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상대성이론

5-1. 아인슈타인과 우주

아인슈타인이 일반상대성이론을 처음 만들었을 때에는 우주의 모습을 설명하기 위한 생각은 없었단다. 하지만 이 이론이 중력장에 대한 이야기하다 보니 자연스럽게 우주에 적용되었고, 일반상대성이론을 발표한 2년 후인 1917년 2월에는 《일반상대성이론의 우주론적 고려(Cosmological Considerations in the General Theory of Relativity)》라는 논문을 내놓았단다.

아인슈타인은 일반상대성이론을 우주 전체에 적용해보니, 우주가 팽창하거나 수축할 수 있다는 것을 알았단다. 만약 우주의 별들 사이에 중력만 있다면, 우주는 오래 전에 한 점으로 모였겠지만, 별들 사이의 중력을 상쇄할 만한 팽창 에너지가 있다면 별들 간의 간격을 벌려 놓을 수 있겠지. 만약 이 에너지가 중력보다 조금만 크면 우주는 팽창하고, 중력보다 적으면 우주는 수축을 하겠지.

[그림] 뉴턴은 우주가 정적인 상태를 유지하기 위해서는 우주의 크기가 무한해야 한다고 생각했는데, 만약 우주 크기가 유한하다면 우주의 가장자리에 있는 별들은 우주의 중심 방향으로 중력을 받아 이동하게 되어 우주의 중심에 모이게 될 거라고 생각했단다.

하지만 당시에는, 우주는 예전에도 그래 왔고, 앞으로도 변하지 않을 것이라는 우주론이 지배해왔단다. 아인슈타인도 우주가 절대로 팽창하거나 수축할 리가 없다고 생각하고, 자신이 만든 방정식을 약간 수정하여 우주상수라는 새로운 항을 추가하였단다. 즉 아인슈타인은 우주가 균형을 이루도록 우주상수의 값을 적절히 선택함으로써 정적인 우주모형을 완성할 수 있었지.

[그림] 우주상수(Λ)가 추가된 아인슈타인의 중력장 방정식

1922년 러시아의 수학자였던 프리드만(Friedmann, 1888~1925년)도 일반상대성이론의 방정식을 우주에 적용해 보았는데, 결과는 우주가 팽창하는 모습으로 나왔단다. 1924년 그는 이런 내용을 담은 논문을 《공간에서 일정한 음의 곡률을 가진 세상의 가능성에 대해(On the possibility of a world with constant negative curvature of space)》라는 약간 복잡한 이름으로 발표하였단다.

[그림] 우주의 크기는 0에서 시작하여 현재는 팽창하고 있으나, 우주의 질량에 의한 중력 보다 팽창 에너지가 크면 우주는 계속 팽창하는 열린 우주가 되고, 균형을 이루면 평탄한 우주가 되며, 팽창 에너지가 적으면 닫힌 우주가 된다고 주장하는 프리드만의 우주 모형.

아인슈타인은 지구가 팽창한다는 프리드만의 주장을 일축하였단다. 프리드만은 그의 업적을 인정받지 못하고 1925년, 37세의 나이에 폐렴으로 세상을 떠났단다.(나중에는 아인슈타인이 프리드만의 연구가 옳았다는 것을 인정했단다.)

프리드만이 죽고 난 2년 후인 1927년, 벨기에에서 가장 유명한 천문학자이자 카톨릭교 신부인 르메트르(Lemaitîre, 1894~1966년)도 우주가 팽창한다는 설을 주장하였단다.

르메트르는 아인슈타인의 일반상대성원리를 공부하면서 우주가 팽창한다는 것을 알게 되었단다. 한발 더 나아가, 르메트르는 현재의 우주가 팽창하고 있다면 과거의 우주는 현재의 우주보다 작았을 것이라고 생각했지. 따라서 아주 먼 과거로 거슬러 올라가면 우주가 아주 작아져서 하나의 원자만큼 작았던 시기가 있었을 것이라고 생각했지.

르메트르는 우주의 모든 것이 들어있는 이 원자를 원시 원자라고 불렀단다. 그리고 하느님이 원시 원자로부터 이 우주를 창조했다고 생각했단다. 닭이 달걀에서 나오듯이 우주가 원시 원자에서 나왔다고 해서 우주의 달걀(Cosmic Egg)이라고도 불렀단다. 그는 자신의 종교가 원하는 완벽한 우주 모델을 발견했다고 생각했지.

르메트르가 아인슈타인의 상대성이론에 기대어 만든 이런 이론에 대해, 정작 아인슈타인의 반응은 냉담했단다. 아인슈타인은 르메트르가 물리학을 잘 몰라서 그런 주장을 한다고 생각하였고, 원시원자에서 우주를 창조했다는 생각은 한마디로 코메디라고 생각했지. 그리고 당시 유럽의 과학계에서 아인슈타인이 아니라고 하는데, 누가 감히 르메트르 편을 들겠니? 유일하게 카톨릭 교회에서만 르메트르 편이 되어 주었단다.

하지만, 실제로 우주가 팽창한다는 사실을 눈으로 관찰하여 증명하는 데는 몇 년이 걸리지 않았단다.

당시 세계에서 가장 큰 망원경은 후커 망원경으로 미국 캘리포니아 윌슨 산 천문대에 설치되어 있었는데, 미국의 천문학자 허블(Hubble, 1889~1953)은 이 망원경으로 우주를 관찰하면서, 우주에 있는 모든 별이 지구에서 멀어지고 있다는 사실을 알게 되었지.

[사진] 윌슨 산 천문대에 설치되어 있는 후커 망원경(Hooker telescope). 반사경 크기가 100인치(2.5m)로 1917년에서 1948년까지 세계에서 가장 큰 망원경이었단다. 후커는 망원경을 만들기 위한 돈을 기부한 사람이란다.

1929년 자신의 관측 결과를 정리하여 허블의 법칙을 발표하게 된단다. 허블의 법칙은, 지구에서 멀리 떨어져 있는 별일수록 지구에서 멀어지는 속도가 비례한다는 법칙으로, 일명 속도-거리의 법칙이라고도 하지.

[그림] 별까지의 거리와 별이 멀어지는 속도가 비례하는 허블의 법칙

르메트르는 허블의 관측 결과를 듣고는 1931년, 아인슈타인을 데리고 캘리포니아 윌슨 산 천문대를 방문하였고, 캘리포니아 공과대학에서 강연회를 열어 아인슈타인과 허블에게 자신이 연구한 내용들을 이야기했지.

강의를 마치자, 아인슈타인은 자리에서 일어나 "내가 들었던 것 중 가장 아름답고 만족스러운 해석(The most beautiful and satisfying interpretation I have listened to)"이라고 이야기하고는 "우주상수를 만들어 낸 것이 인생의 최고 실수였다."고 이야기했단다.(하지만 현대에 와서는, 우주에는 우리 눈에 보이지 않는 암흑물질과 암흑에너지가 있다는 증거가 속속 밝혀지면서 우주상수를 다시 도입하게 되었단다.)

[사진] 아인슈타인과 르메트르의 만남. 오른쪽 사진은 허블.

이제 우주는 창조점이 있는 우주로 바뀌게 되었단다. 과학자들은 우주의 팽창 속도를 꺼꾸로 계산해서 우주가 창조된 시점을 계산하기에 이르렀단다. 그리고 그 계산에 의하면, 우주는 지금으로부터 약 137억년 전에 탄생되었다고 판명되었단다.

1948년에는 러시아의 수학자 프리드만의 제자이자, 러시아 출신의 미국의 물리학자인 가모브(Gamow, 1904∼1968년)가 빅뱅이론을 발표하였단다. 빅뱅이론의 빅뱅(big bang)은 대폭발이란 뜻이고, 우주의 시작점에서 대폭발이 일어나면서 우주가 폭발적으로 팽창해왔다고 주장하는 것이란다. 우주에 중력만 있다면, 우주가 한 점으로 모이겠지만, 대폭발 때 생긴 에너지가 우주를 팽창하게 만든다는 것이지.

1951년 카톨릭교에서는 빅뱅이론을 받아들였고, 그 모델이 《성경》과 일치한다고 공식적으로 선언하였단다. 당시 교황 피우스 12세(Pius XII, 1876~1958년)는 이렇게 말했단다.

"창조는 결국 일어났다. 그러므로 창조자는 있고, 그러므로 신도 존재한다."

유럽 근대 과학은 어떤 의미로 보면 종교와의 전쟁이었다고 할 수 있지. 종교의 입장에서 보면 과학에게 계속 패배만 해왔지. 하지만 빅뱅이론이 나오면서 종교는 과학에 일격을 가하였단다.

하지만, 일부 무신론자인 과학자들은 빅뱅이론에 대해 반대 입장을 가지고 있었는데, 영국의 천문학자인 호일(Hoyle: 1915~2001년)이 그런 사람 중의 한 명이었단다. 호일은 1940년대 말 라디오 방송에서 이렇게 말했단다.

"우주가 뜨거운 빅뱅이론과 함께 시작되었다면 흔적이 남아 있을 겁니다. 나에게 이 빅뱅의 화석을 찾아다 보여 주세요."

빅뱅이론을 발표했던 가모브는 호일이 말한 화석이 존재할 수 밖에 없다는 점을 이론적으로 밝혀 내었단다. 빅뱅이 일어나려면 엄청난 열(전자기파)이 생겼을 것이고, 그러한 열(전자기파)은 137억년이 지난 지금까지도 완전히 사라지지 않았을 것이라는 거지. 또한 빅뱅은 우주를 사방으로 팽창시켰기 때문에 이런 열(전자기파)은 우주의 사방에서 찾아 낼 수 있을 것이라고 예측했단다. 그리고 그러한 전자기파를 배경복사라고 불렀단다.

배경복사(背景輻射)에서 복사(輻射)라는 말은 '사방으로 퍼져 나간다'는 뜻인데, 수레바퀴살 복(輻: 복(輻)자 안에 수레 차(車)자가 들어있지)자와 쏠 사(射)자가 합쳐진 글이란다. 수레바퀴살을 보면 축을 중심으로 사방으로 퍼져나가지. 예를 들어 태양열 복사는 태양에서 열이 사방으로 퍼져나가는 것을 말하지. 따라서 배경복사는 우주의 배경에서 사방으로 퍼져나가면서 우리가 사는 지구에도 오겠지.

1965년 배경복사는 우연히 발견되었단다. 당시 미국의 가장 큰 통신 회사는, 전화기를 발명한 벨(Bell)이 만든 AT&T라는 회사였단다. 그리고 이 회사의 연구소는, 설립자인 벨의 이름을 따서 벨 연구소(Bell Lab.)라고 불렀단다. 1925년에 뉴저지(뉴욕 바로 아래)에 설립된 이 연구소는 13명의 노벨상 수상자를 낼 만큼 유명하단다.

그런데 이 연구소의 연구원으로 근무하던 펜지어스(Penzias, 1933년~)와 윌슨(Wilson, 1936년~)은, 통신 위성에서 보내오는 신호를 받는 수신기에서 아주 작은 잡음이 나는 것을 발견하였단다. 둘은 모든 기기들을 꼼꼼하게 살펴보았단다. 심지어 수신기에 딸린 나팔 모양의 안테나에서 두 개의 새 집을 찾아내고 새똥까지도 청소했음에도 불구하고 잡음은 사라지지 않았단다. 이 두 사람은 잡음의 정체가 무엇인지 너무나 궁금했단다.

[사진] 펜지어스와 윌슨. 뒤에 있는 것이 나팔 모양의 안테나.

그러던 중 우연히 "근처 프린스턴 대학에서 우주에서 나오는 복사에 대해 연구하고 있다."는 이야기를 듣고 프린스턴 대학에 전화를 했지. 당시 프린스턴 대학에서는 가모브가 말한 배경복사를 찾으려고 모든 실험 장비를 갖추어 놓고 실험을 하려던 중이었지. 하지만 벨 연구소에서 온 전화를 받고는 몇 가지 질문을 한 후 허탈해 했지. 바로 자신들이 발견하려고 노력했던 배경복사를 벨 연구소에서 발견한 것이지. 벨 연구소의 펜지어스와 윌슨은 배경복사의 발견으로 이후 노벨상을 탔단다. 나중에 동료들은 "똥(새 똥)을 치우다가 금(노벨상)을 발견했다"고 놀렸단다.

우주 배경복사를 정밀하게 관측하기 위해 1989년 최초로 COBE라는 우주 배경복사 망원경을 우주로 발사하였고, 2001년에는 윌킨슨 초단파 비등방성 탐사선(WMAP)을 발사하였단다. 2009년 유럽우주국과 미항공우주국의 협력으로 발사된 플랑크 망원경으로 배경복사를 관찰한 결과. 우주의 나이가 지금까지 알려진 것보다 약 8천만년 더 많은 138억년 전으로 추정하고 있단다.

[사진] 2001년에 발사된 윌킨슨 초단파 비등방성 탐사선(WMAP)에 의해 관측된 우주 배경복사 - 우주를 돌아다니는 전자기파의 99%는 이 배경복사에서 나오고, 나머지 1%는 별에서 나온단다.

사실 우주 배경복사는 우리 모두가 본 적이 있단다. 네가 어릴 때 아날로그 TV에서 방송이 없는 채널을 보면, "치익~"하는 소음과 함께 무질서한 화면의 무늬를 본 기억이 있지? 그런데 그 무늬 중에서 약 1퍼센트 정도는 우주 배경복사 때문이란다. 혹시 다음에라도 그런 화면을 보면 우주의 탄생 모습을 보고 있다는 사실을 기억하기 바란다.

[사진] 우주 배경복사가 들어있는 TV 노이즈

1970년대 초에는 영국 옥스포드 대학의 로저 펜로즈(Roger Penrose, 1931년~)와 스티븐 호킹(Stephen Hawking, 1942년~)이 특이점(블랙홀)으로 빅뱅이론을 설명하였단다. 즉 특이점인 블랙홀에 물질이 빨려 들어가면서 한점에 모인다면, 반대로 특이점에서 물질이 생겨나면서 팽창하는 것이 바로 빅뱅이라는 것이지. 믿든 말든 그건 네 자유란다. 왜냐하면 우주 탄생에 대해서는 수많은 이론들이 있으니까.

우주 탄생에 대한 이야기를 하면, 반드시 나오는 질문이 있지. 우주가 탄생되기 전에는 어땠을까? 이 질문에 대한 답변은 아직 아무도 모른단다. 우리가 살고 있는 우주의 바깥에 대해서도 마찬가지란다. 엄마 배 속에서 세포(특이점) 하나가 자라 태아(우주)가 되었다면, 우주(태아) 바깥은 더 큰 우주(엄마)일 수도 있겠지. 하지만, 그 곳이 다른 차원의 세계일 수도 있고, 진정한 의미의 진공(眞空) - 시간도 공간도 물질도 에너지도 없는 곳 - 일 수도 있겠지.

PS) 위에서 이야기한 프리드만의 3가지 우주 모형(열린 우주, 평탄한 우주, 닫힌 우주)을 보면, 우주 팽창 속도가 모두 점차 감소하고 있단다. 우리가 상식적으로 생각하더라도, 별들 사이에는 서로 잡아당기는 중력이 있기 때문에, 우주의 팽창 속도가 계속 유지되기는 힘들다는 생각이 들겠지.

하지만 최근에는 우리의 상식을 뛰어 넘는 일이 생겼단다. 2000년부터 10년간 물리학자와 천문학자들은 우주가 팽창하는 속도가 얼마나 감소하는지를 관찰하였는데, 놀랍게도 팽창 속도가 점차 증가하고 있다는 것을 알게 되었단다.

[그림] 우주의 팽창 속도가 증가하는 우주 모형

과학자들은 이런 현상을 설명하기 위해 암흑에너지라는 개념을 도입하였단다. 암흑에너지는 우리 눈에 보이지 않지만, 우주 팽창을 가속화시키는 역할을 하는 에너지라 할 수 있지. 현재 과학자들은 이러한 암흑 에너지의 존재를 확인하기 위한 여러 가지 연구를 하고 있단다.

박일수
(Pis530)

감사합니다~~~ 내용들이 넘착해요
(2016-04-07 오전 5:19:27)

이현승
(neo2e)

절대 진리는 없군요. 마치 과학은 헤겔은 변증법과 같습니다. 정 반 합의 무한 반복...
(2017-05-09 오후 1:27:04)