 세계관적으로는 “무신론적 천체물리학자들이 선호했다”고 김정욱 교수는 설명했다. 우주가 한 번 빅뱅을 일으키고 점차적으로 팽창했는지 아니면 주기적인 빅뱅이 있었는지를 천체물리학자들은 당연히 판가름 하고 싶었다.
이를 위해 부메랑(BOOMERANG·Balloon Observation Of Millimetric Extragalactic Radiation ANd Geophysics)이라는 이름의 연구를 1998년에 시작했다. 우주의 밀도, 즉 단위 부피에 얼마만큼의 질량이 있는지를 측정하는 게 이 실험의 목적이었다. 일반상대성이론으로 계산해 보면 밀도가 10-29g/㎤보다 크면 우주는 수차례 빅뱅을 가졌고 같거나 작다면 한 번의 빅뱅을 가졌다고 판단할 수 있다. 부메랑이 측정한 데이터를 분석한 결과 우주는 한 번의 빅뱅을 가졌다고 천체물리학자들은 판단했다.
2001년의 연구 결과이다. 당시 이 연구 결과는 ‘사이언스’나 ‘네이처’ 같은 과학저널에 실리기 전에 뉴욕타임스 4월 30일자 1면에 실렸다. “그 정도로 중요한 업적이 2001년이라는 새천년이 돼서야 규명됐지만 대다수의 일반인들은 그 전부터 당연히 빅뱅은 1회라고 생각한 점이 특이하다”고 김정욱 교수는 말했다. 우주는 한 차례 빅뱅 이후 점차 팽창을 한다고 천체물리학계는 부메랑의 실험으로 받아들이게 됐다.
이제 남아 있는 주요 과제는 우주가 지속적으로 커지지만 한계를 정하고 커지는지 아니면 무한히 커지는지 여부이다. WMAP(Wilkinson Microwave Anisot ropy Probe)위성이 이를 위해 우주로 2001년에 발사됐다. 여기에 초신성(supernova)의 연구가 더해져서 우주의 팽창 정도를 가늠하게 된다. 초신성은 우주의 나이를 알아내는 데 기준이 된다. 지금까지의 연구 결과로는 우주의 무한 팽창에 무게를 두는 분위기이다.
137억년 전에 한 점이었던 우주가 폭발
빅뱅(Big Bang)이란 137억년 전으로 거슬러 가면 현재의 우주는 한 점이었고 한 점인 우주가 폭발해서 오늘에 이르렀다는 천체물리 이론이다. 빅뱅이라는 말은 또한 한 점에서 우주가 시작됐을 뿐 아니라 순식간에 엄청 커졌다는 의미도 갖고 있다.
1979년에 노벨상을 받은 와인버그(S.Weinberg) 같은 물리학자에 따르면 현재의 우주가 한 점에서 10-35~10-32초 사이에 1030이상 커졌다. 이렇게 짧은 시간에 엄청나게 팽창했기에 팽창을 넘어 빅뱅(영어의 bang은 폭발의 뜻을 갖고 있다)이라 부른다. 빅뱅 이론에 따르면 10-32초 이후 137억년 동안 팽창을 해서 1㎝는 1023㎞가 됐다. 10원짜리 동전이 태양과 지구 사이 거리의 300조배로 커졌다는 뜻이 된다.
그러면 빅뱅 이전, 즉 태초 이전의 우주는 어떠했을까. 영국의 물리학자 스티븐 호킹은 이를 “북극에선 북쪽이 없다(There is no north direction at the north pole)”라는 예를 들어 설명했다. 시간을 과거로, 과거로 거슬러 올라가면 언젠가는 태초에 도달한다. 하지만 태초에서 더 먼 과거는 없다. 북극에서는 오직 남쪽밖에 없으며, 북극에 서 있는 사람은 어느 쪽으로 넘어져도 남쪽인 것이다. 마찬가지로 빅뱅 당시에는 미래라는 시간의 방향만이 존재한다.
우주팽창 연구의 실마리를 제공하는 초신성
“1604년 조선에서도 관측” 실록에 기록돼 있어
사람이 보기에는 영원할 별들도 노화를 겪는다. 임종을 맞아 죽기도 한다. 별이 빛을 잃어버리거나 내부 붕괴하면 임종에 해당한다. “임종을 맞는 별의 질량이 태양보다 1.4배 이상이면 마지막 순간에 대폭발을 해서 태양보다 많게는 몇 억 배의 밝은 빛을 내면서 타버린다”고 서울대 물리천문학부 김제완 교수는 설명한다.
“이렇게 폭발하는 순간 너무 멀리 있었던 까닭에 보이지 않던 별이 갑자기 밝아져 지구에서 보면 새로운 큰 별이 나타난 듯 보인다”고 김제완 교수는 덧붙였다. “큰 별이 새로이 나타났다는 뜻에서 초신성(超新星·supernova)이라 부르고 육안으로 볼 수 있는 경우는 대개 300~400년에 한 번씩 생긴다”고 김정욱 교수는 설명한다.
우리 선조들은 초신성을 객성(客星·손님별)이라고 기록했다. “아마도 하늘에 불쑥 나타난 손님으로 생각한 모양이다”라고 김제완 교수는 설명했다.
1604년 전지구적으로 초신성을 육안으로 관측할 수 있었는데 이탈리아의 코센자(Cosenza), 뉴턴의 스승인 영국의 케플러(Kepler) 그리고 우리의 이름 모를 사관(史官)이 초신성을 기록했다. 1604년이면 조선 선조 37년이다. 서울대 규장각에 보관 돼 있는 조선왕조실록에 보면 당시의 기록을 확인할 수 있다. 현재 기록을 인터넷(e-kyujanggak.snu.ac.kr)에서도 확인 가능하다.
다만 조선왕조실록을 보여 주는 규장각 자료는 연도를 제외하고는 음력임에도 ‘서기력’이라고 표시해 혼란을 준다. 이를 모르는 일반인은 헛고생을 할 수 있다. 예를 들어 초신성을 기록한 서기 1604년 10월 13일자는 음력 평달 9월 21일이므로 9월에 가서 찾아야 한다. 음력·양력 변환은 한국천문연구원(kasi.re.kr) 홈페이지에서 가능하다.
1604년 9월 21일자를 클릭해서 보면 ‘夜有一更客星在尾宿十度去極一百一十度形體小於歲星色黃赤動搖五更有霧(초저녁 손님별이 미수 10도 거극 110도 자리에 있었는데 목성보다 작고 적황색 빛깔이 흔들리고 있었으며 이른 새벽녘에는 안개가 끼었다)’로 나와 있다. 여기서 거극은 북극성으로부터 벌어진 각도이다.
1987년 김제완 교수는 존스홉킨스 대학에서 안식년을 보내고 있었다. 그 해는 남극에서 초신성이 관측돼 당시 미국 언론이 초신성을 여러 차례 다루고 있었다. 김제완 교수도 존스홉킨스 대학의 도서관에서 초신성 관련 서적을 찾고 있다가 ‘초신성의 역사(The Historical Supernovae)’라는 영국에서 나온 책을 보고 깜짝 놀란다. 책의 저자인 클라크(D.Clark)와 리처드(S. Richard)가 조선왕조실록에 기록된 초신성 관측 자료를 실어 놨기 때문이다.
저자들은 이를 바탕으로 초신성을 보여주는 그래프를 그렸다. 김제완 교수는 당시 존스홉킨스 대학 교수로 있던 김정욱 교수에게 알렸고 조선왕조실록 확인을 위해서 서울대 유경로 교수에게 전화를 걸었다. 유경로 교수는 과학사의 1세대로 평가 받는 학자이다. 유경로 교수는 조선왕조실록에 무려 9개월이 넘도록 초신성을 관측한 자료가 남아 있음을 확인했다. “이처럼 중요한 기록을 우리 천문학자가 먼저 발견하지 못한 게 아쉽다”라며 김제완 교수가 말했다.
초신성은 두 가지 종류가 있다. 옆 그림에 나온 형태1과 형태2이다. “당시 케플러를 비롯한 유럽 학자들이 관측한 자료를 보면 형태1의 가장 중요한 꼭지점 근방이 없다. 우리의 조선왕조실록 자료가 가장 중요한 시점의 부족한 부분을 채웠다. 사실 여러 날을 밤에 관측할 수 있는 게 쉬운 게 아닌데 아마도 우리나라의 가을이 워낙 맑기 때문에 가능하지 않았나 싶다”고 김정욱 교수는 말했다.
크...이렇게보니까 엄청 어려우시죠?대강 하나의 점이 폭발하여 이렇게 커다란 우주가 탄생하였다는것이 포인트 입니다.
2.평행우주설(즉 우주는 무한한 공간이다!)
올 초 전세계 과학자들의 시선이 미항공우주국(NASA)에 쏠렸다. 당시 NASA우주 전파 망원경은 우주 곳곳에서 나오는 특수한 전자기파를 탐색하고 있었다. 현대 우주론에 따르면 이 전자기파에는 우주의 생성과 진화에 대한 정보가 담겨 있고, 이로부터 우주의 크기를 가늠하는 것도 가능하다. 과학자들의 관심이 집중된 부분은 바로 이 "우주의크기"에 관련된 것이었다. 우주의 크기가 무한성과 유한성에 따라 우주에 대한 이론이 크게 달라지기 때문이다.
관측 결과는 우주가 무한하다는 사실을 강력히 시사했다. 이 결과를 놓고 미국 펜실베니아대 맥스 테크마크 (물리학) 교수는 과학 잡지 "사이언티픽 아메리칸 " 최근호에서 다음과 같이 말했다.
"우주가 무한하다면 우리가 관측할 수 있는 한계 너머 어딘가에 우리가 살고 있는 곳과 똑같은 다른 우주, 심지어 나 자신과 똑같은 존재가 있을 수 있다."
이처럼 우리의 우주는 전체 우주의 일부분이며, 세상에는 수많은 우주가 존재한다는 이론을 "평행우주론"(parallel universe)이라 한다.
* 제2의 '나' : 평행 우주론 가운데 그 첫번째는 우주가 크더라도 중력, 전기자기장 같은 물리 현상은 우주 어디서든 똑같이 일어난다는 것이다. 실지로 이런 우주에서는 어딘가에 나와 똑같은 존재가 있게 된다. 우주가 무한하다는 것이 이런 마술을 부리는 것이다. 예컨데 동전을 열번쯤 던져 앞이 다섯번 계속 나오는 경우는 별로 없겠지만, 천번쯤 던지면 그 가운데 앞이 연속으로 나올 수 있는 경우가 있을 것이다. 일억번을 던지면 20~30번 연달아 같은 면이 나올 수도 있다.
'일억'도 '무한'에 비하면 티끌조차 안된다. 동전을 '무한히' 던지면 앞면이 일억번 나오는 것조차 가능하다. 나아가 로또 복권을 사는 것을 무한히 반복할 수 있다면, 일등에 백번 연속 당첨 될 수도 있다. 우주에서 일어나는 일도 마찬가지이다. 사람이 잉태되는 것은 결국 원자들의 결합에 의한것, 무한한 우주 공간 안에서는 나 자신을 이루는 것과 똑같은 원자 결합이 이루어질 확률이 얼마든지 가능하고, 따라서 언젠가는 나와 똑같은 존재가 생길 수 있다는 것이다.
과학자들의 확률 계산에 따르면 지구를 중심으로 반지름 약 3조 5000억 광년(빛의 속도로 3조 5000억년을 계속 진행한 거리) 되는 공간 안에는 나와 같은 존재가 하나쯤 존재한다. 우주의 역사가 140억년이니, 3조 5000억 광년이란 빛의 속도로 우주가 생긴 이후부터 지금까지 내내 달려도 도달할 수 없는 거리다. 그러나 이조차 '무한'은 아니므로 무한한 우주에는 수 많은 수의 '나'가 존재할 수 있다.
* 과학의 법칙이 다른 우주 : 또 다른 평행 우주론은 우리가 사는 이곳의 현상과 전혀 다른 현상의 우주가 여럿 존재한다고 보는 것이다. 그 곳의 우주에서는 태양계와 똑같은 별, 행성 무리가 있다고 해도 공전 주기가 전혀 다르다. 물리 법칙이 우리와 다르기 때문이다. 이렇게 되면 중력, 만유인력, 전자기력의 크기도 달라진다. 이 이론을 내세우는 과학자들은 전체 우주가 초기에 엄청난 속도로 팽창하면서 물리법칙이 다른 소(小)우주가 생겨났다고 주장한다. 우리가 사는 이곳 태양계도 그 소우주의 하나라는 것이다. 이 이론은 또 "왜 우리 우주가 존재하는가?"에 대한 해답도 내려 준다.
사실 과학자들은 우리 우주의 존재에 대해 의문을 가져왔다. 물질을 구성하는 원자는 양성자와 전자가 전기적인 힘으로 결합하여 생긴다. 그런데 만일 전자기력이 지금보다 4%만 약했다면, 양성자와 전자를 한데 붙잡아 둘 수 없어 원자를 이루는 것이 불가능하다. 따라서 당연히 별이나 생명체도 존재할 수 없다. 또 양성자가 지금보다 0.2%만 무거웠더라도 마찬가지로 안정된 원자가 탄생할 수 없다는 계산이 나온다. 결국 우리 우주는 물리적인 힘이나 기본 입자들의 질량들이 아주 절묘한 균형을 이뤄 만들어 졌다는 뜻이다. 이를놓고 과학자들은 "어떻게 그런 우연이 가능할까"라는 의문을 가졌다.
평행 우주론은 이에 대해 다음과 같은 답을 준다. "무한한 우주 안에 수 많은 우주가 있다. 그 중에는 물리적 성질들의 균형이 잘 맞는 것들이 있을테고, 그 가운데 하나가 바로 우리 우주다. 우리와 물리적 성질이 달라 별과 생명체가 없는, 그저 공간뿐인 소우주도 수 없이 많을 것이다.
* 선택이 우주를 만든다 : 만일 내가 지금과는 다른 직장을 택했다면 나의 인생은 어떻게 되었을까? 평행 우주론 가운데 하나는 " 지금 당신이 다른 회사에 다른 인생을 살고 있는 우주가 존재 한다"고 주장한다. 사람 뿐 아니라 물질을 구성하는 입자들에도 이런 "선택"의 순간이 있다. 여기 양성자가 하나 있다고 가정 하자. 그 옆에 전자가 있다면 양성자는 전자와 결합해 수소 원자가 될 수도 있고, 결합하지 않은채 공간을 떠돌수도 있다. 우리가 보기에 양성자는 결합하지 않은 쪽을 택했다. 그러나 결합해 수소 원자가 된 상태를 담은 우주도 있다는 것이 이 평행 우주론의 요체다.
과학이라기 보다는 일종의 사상이나 철학 같지만, 사실 이는 물리학의 한 분야인 양자 역학의 개념에서 나온 우주론이다. 세종대 이희원(천문우주학)교수는 "양자 역학에 따르면 다른 선택에 따른 인생이 담긴 우주는 우리가 관찰할 수 없다."면서 "이때문에 타당성을 실험적으로 검증할 수 없어 보인다는 것이 이 이론의 한계"라고 말했다.
언젠가 책에서 읽은 멋진 귀절이 있어 인용 한다.
"그것은 산소 원자 세개, 그리고 칼슘 원자 하나와 결합하여 석회암의 형태로 존재한다. 그런데 절단되어 석회로를 통과 하면서 날개를 얻게 되었다. 그 원자는 바람에 포획되어 땅 바닥에 내동댕이 쳐지기도하고 10km 높이로 상승하기도 했다. 하늘을 나는 매에게 흡입되기도 하고....바닷물에 세번 용해되고, 다시 공중으로 방출 되었다. 그리고 나서 우연히 유기 화학적 모험을하게 되었다. 운좋은 나뭇잎을 스치고 지나가다 그 안으로 침투해서 태양 광선에 의해 고정 되었다. 눈 깜짝할 사이에 거미에게 포획된 곤충처럼 탄소 원자는 산소들로 부터 분리되고, 수소와 결합하여 결국 생명의 사슬에 편입되었다. .... 그것은 피의 흐름에 진입하여 신경 세포의 문을 두드리고, 그 안으로 들어가서 그것을 구성하고 있는 탄소와 교체된다. 그 세포는 뇌에 속하고, 그것은 나의 뇌이다. 문제의 그 세포 그리고 그 안에 있는 문제의 원자는 나의 저술 활동을 담당하고 있으며 아직 아무도 묘사하지 못한 재미있고 신비스런 일에 종사하고 있다. 그곳은 ..... 나의 이 손이 여기 이점을, 바로 이곳을 누르도록 인도 한다."
프리로 레미의 "주기율표"에 나오는 내용이다. 결국 우리 자신도 초신성 폭발로... 태양이 태어나기 전에 빛나던 별로 부터 생성된 것이다. 우리 조상의 아득히 먼 옛날 빛나고 있던 별로부터.......
결국 여기서는 우주는 무한으로 존재한다는것! 여러분은 1번이라고생각하시나요 2번이라고 생각하시나요? 전 개인적으로 2번...평행우주설이 더 설득력 있다는..