'우주의 끝' 은 있을까?

 

 

 

[아하 우주]

 '우주의 끝' 은 있을까?  알수록 놀라운 구조

 

서울신문 | 입력2015.03.15 10:22 | 수정2015.03.15 13:37

 

[서울신문 나우뉴스]

지금까지 인류는 '宇宙는 끝이 있는가 없는가' 라는 質問의 答을 찾기 위해 노력해왔다.

이 質問은 人類의 頭腦를 오랫동안 괴롭혀온 質問으로, 우리가 宇宙에 대해 갖는 가장 큰

疑問 중의 하나라는 데 異見이 없을 것 같다. 現代 天文學도 아직까지 이 質問에 明快한 答을

내놓지 못하고 있다.

하지만 現代科學이 밝혀낸 限度 內에서 나마 ​이 問題를 한번 풀어보도록 하자.

과연 우리가 살고 있는 이 宇宙는 끝이 있는가, 없는가?를....

우리가 무엇보다 먼저 알아야 할 事實은, 우리는 어디까지나 有限한 3次元 時空間에서 살고 있는

存在인 만큼 우리 周邊에 無限한 것이라고는 없으며, 따라서 無限을 經驗해본 적이 없다는 事實이다.

 

↑ 허블 망원경이 잡은 宇宙의 끝 ‘허블 울트라 딥 필드’. 약 130億 光年 밖의

풍경이다. 이는 곧 130億 光年 前  아기宇宙의 모습이란 뜻이다.(사진=NASA)

 

 

 

↑ 플랑크 우주망원경과 우주배경복사. 2009년에 발사한 플랑크 우주망원경의 초정밀 관측자료를 토대로 계산한 결과, 우주의 나이가 138億 光年으로 조정되었다 (사진/ESA)

 

 

 

↑ 종이 끝을 테이프로 이어붙여 만든 뫼비우스의 띠. 만약

개미가 뫼비우스의 띠를 따라 表面을 移動한다면 境界를

넘지 않고도 原來 位置의 反對 面에 到達하게 된다.

宇宙는 3次元의 뫼비우스 띠 라 할 수 있다.(그림=위키백과)

 

 

 

 

 

무릇 끝이 있다는 말은 始作이 있다는 뜻이며, 그 끝에서 또 다른 무엇이 始作된다는 意味를

內包하고 있다. 現實世界에서 우리가 體驗하는 모든 事物은 반드시 始作과 끝이 있다. 卽, 現象界의

모든 것은 有限하다는 말이다. 無限이라는 言語는 想像 속에서나 存在하는 觀念, 槪念일 뿐이다.

水素 原子의 경우, 수소 원자 1億 個를 한 줄로 죽 늘어세워도, 그 길이는1㎝를 넘지 않는다.

이렇게 微細한 原子도 全 宇宙森羅萬象을 만드는데 10個면 된다. 1구골(10의100승)에도

한참 못 미치고, 無限하고는 거리가 한참이나 멀다.

그렇다면 宇宙라고 이름을 붙인宇宙라는 事物은 과연 어떤 것인가? 끝이란 게 있는 것인가?

우선 常識的으로 生覺해볼 때, 이 宇宙에 끝이 있다는 것도 모순이요, 끝이 없다는 것도 모순으로

보인다. 우리의 經驗則으로 볼 때 끝이 없다는 宇宙 狀態도 想像하기 어렵고, 宇宙의 끝이 있다면

또 끝 그 바깥은  무엇이란 말인가 라는 質問이 바로 떠오른다.

이것이 바로 宇宙 속에 人間이 處해 있는 狀況이라 할 수 있다.

한 뼘도 안되는 人間의 頭腦에 어찌 限界가 없겠는가!

▲ 현재 우주의 크기는 950億 光年

우리가 宇宙라고 말할 때, 그 宇宙에는 텅~빈 空間뿐만 아니라 時間까지 包含되어 있다.

卽, 아인슈타인이 特殊 相對性 理論에서 밝혔듯이 宇宙는 4次元의 時空間인 것이다.

宇宙라는 말 自體도 그렇다. 중국 고전 '회남자'(淮南子)에는

' 옛부터 오늘에 이르는 것을 주(宙)라 하고(時間 槪念),

四方과 위아래를 이름하여 우(宇)라 한다(空間 槪念)'는 말이 있다.

말하자면 이 宇宙는 時間과 空間이 함께 같이 어우러져 있는 것이라는 뜻이다.

英語의 코스모스(cosmos)나 유니버스(universe)라는 말에는 空間槪念만 있지 

時間槪念이 들어 있지 않지만, 東洋의 賢者들은 이처럼 明徹했던 것이다.

이 宇宙라는 4次元 時空間이 始作된 것이 약138億 光年 前이라는 計算書는 이미 나와 있다.

얼마 전까지만 해도 宇宙의 나이가 137億 光年이라 했지만, 유럽우주국(ESA)이 宇宙 誕生의

紀元을 찾기 위해 미국항공우주국(NASA)등과 협력해 2009년에 발사한 超精密 플랑크

宇宙望遠鏡의 觀測資料를 토대로 計算한 結果, 現在 宇宙의 나이가 지금까지 알려진 것보다

약8,000萬 光年 더 오래된 것으로 분석되어 138億 光年으로 상향 조정된 것이다.

이 宇宙 나이에 딴죽을 거는 과학자들은 거의 없다.

138億 光年 前 '原始의 우주알'이 大爆發을 일으켰고, 그 대폭발이 팽창을 거듭하여

오늘의 宇宙에 이르고 있다는 이른바 빅뱅宇宙論은 이제 大勢이자 常識이 되었다.

그런데 問題는 이 宇宙가 지금도 한 瞬間도 쉼 없이 계속 팽창하고 있다는 사실이다.

허블의 법칙에 따르면 天體의 後退 速度는 거리에 비례하여 빨라진다.

멀리 떨어진 천체일수록 더 빨리 멀어져간다.

그런데 천체가 멀어지는 것은 그 천체가 實際로 달아나는 것이 아니라,

천체와 천체 사이의 時空間이 擴張되는 것이라고 한다. 마치 고무풍선 위에 점들을 찍어놓고

바람을 불어넣으면 점들간의 사이가 멀어지는 現象과 같은 形局이라는 것이다. 그러니 宇宙 속의

모든 천체들은 서로 서로가 아무 期約도 없이 멀어져만 가고 있는 것이다.

어쨌든 우주망원경을 이용하여 觀測이 可能한 宇宙의 범위, 卽 크기는 약130億 光年이다.

허블 宇宙望遠鏡이 약130億 光年 거기까지 찍은 사진이 바로 위의 '허블 울트라 딥 필드'이다.​

이곳까지를 宇宙의 境界라고 한다면, 宇宙는 약130億 光年 以前에 生成된 것으로 볼 수 있다.

가장 멀리 떨어진 宇宙의 境界 地域은 最大의 速度인 빛의 速度로 멀어지고 있는 것이다. 따라서

130億 光年의 境界 近處에서 觀測된 天體들은 宇宙 誕生 初期의 모습을 그대로 간직하고 있을 것이다.

宇宙의 나이가 138億 光年이니까, 지금 宇宙의 크기는 반지름이 138億 光年이 된다는 뜻이다. 그렇다면

지름은 276億 光年이란 얘긴데, 인플레이션 宇宙論에 따르면, Big Bang 初期에는 빛의 速度보다 더욱

빠른 速度로 空間이 팽창했기 때문에 지금 宇宙의 지름은 약950億 光年에 이른다는 結論이다.

宇宙에서 가장 빠른 速度인 秒速 30萬㎞의 빛이 950億 光年을 달려가야 가로질러서 건너갈 수 있는

거리니 참으로 想想하기 힘든 宇宙의 크기이다. 이것이 천문학자들의 計算書에서 뽑아낸 現在 宇宙의

크기다. 천문학자들이 가장 애용하는 말은 '닥치고 計算'이라고 한다.

▲ 宇宙는 有限하지만 그 境界는 없다

結局 宇宙도 有限하다는 뜻이다. 현대 천문학은 宇宙의 構造에 대해 이렇게 말한다.

"宇宙는 有限하지만, 그 境界는 없다." 이 말은
宇宙의 지름이 950億 光年으로 宇宙는 有限하지만 그 宇宙의 境界는 없다는 뜻이다.

卽, 宇宙라는 4차원 時空間 속을 아무리 멀리 가더라도 그 끝에는 닿을 수가 없다는 뜻이다.

왜 그럴까? 宇宙라는 時空間은 巨大한 스케일로 휘어져 있기 때문에  中心이나 가장자리라는

槪念이 존재할 수 없기 때문이다.

이에 대해 현대 宇宙論者들은 다음과 같이 答한다.

宇宙는 3次元 時空間에 時間1次元이 더해진 4次元의 時空間으로 휘어져 있어서

中心도 없고 境界도 없다. 2次元 球面이 中心이나 境界가 없는 것과 같은 理致다.

조금 더 理解하기 쉽도록 地球라는 球面을 生覺해보자. 地球面 어느 地點도 中心點이랄 수 없지만, 모든

地點이 다 中心點이기도 하다. 그러므로 개미가 無限 時空間을 기어가더라도 이 地球面의 끝에 다다를

수가 없다. 그처럼 宇宙 역시 中心도 境界도 없다. 따라서 時空間 속의 모든 地點은 本質的으로 同等하다.

그런데 時空間이 휘어져 있다는 말은 도대체 무슨 뜻인가? 그것은 物質이 四次元 時空間이라는 宇宙에 

담겨있기 때문에 時空間을 휘게 하는데, 아인슈타인의 一般相對性 理論에 따르면 빛이 이 重力場을

지나 통과할 때 휘어진 時空間의 經路를 지난다고 한다. 이는 觀測으로도 立證된 事實이다.

아인슈타인은 빛의 進行 經路가 直線이 아니고 휘어진다면 이는 곧 時空間이 휘어져 있기 때문이라고

보았다. '빛의 經路는 時空間의 性質을 드러내준다'고 본 것이다. 그래서 아인슈타인은 "오직 빛만이

四次元  時空間인 宇宙의 本質을 밝혀주는 指標"라고 말했다. 요컨대 物質이 4次元 時空間인 宇宙를

휘어지게 한다는 말이다.

이처럼 宇宙라는 四次元 時空間은 휘어져 있기 때문에 無限 射程거리의 銃을 發射하면

그 총알은 宇宙를 한 바퀴 돌아서 쏜 사람의 뒤통수를 맞인다는 말이다. 단, 그 사람이

그때까지 살아 있기만 한다면 말이다.​

그래도 理解하기 어렵다면 次元을 낮춰서 뫼비우스 띠를 生覺해보면 된다.

3次元의 뫼비우스 띠는 面積은 있지만, 안과 밖의 境界는 없다.

만약 개미가 3次元의 뫼비우스의 띠의 表面을 따라 移動한다면

境界를 넘지 않고서도 原來 位置의 反對  面에 到達하게 된다.

이와 같이 宇宙는 3次元의 뫼비우스 띠라고 볼 수도 있다는 뜻이다. 無限히 巨大하게 휘어져있는

4次元 時空間인 宇宙라는 時空間이 우리에게 평탄하게 보이는 理由는 3次元의 存在인 우리가

巨大한 스케일로 휘어져 있는 4次元의 時空間인 宇宙를 知覺하지 못해서 그렇다는 말이다.

이처럼 巨大한 스케일로 휘어져 있는 4次元 時空間인 宇宙는 中心도 없고 가장자리 끝도 없는

4次元 時空間이다. 宇宙는 그 自體 가 안이자 同時에 밖이며, 中心이자 同時에 끝 가장자리이다.

이 事實이 宇宙라는 4次元 時空間이 우리가 接하는 다른 어떤 事物과 다른 點이다. 당신이 있는

지금 여기 이 瞬間 이 자리의 時空間이 宇宙의 中心이라 해도 틀린 말은 아닌 셈이다. 神 앞에서는

모든 것은 公平하다고 하는 말이 바로 이러한 事實을 두고 한 말인지도 모른다.

끝으로 어떤 이들은 宇宙에 대한 이러한  論議를 無益한 時間 虛費라고 투덜거리기도 하지만,

이런 투정에는 구구한 설명 대신 古今의 두 賢者가 한 말을 들려주는 것으로 가름하기로 하자.

"천문학은 우리 靈魂이 위를 바라보게 하면서 우리 靈魂을 이 世上에서 다른 世上으로 이끈다.'

-플라톤 (철학자)-

"宇宙를 理解하려는 努力은, 人間의 삶을 광대극 보다는 조금 나은 水準으로 높여주고,

 다소나마 비극적 품위를 지니게 해주는 아주 드문 일 중의 하나다.

-스티븐 와인버그 ('최초의3분'저자.물리학자)

이광식 통신원  joand999@naver.com


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