+ 우주는 끝이 있다? 없다? - ​​안과 밖이 따로 없는 우주의 구조

 

 

 

[이광식의 천문학+]

우주는 끝이 있다? 없다?

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입력: 2016.07.08 09:31

▲ 130억년 전 우주의 과거

허블 망원경이 본 심우주. 약 130억 광년 너머의 풍경이다. 우주에서 공간은

곧 시간이기 때문에 이는 곧 130억 년 전 우주의 모습이라는 뜻이다.(사진=NASA) 

 

우주에 관해 가장 궁금한 것 중의 하나는 과연 우주는 끝이 있을까 하는 문제일 것이다.

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우주는 지금 이 순간에도 쉬지 않고 빛의 속도로 팽창하고 있다. 인류가 우주팽창을 발견한 것은 20세기 초반으로, 아직 백 년도 채 안된다.

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5000 년 과학사에서 최대 발견으로 일컬어지는 이 우주의 팽창은 우리가 딛고 사는 땅덩어리뿐만 아니라 하늘도 불안정하기 짝이 없다는 황망한 사실을 인류에게 계시해준 것이었다. 우주 속의 모든 은하들은 서로로부터 하염없이 멀어지고 있다. 마치 싸우고 삐진 아이들처럼.

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​우주는 가속팽창하고 있다!

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그러다면 이 우주는 언제까지 이렇게 팽창을 계속할 것인가? 불과 10년 전까지만 해도 우주 안에 담긴 물질의 중력으로 인해 팽창속도가 점차 느려질 것으로 과학자들은 생각했다. 그런데 그게 아니었다. 우주의 팽창속도는 점점 더 빨라지고 있다는 놀라운 사실이 발견되었다. 말하자면 우주는 계속 가속 페달을 밟고 있다는 것이다.

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우주는 지금 가속팽창을 하고 있는 중이다. 이는 지구로부터 아주 멀리 떨어진 초신성들을 우주 잣대로 하여 관측된 사실인데, 두 개의 다른 팀이 이 사실을 발견해 2011년 함께 노벨 물리학상을 받았다. ​

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​이들은 지난 1998년께 지구에서 멀리 떨어진 50개 이상의 초신성을 관찰한 결과 이들이 폭발하면서 내뿜은 빛이 예상보다 약하다는 사실을 밝혀냈다.

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​스웨덴 노벨위원회는 이러한 현상이 우주의 팽창속도가 빨라지고 있음을 보여주는 것으로, 천체물리학을 뿌리부터 뒤흔든 놀라운 발견이라고 평가했다. 이와 더불어 이들이 초신성 관찰을 통해 우주의 팽창속도가 점점 더 빨라지는 사실을 규명해 "미지의 대상인 우주의 장막을 걷어내는 데 일조했다"고 선정 이유를 밝혔다.

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​그렇다면, 왜 우주는 점점 더 빨리 팽창하고 있는가? 무엇이 우주 팽창의 가속 페달을 밟고 있다는 건가? 현재 과학자들은 암흑 에너지를 유력한 용의자 선상에 떠올려놓고 있다. ​그러나 암흑 에너지의 정체가 무엇인지는 아무도 모른다. 존재 자체는 의심할 바 없는데, 그 얼굴과 신상 파악은 전혀 안 되고 있다는 뜻이다.

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​그래서 암흑 에너지는 암흑물질과 함께 현대 물리학의 최대 수수께끼이자 화두가 되고 있다. 현재까지 암흑 에너지에 대해 확실히 알려진 것은 우주 전체 질량의 4분의 3을 차지하고 있다는 사실뿐이다.

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​이들의 발견대로 우주 팽창이 이대로 계속 가속되면 우주는 최후는 어떻게 될까? 과학자들은 결국 우주가 거대한 하나의 얼음 무덤으로 끝나게 될 것이라고 생각하고 있다.

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​​안과 밖이 따로 없는 우주의 구조

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그럼 팽창하고 있는 이 우주의 끝은 어디일까? 과연 우주의 끝이라고 할 만한 게 있기는 한 것일까? ​

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​우리가 볼 수 있고 관측할 수 있는 우주에 국한해 생각한다면 우주의 끝은 분명 있다. 138억 년 전에 우주가 태어났으니까, 우리는 빛이 138억 년을 달리는 거리까지만 볼 수 있을 뿐이다. 그것을 우주의 지평선이라고 한다.

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​우리는 우주 지평선 너머에 있는 사건들을 볼 수가 없다. 밤하늘이 어두운 이유도 바로 거기에 있다. 아직 그 너머의 빛이 지구에까지 도착하지 못했기 때문이다. 우주가 계속 팽창하고 있기 때문에 그 너머의 빛은 영원히 우리에게 도달하지 못할 것이다. 그러니까 인류가 만일 멸망하지 않고 지구에서 영원히 살아 남는다고 해도 지구 밤하늘이 밝아지는 일은 결코 없을 거란 얘기다.

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​​우주 지평선 너머에는 과연 무엇이 있을까? 우주의 등방성과 균일성을 신줏단지처럼 믿고 있는 천문학자들은 그곳의 풍경도 이쪽의 풍경과 별반 다르지 않을 거라고 생각하고 있다. 신은 공평하니까 거기라고 해서 여기와 크게 다르게 무엇을 창조해놓았을 리는 없다고 생각하는 것이다. 하지만 아무도 확신할 수는 없다. 우리는 영원히 그 너머의 풍경을 엿볼 수 없을 것이므로.

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​이런 사연으로 인해 우주의 끝 문제는 그리 간단하지가 않다. 우주의 구조가 우리가 일상적으로 겪고 보는 것들과는 전혀 다른 형태를 하고 있는 것도 또 한 가지 이유이기도 하다. ​

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​한마디로 우주는 안과 밖이 따로 없는 구조를 하고 있다. 뭐? 그런 게 어디 있어? 안이 있으면 바깥도 있는 거지. 사람들은 보통 상식적으로 그렇게들 생각하지만, 안 그런 사물들도 있다.

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​뫼비우스의 띠만 해도 그렇다. 한 줄의 긴 띠를 한 바퀴 틀어 서로 연결해보라. 그 띠에는 안과 밖이 따로 없다. 국소적으로는 안팎이 있지만, 전체적으로는 서로 연결된 구조다. 만약 개미가 그 띠 위를 계속 기어가면 자연 다른 면으로 이동하게 된다.

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▲ 클라인 병

안과 밖의 구별이 없는 3차원을 보여주는 클라인 병. 공간의 한계상 몸체를 뚫고 들어가는

것처럼 그려졌지만, 실제 클라인 병은 자기 자신을 뚫고 들어가지 않는다. (그림=위키) 

 

클라인 병은 더 극적인 현상을 보여준다. 1882년 독일 수학자 펠릭스 클라인이 발견한 이 병은 안과 바깥의 구별이 없는 공간을 가진 구조다. 클라인 병을 따라가다 보면 뒷면으로 갈 수 있다. 그러니 안과 밖이 반드시 따로 있다는 것은 우리의 고정관념일 뿐이다. 3차원의 우주는 이런 식으로 휘어져 있다는 얘기다.

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​따라서 우주에는 중심과 가장자리란 게 따로 없다. 내가 있는 이 공간이 우주의 중심이라 해도 틀린 얘기가 아니다. 우주의 모든 지점은 중심이기도 하고 가장자리이기도 하다는 뜻이다.

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​우주 팽창은 나를 중심으로 ​진행되고 있다고도 볼 수 있다. 내가 만약 이웃 안드로메다 은하로 가더라도 마찬가지다. 그곳을 중심으로 모든 은하들은 나로부터 멀어져가고 있을 것이다. 우주의 모든 은하들은 이처럼 서로 후퇴하고 있는 것이다.

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​이 경우 은하들이 스스로 이동하는 것은 아니다. 우주팽창은 공간 자체가 팽창하는 것이기 때문에 은하 간 공간이 늘어나고 있는 것이다. ​따라서 은하들은 늘어나는 우주의 카펫을 타고 서로 멀어져가고 있는 셈이다.

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​풍선을 생각해보면 이해하기가 한결 쉽다. 풍선 위에 무수한 점들을 찍어놓고 풍선에 바람을 불어넣는다고 치자. 풍선이 무한대로 부풀어간다면 그 표면에 찍힌 점들은 서로에게서 무한히 멀어져갈 것이다. 우주의 팽창이 3차원적으로 이와 같다는 말이다.

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​그렇다면 우주는 무한한가? 그렇지는 않다. 현재 우주의 크기는 약 940억 광년이란 계산서가 나와 있다. 초기에 빛의 속도보다 빠르게 팽창했기 때문이다. 이를 인플레이션이라 한다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 우주에서 빛보다 빠른 것은 없다고 하지만, 우주는 공간 자체가 팽창하는 것이기 때문에 그에 구애받지 않는다.

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​어쨌든 현대 우주론은 우주의 끝에 대해 이렇게 결론을 내리고 있다.

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​우주는 유한하지만 그 경계는 없다.

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나우뉴스 이광식 통신원 joand999@naver.com

http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20160708601003§ion=&type=daily&page=