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혼돈에서 탄생한 우주

기원전 5세기에 아낙사고라스는 우주가 한 덩어리의 잠잠한 물질에서 시작되었고, 무한히 긴 세월 동안 아무 일도 없었지만 어느 순간, 정신(Mind, 아낙사고라스가 생각한 우주의 법칙)이 작용하기 시작해서 물질이 회전하기 시작하고, 그 결과 무거운 물질은 안쪽에 몰리고 가벼운 물질은 바깥쪽으로 밀려나가면서 분리된다고 설명했다.

사실, 이런 생각은 현대의 물리학자들이 생각하는 태양계의 생성 방법(먼지 구름이 회전하면서 원판형태가 되고, 물질들이 중력과 구심력에 의해서 곳곳에 모여서 태양계가 만들어졌다는)과 별로 다를 것도 없다. 아낙사고라스는 오로지 이성에 의한 사고와 상상력에만 의존해 이런 이론을 생각해 냈던 것이다.

역시 기원전 5세기의 철학자인 데모크리토스와 레오키푸스도 회전에 의해 원자가 뭉친 결과 물질이 만들어져 우주가 태어났다고 생각했다. 이들의 생각에 따르면 우주는 영원하고 무한히 큰 곳이다. (논리적으로) 우주에는 무한히 많은 원자가 있으므로 모든 물질을 구성하는 원자는 우주 어딘가에 있게 마련이므로 인간과 인간이 사는 세상이 존재하는 것은 전혀 특별한 일이 아니라 오히려 당연한 결과였다. 모든 것이 끊임없이 변화하므로 지금의 우주는 결국 해체되고, 불변의 존재인 원소는 새로운 우주의 재료가 될 것이었다.

이렇게까지 긴 시간을 가정하지 않아도, 별은 죽어도 원소는 재활용된다는 것은 사실이다.

르네 데카르트는 우주가 소용돌이이며, 우주에 퍼져있던 물질들이 소용돌이에 의해(나중에 중력이라고 부르게 된 것에 다름 아니다) 뭉쳐진다고 생각했다. 1687년, 뉴턴은 무한하고, 움직이지 않고, 모든 물질이 균일하게 분포한(전체적인 관점에서 본다면) 우주의 개념을 소개했다. 뉴턴이 생각한 우주는 중력에 의해 균형을 이루고 있지만 안정된 상태는 아니었다. 이 개념은 20세기에 이르기까지 받아들여졌으며 아인슈타인조차도 자신의 이론이 입증될 때까지 이를 진실로 간주했다.

오늘날 통용되는 이론

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 정적인 우주(static universe)가 존재하려면 약간의 속임수가 있어야 한다. 아인슈타인도 우주가 정적이라고 생각했기 때문에 방정식에 ‘우주상수(cosmological constant)’를 포함시켰다. 하지만 다른 과학자들이 방정식을 이해한 방법은 아인슈타인과는 달랐다.

러시아의 우주물리학자이며 수학자인 알렉산더 프리드먼은 1922년 아인슈타인의 방정식을 확장시켜 팽창하는 우주의 개념을 최초로 제시했지만, 이듬해 휴가 중 크림반도에서 장티푸스에 걸려 37세로 사망하는 바람에 그의 연구는 큰 주목을 받지 못했다. 아인슈타인을 포함한 소수의 학자들만이 그의 논문을 보았지만 아무도 그의 이론을 받아들이지 않았다. 하지만 아인슈타인은 프리드먼의 이론을 입증하는 결과가 발견되자 결국 자신의 이론인 ‘우주상수’를 포기하고 프리드먼의 이론을 받아들였다.

우리 은하 바깥에 있는 모든 은하가 우리 은하에서 멀어지고 있다는 사실은 미국의 천문학자 에드윈 허블에 의해 처음으로 확인되었다. 허블은 각각의 은하 스펙트럼을 분석하여 모든 은하가 적색이동을 한다는 사실을 확인했다. 이 결과는 우주가 팽창하고 있다는 증거로 받아들여진다.

아인슈타인은 프리드먼의 이론을 받아들이긴 했지만 우주가 빅뱅(Big Bang)이라고 불리는 대폭발 이후 계속 팽창만 하는 것이 아니라, 시간과 공간은 시작이나 끝이 없기 때문에(또는 무한히 많은 시작과 끝이 있기 때문이라고 생각해도 상관없다) 우주 자체의 중력에 의해 줄어들게 되는 대수축(大收縮, Big Crunch) 현상도 함께 반복할 것이라고 생각했다.

적색이동

별빛의 스펙트럼(파장의 분포)을 분석해보면 별이 지구에서 멀어지고 있는지, 가까워지고 있는지 알 수 있다. 별빛의 스펙트럼이 파장이 짧은 푸른빛 쪽으로 몰려있는 것을 청색이동(靑色移動, blue shift)이라고 하고, 반대로 파장이 긴 붉은빛 쪽으로 몰려있으면 적색이동(赤色移動, red shift)이라고 한다. 이 현상은 도플러(Doppler) 효과라고 불리는 것으로 빛뿐 아니라 소리에서도 일어난다.

경찰차의 사이렌 소리가 차가 다가올 때에는 더 높은 음으로 들리고, 멀어질 때는 더 낮은 음으로 들리는 것도 마찬가지 원리이다. 그런데 은하가 지구에서 멀어지고 있기는 하지만 허블이 발견한 은하의 적색이동은 도플러 효과에 의한 것이 아니라 우리 은하와 외부 은하 사이의 공간이 늘어나면서 나타나는 현상인 우주팽창 때문이었다.

이처럼 팽창된 공간을 통과하는 빛의 파장은 늘어난 공간으로 인해 길어지므로 지구에서 보기에는 빛의 스펙트럼이 파장이 긴 적색 쪽으로 밀려간 것으로 보이는 것이다. 결국 적색이동은 우주가 팽창하고 있다는 강력한 증거가 된다. 미국의 천문학자 베스토 슬라이퍼가 1917년 몇몇 은하의 적색이동을 최초로 관측했다. 그러나 적색이동이 우주 공간 전체에서 일어나고 있으며 먼 은하일수록 적색이동이 더 심하다는 것을 알아낸 것은 허블이었으며, 그는 이 내용을 《외부 은하의 속도와 거리 사이의 관계(Relation between distance and radial velocity among extragalactic nebulae)》라는 제목의 논문으로 발표했다.