[아하! 우주]‘우주의 끝’은 있을까? 알수록 놀라운 구조
지금까지 인류는 ‘우주는 끝’이 있는가 라는 질문의 답을 찾기 위해 노력해왔다. 이것은 인류의 두뇌를 오랫동안 괴롭혀온 질문으로, 우리가 우주에 대한 갖는 가장 큰 의문의 하나라는 데 이견이 없을 것 같다. 현대 천문학도 아직까지 이 질문에 명쾌한 답을 내놓지 못하고 있다.하지만 현대과학이 밝혀낸 한도 내에서나마 이 문제를 한번 풀어보도록 하자. 과연 우리가 살고 있는 이 우주는 끝이 있는가, 없는가? 우리가 무엇보다 먼저 알아야 할 것은, 우리는 어디까지나 유한한 3차원 공간에서 살고 있는 존재인 만큼 우리 주변에 무한한 것이라고는 없으며, 따라서 무한을 경험해본 적이 없다는 사실이다. 무릇 끝이란 말은 시작이 있다는 뜻이며, 그 끝에서 또 다른 무엇이 시작된다는 의미를 내포하고 있다. 현실세계에서 우리가 체험하는 모든 사물에는 시작과 끝이 있다. 즉 유한하다는 말이다. 무한이란 상상 속에 존재하는 관념일 뿐이다. 수소 원자의 경우, 1억 개를 한 줄로 죽 늘어세워도, 그 길이는 1㎝를 넘지 않는다. 이렇게 작은 원자도 전 우주의 삼라만상을 만드는 데 1079 개면 된다. 1구골(10의 100승) 에도 한참 못 미치고, 무한하고는 거리가 멀다. 그렇다면 우주라는 사물은 과연 어떤가? 끝이란 게 있는가? 우선 상식적으로 생각해볼 때, 이 우주에 끝이 있다는 것도 모순이요, 끝이 없다는 것도 모순으로 보인다. 우리의 경험칙으로 볼 때 끝이 없다는 상태도 상상하기 어렵고, 끝이 있다면 또 그 바깥은 무엇이란 말인가, 하는 질문이 바로 떠오른다.이것이 바로 우주 속에 인간이 처해 있는 상황이라 할 수 있다. 한 뼘도 안되는 인간의 두뇌에 어찌 한계가 없겠는가. ▲현재 우주의 크기는 950억 광년우리가 우주라 할 때, 그 우주에는 공간뿐 아니라 시간까지 포함되어 있다. 즉, 우주는 아인슈타인이 특수 상대성 이론에서 밝혔듯이 4차원의 시공간인 것이다. 우주라는 말 자체도 그렇다. 중국 고전 ‘회남자’(淮南子)에는 ‘예부터 오늘에 이르는 것을 주(宙)라 하고, 사방과 위아래를 우(宇)라 한다’는 말이 있다. 말하자면 이 우주는 시공간이 같이 어우러져 있다는 뜻이다. 영어의 코스모스(cosmos)나 유니버스(universe)에는 시간 개념이 들어 있지 않지만, 동양의 현자들은 이처럼 명철했던 것이다. 이 우주라는 시공간이 시작된 것이 약 138억 년 전이라는 계산서는 이미 나와 있다. 얼마 전까지만 해도 137억 년이라 했지만, 유럽우주국(ESA)이 우주 탄생의 기원을 찾기 위해 미국항공우주국(NASA) 등과 협력해 2009년에 발사한 초정밀 플랑크 우주망원경의 관측 자료를 토대로 계산한 결과, 우주의 나이가 지금까지 알려진 것보다 약 8000만 년 더 오래된 것으로 분석되어 138억 년으로 상향 조정된 것이다. 이 우주의 나이에 딴죽을 거는 과학자들은 거의 없다. 138억 년 전 ‘원시의 알’이 대폭발을 일으켰고, 그것이 팽창을 거듭하여 오늘에 이르고 있다는 이른바 빅뱅 우주론은 이제 대세이자 상식이 되었다. 그런데 문제는 이 우주가 지금도 쉼 없이 팽창을 계속하고 있다는 것이다. 허블의 법칙에 따르면 천체의 후퇴 속도는 거리에 비례하여 빨라진다. 멀리 떨어진 천체일수록 더 빨리 멀어져간다. 그런데 천체가 멀어지는 것은 그 천체가 실제로 달아나는 것이 아니라, 그 사이의 공간이 확대되는 것이라고 한다. 마치 풍선 위에 점들을 찍어놓고 풍선에 바람을 불어넣으면 점들 사이가 멀어지는 것과 같은 형국이라는 것이다. 그러니 우주 속의 모든 천체들은 서로가 서로에게 기약 없이 멀어져가고 있는 것이다. 어쨌든 망원경을 이용하여 관측이 가능한 우주의 범위는 약 130억 광년이다. 허블 우주망원경의 거기까지 사진을 찍은 것이 바로 위의 '허블 울트라 딥 필드'이다. 이곳까지를 우주의 경계라고 한다면, 우주는 약 130억 년 이전에 생성된 것으로 볼 수 있다. 가장 멀리 떨어진 우주의 경계 지역은 최대로 빛의 속도로 멀어지고 있다. 따라서 130억 광년의 경계 부근에서 관측된 천체들은 우주 탄생 초기의 모습을 그대로 간직하고 있을 것이다.우주의 나이가 138억 년이니까, 지금 우주의 크기는 반지름이 138억 광년이 된다는 뜻이다. 그렇다면 지름은 276억 광년이란 얘긴데, 인플레이션 우주론에 따르면, 초창기에는 빛보다 더욱 빠른 속도로 공간이 팽창했기 때문에 지금 우주의 지름은 약 950억 광년에 이른다. 우주에서 가장 빠른 초속 30만㎞의 빛이 950억 년을 달려가야 가로지를 수 있는 거리니 참으로 상상하기 힘든 크기다. 이것이 천문학자들이 계산서에서 뽑아낸 현재 우주의 크기다. 그들이 가장 애용하는 말은 '닥치고 계산'이라고 한다. ▲유한하지만 경계는 없다 결과적으로 우주도 유한하다는 뜻이다. 현대 천문학은 우주의 구조에 대해 이렇게 말한다. “우주는 유한하지만, 그 경계는 없다.” 우주의 지름이 950억 광년으로 유한하지만, 경계는 없다는 뜻이다. 곧, 아무리 가더라도 그 끝에 닿을 수가 없다는 뜻이다. 왜? 우주라는 시공간은 거대한 스케일로 휘어져 있어 중심이나 가장자리란 게 존재하지 않기 때문이다.이에 대해 현대 우주론자들은 다음과 같이 답한다. 우주는 3차원 공간에 시간 1차원이 더해진 4차원의 시공간으로 휘어져 있어 중심도 경계도 없다. 2차원 구면이 중심이나 경계가 없는 것과 같은 이치다.조금 더 이해하기 쉽도록 지구라는 구면을 생각해보자. 어느 지점도 중심이랄 수 없지만, 모든 지점이 다 중심이기도 하다. 그러므로 개미가 무한 시간을 걸어가더라도 이 구면의 끝에 다다를 수 없다. 그처럼 우주 역시 중심도 경계도 없다. 따라서 공간 속의 모든 지점은 본질적으로 동등하다. 그런데 공간이 휘어져 있다는 것은 도대체 무슨 뜻인가? 그것은 우주가 물질을 담고 있기 때문에 시공간을 휘게 하는데, 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 빛이 이 중력장을 지날 때 휘어진 경로를 지난다고 한다. 이는 관측으로도 입증된 사실이다. 아인슈타인은 빛의 경로가 직선이 아니고 휘어진다면 이는 곧 공간이 휘어져 있기 때문이라고 보았다. '빛의 경로는 공간의 성질을 드러내준다' 고 본 것이다. 그래서 아인슈타인은 ‘오직 빛만이 우주공간의 본질을 밝혀주는 지표’라고 말했다. 요컨대, 물질이 공간을 휘게 한다는 것이다. 이처럼 우주의 시공간은 휘어져 있기 때문에 무한 사정거리의 총을 발사하면 그 총알은 우주를 한 바퀴 돌아 쏜 사람의 뒤통수를 때린다는 것이다. 그 사람이 그때까지 살아 있기만 한다면 말이다. 그래도 이해하기 어렵다면 차원을 낮추어 뫼비우스 띠를 생각해보면 된다. 2차원의 뫼비우스 띠는 면적은 있지만, 안팎의 경계는 없다. 만약 개미가 뫼비우스의 띠를 따라 표면을 이동한다면 경계를 넘지 않고도 원래 위치의 반대 면에 도달하게 된다. 이와 같이 우주는 3차원의 뫼비우스 띠라고 볼 수 있다는 뜻이다. 우주 공간이 우리에게 평탄하게 보이는 것은 3차원의 존재인 우리가 거대한 스케일로 휘어져 있는 4차원의 시공간을 감득치 못해서 그렇다는 얘기다. 이처럼 우주는 중심도 가장자리도 없는 4차원 시공간이다. 우주는 그 자체로 안이자 밖이며, 중심이자 끝이다. 이것이 우주가 우리가 접하는 다른 어떤 사물과 다른 점이다. 지금 당신이 있는 공간이 우주의 중심이라 해도 틀린 말은 아닌 셈이다. 신 앞에 모든 것은 공평하다고 하는 것이 바로 이를 두고 한 말인지도 모른다. 끝으로 어떤 이들은 우주에 대한 이 모든 논의를 무익한 시간낭비라고 투덜거리기도 하지만, 여기엔 구구한 설명 대신 고금의 두 현자가 한 말을 들려주는 것으로 가름하기로 하자. '천문학은 우리 영혼이 위를 바라보게 하면서 우리를 이 세상에서 다른 세상으로 이끈다.' -플라톤(철학자)'우주를 이해하려는 노력은, 인간의 삶을 광대극보다는 조금 나은 수준으로 높여주고, 다소나마 비극적 품위를 지니게 해주는 아주 드문 일 중의 하나다. -스티븐 와인버그('최초의 3분' 저자. 물리학자)이광식 통신원 joand999@naver.com
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