우리 인간이 속한 가장 큰 구조가 우주입니다. 우주는 수백만개의 은하로 구성되어 있고 대개 은하는 약 1000억개 정도의
별들로 구성되어 있습니다.
4. 우주를 어떻게 볼 것인가?
* 이 내용은 스티븐 호킹 박사가 쓴 "간단한 시간의 역사(A Brief History of Time)"의 일부를 풀어 쓰려고 노력한 것이다. 저자의 의도가 어긋나지 않았으면 한다.
어떤 유명한 과학자(어쩌면 러셀 경)가 대중집회에서 천문학에 관한 강의를 했다. 그는 지구가 어떻게 태양궤도를 돌고 있으며 해가 또한 어떻게 은하계라고 불리는 별들의 중심을 돌고 있는가 하는 것을 설명했었다. 강연이 끝나자 제일 뒷자리에 앉았던 키가 작은 할머니가 말했다.
「당신이 강의한 내용은 쓰레기입니다. 이 땅은 큰 거북이가 이고 있는 접시 같이 평평한 것인 줄 모르시오?」
강연자는 크게 웃으며 말했다.
[그럼 그 거북이는 무엇을 버티고 서 있나요?」
「참 젊은이는 영리하군. 정말 영리해」 그러면서 말했다. 「그 거북이는 또 다른 거북이가 이고 있지」
요즘 많은 사람들은 무한히 높은 거북이의 탑 위에 지구가 걸쳐 있는 것을 우습게 생각할 것이다. 그렇다면 우리가 그 할머니보다 우주를 더 잘 알고 있다고 생각하는 근거는 무엇인가? 우주는 어떻게 만들어졌는가? 어떻게 그것을 아는가? 우주는 시작이 있었는가? 그렇다면 시작 전에는 무엇이 있었는가? 끝날 때가 있는가? 시간을 되돌려 과거를 볼 수 있는가? 최근 과학의 놀라운 발달과 환상적인 기술의 발달로 이런 오랜 질문에 일부는 대답을 할 수 있게 되었다. 언젠가는 이런 대답이 지구가 해를 도는 것처럼 자명한 것이 될 수도 있고 또 어쩌면 거북이 탑 위의 지구를 설명하는 것처럼 우스꽝스러운 대답이 될 수도 있을 것이다. 어떤 결과가 되든 그것은 역사가 말해 줄 것이다.
주전 340년경에 벌써 그리스의 철학자 아리스토텔레스는 지구가 평평하지 않고 둥글다는 이야기를 믿을 수 있게 "우주에 관하여"라는 책에 써 놓았다. 첫째 반달이 되는 것은 지구가 해와 달 사이에 끼여들었기 때문에 그런 초생달이 생긴다는 것이었다. 둘째는 북극성이 남쪽에서 보면 지평선 쪽에서 보이고 북쪽에서 보면 하늘 한 가운데 있게 보인다는 것이다. (북극 쪽에서 보면 바로 하늘 위에서 보이지만 적도 쪽에서 보면 지평선 쪽에 보이기 때문) 셋째는 돛단배가 멀리서 항구로 들어오는 것을 보면 돛 위쪽부터 차쯤 보이기 시작하기 때문이라는 것이다.
아리스토텔레스는 지구는 부동이며 해와 달과 행성들이 지구를 원운동을 하며 돌고 있다고 주창했다. 무슨 이유에서인지 지구는 우주의 중심에 있고 원은 완전한 것이기 때문에 위성들은 원운동을 한다고 생각했던 것이다. 타원은 원이 찌부러진 것이며 완전한 하나님은 그렇게 타원운동을 하도록 창조하지 않았다고 생각한 것 같다. 이런 생각은 2세기에 프톨레마이오스에 의해 더 확실하게 정립되고 지구 주위를 달(月), 수성(水), 금성(金), 해(日),화성(火), 목성(木), 토성(土)(지금의 일주일은 일, 월, 화, 수, 목, 금, 토이다)이 돌고 그 위에는 움직이지 않는 항성이 위치를 변하지 않고 자리하고 있으며 한꺼번에 하늘을 돌고 있다고 생각했다. 항성밖에는 무엇이 있는가? 분명한 설명이 없지만 그것은 인간이 관측할 수 있는 우주 밖의 세상이라고 생각했던 것 같다.
프톨레마이오스의 우주 모델은 하늘에 있는 천체의 위치를 비교적 정확하게 예상해 주고 있다. 그러나 이 위치를 정확하게 예측하기 위해서 프톨레마이오스는 이 행로를 따르는 달은 때로 다른 때보다 두 배나 지구 가까이 온다는 것을 가정해야 했다. 그는 이것을 알고 있었다. 그러나 이 모델은 일반적으로 당대에 수용되어 있던 가설이었다. 기독교 교회들에서는 우주에 대한 이 모델이 성서와 일치함으로 받아들여졌는데 아마 항성 위에 지옥과 천당을 수용할만한 공간이 있었으므로 그리했던 것 같다.
그러나 이보다 더 간단한 모델은 1514년 폴란드의 사제인 코페르니쿠스에 의해 제안되었다.(처음 논문은 아마 이단으로 교회에서 화형에 처해질 것을 두려워해서 익명으로 회람하였음) 그의 생각은 태양은 중심에서 움직이지 않고 지구와 다른 행성들이 돈다고 생각했다. 그러나 이 생각이 심각하게 검토된 것은 거이 100년이 지나서였다. 두 천문학자- 독일의 케플러와 이태리의 갈릴레이-가 비록 공전궤도가 관찰 결과와 꼭 맞지는 않았지만 코페르니쿠스의 지동설을 지지했다. 1609년은 아리스토텔레스/프톨레마이오스의 이론에 심한 충격이 온 해였다. 이 해에 갈릴레이는 자기가 발명한 망원경으로 밤하늘을 관측하기 시작했다. 그가 목성을 관측했을 때 이 행성 주변을 돌고 있는 몇 개의 위성을 발견하게 되었다. 이 현상은 바로 모든 행성들이 아리스토텔레스나 프톨레마이오스가 생각한 것처럼 지구를 돌고 있지 않다는 것을 말해 주는 것이었다. (물론 지구는 우주의 중심에 있고 목성이 심히 복잡한 궤도를 돌고 있다고 생각할 수도 있었다. 그러나 코페르니쿠스의 이론은 이를 설명하기에 훨씬 단순했다.) 동시에 케플러는 행성이 태양 주변을 타원을 그리며 돈다고 말함으로 코페르니쿠스의 이론을 더욱 뒷받침한 것이다. 그리고 이 예측은 관측 결과와 일치했다.
케플러의 타원궤도는 단순히 임시적인 가설이었지만 현존하는 완전한 원의 가설을 뒤집는 혁명적인 발언이었다. 우연히 타원궤도가 관측치와 일치한다는 것을 알게 된 것이었다. 그러나 그는 행성들이 태양 주변을 왜 어떻게 해서 돌고 있는 지는 설명할 수가 없었다. 이 설명은 1687년 뉴턴의 "자연철학의 수학적 해석(프린키피아)"이 출판 된 뒤의 일이다. 이 책은 단일 저서로는 물리학계에서 그 때까지 출판된 가장 위대한 것이었다. 여기에서 뉴턴은 시공간에서 어떻게 천체가 움직이느냐 하는 문제 뿐 아니라 이 운동들을 해석하는 복잡한 수학을 발전시켰다. 덧붙여서 만유인력의 법칙을 가정했다. 즉 이 법에 의하면 우주에 있는 각 물체는 서로 끌어당기고 있으며 그 힘은 질량이 클수록 크며 가까울수록 크다는 것이다. 바로 이 힘이 지구에 물체가 떨어지게 하는 것이었다. 뉴턴은 더 나아가 이 만유인력이 달이 지구를 타원궤도로 돌게 하고 있으며 지구와 행성들이 태양 주위를 타원궤도로 돌게 하고 있다는 것을 보여 주었다.
코페르니쿠스의 모델은 프톨레마이오스의 천체를 몰아냈지만 우주는 자연적인 경계가 있다(유한하다)는 것을 가정한 것이었다(태양을 중심으로 행성들이 다 돌고 있으므로). 항성은 지구가 축을 중심으로 자전하므로 하늘을 도는 것처럼 보인다고 설명한 것을 빼고는 프톨레마이오스의 모델처럼 항성은 그 자리에 있는 것처럼 보여서 우주의 경계를 이루고 있다고 자연스럽게 생각할 수 있게 되었다.
뉴턴은 그의 중력의 이론에 의하면 별들은 서로 당기고 있으며 따라서 그들은 움직이지 않고 가만히 있을 수는 없다고 생각했다. 서로 당기고 있으므로 그들은 결국 어떤 한 자리로 떨어지는 것이 아닐까? 1691년 당대의 주도적인 사상가인 리처드 벤틀리(Richard Bentley)에게 보낸 편지에서 뉴턴은 만일 유한한 공간에 유한한 별들만 있다면 이런 일은 꼭 일어나고 말 것이라고 썼다. 그러나 이와 반대로 무한히 많은 별들이 무한히 큰공간에 거의 균형 있게 배치되어 있다면 이런 일은 생기지 않을 것이라는 이론도 폈다. 왜냐하면 어느 한 곳에 떨어질 그런 중심(there would not be any central point for them to fall to)이 없기 때문이라는 것이었다.
이런 논쟁은 우리가 무한을 말할 때 언제나 빠지기 쉬운 함정이다. 우주가 무한하다고 하면 모든 점들은 각각 중심이라고 생각 할 수 있다. 왜냐하면 모든 점들의 좌우 상하에는 언제나 무한히 많은 별들이 있기 때문이다. 이에 대한 올바른 접근 방법은 먼저 유한개의 별이 있어서 서로를 향해 떨어지는 경우를 먼저 생각해 보는 일이다. 이 때 만일 무한히 많은 별들이 우주 공간에 균등하게 분포되어 있다면 어떻게 될까? 뉴턴의 만유인력 설에 의하면 별이 더 많이 생겼다고 변화할 것은 없다. 그들은 더 빨리 부딪쳐 떨어질 것이다. 우리가 원하는 만큼 더 별을 추가한다할지라도 또 서로 부딪쳐 떨어지게 된다. 만일 만유인력이 끌어당기기만 한다면 우주에 변함없는 별들이 언제나 분포되어 있다는 모델은 생각할 수가 없다.
이상한 것은 20세기가 되기까지 아무도 우주가 팽창한다던가 수축하리라는 생각은 일반적으로 해본 일이 없다는 것이다. 일반적으로 받아드려지고 있었던 생각은 우주는 변함없는 상태로 영원히 존재하거나 우리가 지금 보고 있는 그대로 한정된 시간에 창조되었다고 믿고 있었던 것이다. 이런 이유는 사람들이 영원한 진리를 믿고 싶어하고 또 비록 사람들은 늙고 죽지만 우주는 영원하고 불변한다고 편하게 믿고 싶었던 때문이 아닐까 생각한다. 뉴턴의 만유인력이 이 우주의 별들을 정적인 상태로 놓아 둘 수 없다는 것을 믿고 있는 사람들까지도 우주가 팽창하리라는 생각까지는 하지 못했다. 대신 그들은 만유인력의 법칙을 좀 수정해서 매우 먼 거리 사이에 있는 물체 사이에는 척력(반발하는 힘)이 있다고 말하고 싶었던 것이다. 이렇게 척력이 있다고 가정해도 우주의 상태에는 변함이 없었던 것이다. 가까운 거리에서는 인력이 작용하고 먼 거리에서는 척력이 작용하여 척력과 인력이 밸런스를 유지하여 별들을 그 자리에 있을 수 있게 할 수 있기 때문이다. 그러나 우리는 그런 균형은 매우 불안정하다는 것을 안다. 만일 어떤 영역에 있는 별들이 좀 가까워지기만 하면 인력이 척력보다 커져서 그들은 서로 부딪쳐서 떨어지고 만일 조금 멀어지기만 하면 척력이 인력보다 커져서 아주 멀리 가버릴 수밖에 없기 때문이다.
또 다른 무한히 많은 별들로 된 정적인 우주가 있을 수 없다는 것은 1823년에 독일의 철학자 하인리히 올버(Heinrich Olbers)에 의해 잘 설명되었다. 사실 뉴턴 당시의 많은 사람들은 올버의 논문이 아니더라도 이런 문제에 대해 여러 의의를 제기했었다. 그러나 그의 논문에 의해 이 문제가 널리 알려진 것은 사실이다. 문제는 무한히 많은 별들이 옛날부터 지금까지 변하지 않고 그 자리에 있다면 그 별빛 때문에 우주는 밤에도 대낮처럼 밝을 수밖에 없다. 올버의 이론은 오래 전부터 변하지 않고 있는 별이 밝지 못한 것은 먼 별에서 오는 별빛은 오는 동안에 간섭하는 물질에 의하여 흡수되어 희미해진다는 것이다. 그러나 그것이 사실이라면 이 간섭하는 물질은 결국 별의 빛 에너지 때문에 뜨거워져서 별처럼 밝은 빛을 낼 수밖에 없다. 따라서 밤하늘이 대낮처럼 밝지 않으려면 별들이 과거의 어떤 유한한 시간 동안만 빛을 내고 있었다고 가정할 수밖에 없다(The only way of avoiding the conclusion that the whole of the night sky should be as bright as the surface of the sun would be to assume that the star had not been shining forever but had turned on at some finite time in the past.) 그럴 경우에는 중간 간섭 물질도 뜨거워질 리도 없으며 먼 곳에 있는 별빛은 우리에게까지 오지 않을 수도 있다. 이제 남은 문제는 그렇다면 애당초 별이 빛을 내기 시작하도록 한 것은 무엇인가 하는 문제다.
물론 우주의 시작은 오래 전부터 논의해 온 바다. 많은 초기 우주론자들이나 유대/ 기독교/ 모슬렘 전통에 의하면 우주는 시작이 있었고 그것도 그리 오래 전이 아니었다고 말하고 있다. 사람들은 그런 시작은 반드시 "제일 원인/기동자"가 있어야 한다고 말한다. (우주에서 일어나는 모든 것은 그 원인을 찾아낼 수 있다. 그러나 우주 자체의 생성은 어떻게 설명해야 하는가? 처음 시작을 있게 한 "제일원인"이 있어야 한다.) 다른 또 하나의 논의는 "하나님의 도성"이라는 책에, 성 아우구스티누스가 쓴 것인데 그는 문명이란 진보하고 우리는 이일을 누가 추진했으며 누가 그 기술을 발전 시켰는가를 기억한다. 이와 같이 인간 또는 우주는 그렇게 오래 전에 존재한 것은 아니다. 성 아우구스티누스는 우주의 창조는 창세기에 의하면 약 주전 5000년경이라고 말했다.
반면, 아리스토텔레스나 대부분의 그리스 철학자들은 창조설을 이야기하는 것을 좋아하지 않았다. 그것은 신의 영역에 간섭하는 일이 되기 때문이다. 다만 그들은 인류와 세상은 존재했으며 앞으로 영원히 존재할 뿐이라고 말했다.
우주가 한정된 시간과 공간 안에 시작되었느냐 그렇지 아니하였느냐 하는 문제는 독일의 이마누엘 칸트(Immanuel Kant)가 1781년에 출판한 대 저서 "순수이성비판"에 다음과 같이 말하고 있다. 그는 이런 논의는 이율배반이라고 말했다. 왜냐 하면 그는 어느 쪽도 이유가 있는 논제이 때문이다. 우주가 시작이 있다는 명제를 정(正/正立)이라 한다면 우주는 영원부터 영원까지 존재한다는 명제는 반(反/反定立)에 속한다. 우주가 시작이 있다고 믿는 이유는, 우주가 시작이 없었다면 창조 전에 벌써 무한히 긴 시간이 있었다는 이야기인데 이는 우스꽝스러운 주장이다. 또 우주는 시작이 없었다고 믿는 이유는, 만일 우주에 시작이 있었다면 그 전에 무한히 긴 시간이 있었다는 이야기인데 왜 하필이면 그 특정한 시간에 우주를 만들었는지 그 특정한 시간을 설명할 수가 없다. 그런데 잘 따지고 보면 그 두 논법은 다 같은 것이다. 다시 말하면 어느 편이나 다 시간은 뒤로 영원히 계속된다는 무언의 가정 하에 논쟁을 하고 있는 것이다. 그러나 시간의 개념이란 우주가 시작되기 전에는 아무런 뜻이 없다. 이것은 성 아우구스티누스도 지적한 바다.
"하나님은 세상을 만들기 전에는 무엇을 하고 계셨나요"
하고 그에게 물었을 때 그는
" 하나님께서는 그런 질문을 하는 사람들을 위해 지옥을 만들고 계셨습니다."
라고 대답하지 않고 시간은 하나님이 창조한 우주에 속한 것이며 우주가 시작되기 전에는 없었다 라고 대답했다. 시간은 우주밖에 있는 것이 아니고 우주가 있기 전에는 시간의 존재는 뜻이 없다.
사람들이 우주는 근본적으로 불변이며 정적(靜的)이라고 믿고 있는 한 우주에 시작이 있었는가 또는 없었는가 하는 질문은 형이상학이나 신학이 대답할 문제이다. 우리가 관측한 것에 대하여 우주는 영원 전부터 존재했다고 할 수도 있고 영원 전부터 존재했다고 느끼도록 어떤 한 순간에 창조되었다고 할 수도 있다. 그러나 1929년 에드윈 허불(Edwin Hubble)은 획기적인 관측을 했는데 그에 의하면 우리가 어느 지점에서 관측을 하든 원거리에 있는 별들은 계속 멀어져가고 있다는 것이다. 다시 말하면 우주는 팽창하고 있다는 말이다. 이 말을 바꾸어 말하면 아주 옛날에는 별들은 서로 아주 가까이 있었다는 이야기도 된다. 실제로 약 20억 년쯤 전에는 별들은 정확히 한 점에 있었을 지도 모르며 따라서 그 한 점은 밀도가 무한했을 것이라고 상상할 수 있다. 이 발견은 우주의 시초에 관한 문제를 현실적인 과학의 영역으로 가져 온 것이다.
허블의 관측에 의하면 우주가 무한히 작고 밀도가 무한히 큰 한 점으로 되어 있던 때가 있었으며 그 때가 바로 소위 빅뱅(Big Bang)이라는 대 폭발이 일어났던 때이다. 이런 시점에 이르면 모든 과학적인 법 또는 미래를 예측하는 과학적인 능력은 무력할 수밖에 없다. 이 점은 특이점(特異点)이라고 부를 수 있으며 이점 근방은 이성으로 설명할 길이 없다. 즉 무슨 사건이 일어난다 할지라도 일어나고 있는 일들은 설명할 수가 없다. 대폭발 전의 사건들은 알 수 없으며 생각하지 않아도 된다. 그 이유는 그 전의 일들은 지금 일어나고 있는 일들을 설명할 수 있는 하등의 원인도 제공하지 않기 때문이다. 이렇게 그전 시간이 무의미하며 정의될 수 없다면 우주는 대폭발로 시작되었다고 해도 괜찮을 것이다. 이렇게 따져서 말하는 우주가 시작된 시간은 지금까지 논의해 오던 우주의 시작과는 매우 다르다. 지금까지는 우주는 영원부터 영원까지 불변이며 정적이라는 가정 하에서의 우주의 시작을 말했는데 이런 시간은 우주 와 관계없이 주어진 시간이다. 우주가 불변인데 언제 시작했던 무슨 상관인가? 하나님이 어느 특정시간에 창조했다고 상상할 수도 있다. 그러나 한편 우주가 계속 변하며 팽창하고 있다고 생각해보자. 그 때는 우주가 시작되었을 시간에 과학적 이유가 있다. 사람들은 하나님이 우주를 창조하되 대폭발의 시점에 창조했다고 할 수도 있으며 비록 그 뒤라 할지라도 그 전에 대폭발이 있었던 것처럼 생각하도록 창조할 수 있다. 그러나 대폭발 전의 시간은 무의미하다. 우주 팽창설은 꼭 조물주가 있었다는 것을 부정하지 않는다. 그러나 그 시기를 대폭발 전까지 가져 갈 수는 없다.
우주의 성격을 말하거나 그것에 시작이 있고 끝이 있느냐 하는 문제를 다루는 과학적인 이론이 어떤 것인가 하는 것에 대해서는 이를 좀 더 분명히 할 필요가 있다. 우주의 모델에 대한 이론과 우주모델에 대한 제한 또는 우리가 관측하고 있는 정량적인 모델들을 좀 단순화해서 생각해 볼 필요가 있다. 이런 모델들은 우리 마음에만 있고 실제에는 없는 것일 수도 있다. 그러나 어떤 것이 더 좋은 모델인가 하는 것은 생각할 수 있다. 좋은 모델이란 다음 두 가지를 만족할 때이다. 첫째는 그것이 대부분의 관측결과와 정확하게 일치하는 모델을 가지고 있으며 예외는 극히 드문 경우이다. 둘째는 그 모델이 앞으로 일어날 일에 대해 분명한 예측을 할 수 있을 때이다. 예를 들면 아리스토텔레스는 모든 물질은 물, 불, 공기, 흙의 네 원소로 되어 있다는 엠페도클레스의 이론을 믿었다. 이것은 매우 단순하고 좋다 그러나 이 이론이 미래의 어떤 것을 예측하는가? 한편 뉴턴의 만유인력의 법칙은 두 물체는 그들의 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하는 힘이라고 더욱 단순한 법을 내놓았다. 그런데 이 법칙은 해의 운동과 달의 운동과 행성들의 운동을 정확하게 예측하고 있다. 결국 뉴턴이 자연을 설명하는 더 좋은 모델을 내놓고 있다.
모든 물리학적인 정리는 잠정적이다. 그것은 가설에 불과하기 때문이다. 아무리 여러 관측치가 이 정리와 일치한다고 할지라도 누가 다음 번 실험에서 이 법이 맞지 않다고 말하게 될 지 알겠는가? 이런 정리는 단 한 가지만이라도 맞지 않은 반예(反例)를 제공함으로 무효화 할 수가 있다.
과학철학자 칼 포퍼(Karl Popper)가 강조했던 것처럼 좋은 정리란 그것이 많은 실험 결과로 잘못이 밝혀지든지 무효화될 수 있는 많은 예측을 내포하고 있는 것을 말한다. 새롭게 실험을 할 때마다 그 예측이 이론과 일치하면 이 정리는 살아남고 예측이 실험결과와 일치하지 않으면 정리는 폐기되거나 수정보완 된다. 실제적으로는 새로운 정리는 앞에 있던 정리의 확대 및 일반화로 이루어진다. 예를 들면 행성인 수성의 예리한 관측은 그의 운동과 뉴턴의 만유인력 법칙이 예측한 결과 사이에 사소한 차이점이 있다는 것을 보여주었다. 그러나 그 차이점은 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로는 잘 설명이 된다. 즉 아인슈타인의 예측은 우리가 관측한 것과 일치하나 뉴턴의 예측은 일치하지 않는다는 이야기다. 그렇다면 뉴턴의 이론은 폐기되고 아인슈타인의 이론으로 대체 되어야 하는가? 물론 뉴턴의 예측이 관측치와 일치하지 않을 때 새로운 이론이 나왔다. 그러나 거의 모든 실제적인 현상에 지금도 뉴턴의 이론을 적용하고 있다. 이유는 아인슈타인과 뉴턴의 예측은 그 차이가 미세하며 뉴턴의 정리는 아인슈타인의 것에 비해 훨씬 간소하기 때문이다. 결국 구 모델은 폐기된 것이 아니라 새로운 모델로 보강된 것뿐이다.
과학의 종국적인 목표는 온 우주를 다룰 수 있는 유일한 정리를 찾아내는 일이다. 이에 대한 과학자들의 실제적인 접근은 두 종류로 분류된다. 첫째는 시간과 함께 우주가 어떻게 변하고 있는가 하는 것을 예측할 수 있는 정리를 찾는 일이고(우리가 어느 한 순간에 우주의 상태가 어떤가 하는 것을 알면 이 법은 이 뒤 특정한 시간에는 우주가 어떻게 변해 있는 가 하는 것을 예측할 수 있게 해 준다) 둘째는 우주가 언제 시작되었는가 하는 것을 문제 삼는 일이다. 어떤 사람들은 과학이 할 수 있는 일은 첫째 경우라고 말한다. 언제 우주가 시작되었는가 하는 것은 형이상학이나 종교에 맡겨 두면 된다고 생각한다. 또 하나님은 전지 전능하기 때문에 그분은 자신이 원하는 대로 시작할 수 있었을 것이라고 생각한다. 그럴 수도 있었을 것이다 .그러나 그렇다면 하나님은 우주가 제멋대로 발전하도록 만들었다는 말인가? 하나님은 주사위를 던져 세상을 운행하시지는 않으실 것이다. 사실 우주는 어떤 규칙적인 법에 따라 발전하고 있는 것처럼 보인다. 그런 규칙적인 법이 있다면 우주의 시작도 이 법에 따르지 않겠는가?
이 우주를 다스리는 단 하나의 이론을 찾는 다는 것은 심히 어려운 일이다. 따라서 우리는 문제를 나누어서 조각 조각을 다스리는 법을 찾아낸다. 각 정리들은 관측하는 한정된 영역을 설명하고 예측한다. 이 때 다른 영역은 무시한다. 그러나 이러한 접근 방법은 사실은 잘 못된 것이다. 우주에 있는 모든 현상들이 근원적인 것과는 상관없이 파편적인 정리에만 의존하고 있다면 고립된 분야의 문제들을 관측함으로 종합적인 해결을 찾을 수는 없는 일이다. 그럼에도 불구하고 이런 일들이 과거에 과학을 발전시켜온 방법이었다. 고전적인 예로는 뉴턴의 만유인력에 관한 이론이다. 만유인력의 법칙은 두 물체간에 작용하는 중력이란 오직 두 물체가 가지고 있는 질량이라는 숫자에만 의존하고 이 물체가 무엇으로 만들어 졌느냐 하는 것과는 아무 상관이 없다. 따라서 과학자는 행성의 궤도를 계산하기 위해서 해와 행성의 구조나 상호관계 같은 것은 알 필요도 없다. 오직 그 질량만이 운동 방식을 결정한다.
현대에 와서는 과학자들은 우주를 두 개의 부분적인 정리로 설명한다. 하나는 일반 상대성 이론이고, 또 하나는 양자역학이다. 이 두 가지는 20세기 초반부의 가장 위대한 지적인 성취였다. 일반 상대성 이론은 중력과 우주의 큰 규모의 구조를 설명한다. 큰 규모란 수 마일부터 10의 24승 규모의 거리까지의 우주를 말한다. 그러나 양자 역학은 극히 작은 규모의 현상을 취급한다. 작은 규모란 1 인치의 10억 분의 1정도까지의 거리를 말한다. 불행하게도 이 두 이론들은 서로 겹쳐지는 부분이 없다. 즉 둘 다 함께 옳다고 할 수가 없다. 현대 과학의 큰 과제는 이 두 이론을 어떻게 하나로 묶어 "중력의 양자역학적 정리"와 같은 것을 찾아내느냐 하는 일이다. 그러나 지금까지 그런 정리는 없으며 이런 정리의 출현은 앞으로도 요원하다. 그러나 우리는 부분적으로 양 쪽 이론에 관한 많은 것들을 알고 있다.
우리가 분명 우주는 임의로 창조되지 않았으며 어떤 일정한 규칙 하에 움직이도록 만들어졌다고 확신한다면 언젠가는 조각난 이 두 정리를 하나로 만들어서 우주의 모든 것을 설명할 수 있게 될 것이다. 그러나 우주의 모든 것을 설명하게 될 하나의 통일된 이론을 찾는다는 것에는 근본적인 역설이 있다. 이런 과학적인 아이디어를 생각해 낼 수 있기 위해서 우리는 모두 이성적인 존재이며 우리가 원하는 대로 우주를 살필 수 있으며 우리가 본 것으로부터 논리적으로 바른 연역을 할 수 있다는 것을 가정해야 한다. 그런 일을 가정한다면 우리는 우주를 다스리는 법에 더욱 가까워질 수 있을 것이다. 그러나 정말 그런 완전히 통일이 된 이론이 존재한다면 그것은 또한 우리들의 행위와 사고의 결과까지도 결정할 수밖에 없을 것이다. 그래서 그 유일한 법이 우리가 찾고자 하는 법까지도 스스로 찾아내게 된다. 이 때 그 통일된 법이 가져오는 예측이 반드시 주어진 정황에 옳은 결론을 가져온다고 말할 수 있을까? 어쩌면 틀린 판단을 가져올 수도 있지 않을까? 또는 아무런 결론도 안 가져오도록 결정하는 것은 아닐까?
여기서 논리적으로 설명할 수 있는 가능한 한 가지 답은 다윈의 자연선택(natural selection)의 원칙이다. 그 원칙이란 어떤 자기 재생적 생물체이든 그 인구 분포는 각 개체가 가지고 있는 유전적 물질과 성장상태에 따라 다양하다. 즉 어떤 개체는 그들 주변에 있는 환경에 대해 다른 종보다 바른 결론을 내리고 이에 적응해서 행동한다는 것이다. 이런 개체는 더 잘 계속 생존하고 번식하며 따라서 그들의 행동과 사고 패턴이 우세하게 된다. 과거에 소위 우리가 말하는 지성과 과학적 발견이 생존에 유익한 위상을 차지했다는 것도 사실인 것을 우리는 안다. 그러나 이것이 앞으로도 그렇게 될 것인지는 분명하지 않다. 우리의 과학적인 발견이 우리를 파멸시킬지도 모른다. 그렇지는 않다 하더라도 완전한 통일 이론이 우리의 생존을 보장하는데 아무런 기여를 하지 않을 지도 모른다. 그러나 우주가 규칙적으로 발전해 나간다면 자연선택의 원리가 우리에게 유리한 추리능력을 주어서 완전한 통일 이론을 찾는데 결국 도움을 줄지도 모른다. 그리해서 우리에게 바른 결론을 가져오도록 할지도 모른다.
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우리 인간이 속한 가장 큰 구조가 우주입니다. 우주는 수백만개의 은하로 구성되어 있고 대개 은하는 약 1000억개 정도의
별들로 구성되어 있습니다. |
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시간과 공간
등속도 운동을 하는 열차 내에서 탁구를 칠 때 우리는 지상에서 탁구를 칠 때처럼 탁구공이 뉴턴의 법칙을 그대로 따르는 것을 알 수 있다. 이 때 우리는 열차가 서 있고 땅이 뒤로 움직인다고 생각해도 된다. 그러나 열차 밖에서 이 탁구공을 관찰할 때는 탁구공이 튀어 올라서 떨어지는 장소는 같은 곳이 아니고 포물선을 그리고 먼 곳에 떨어지는 것을 볼 수 있다. 따라서 어떤 일이 일어 나는 것은 관측하는 사람이 좌표계를 어디에 두느냐에 다라 달라진다. 즉 서로 움직이는 물체의 위치는 상대적이며 절대적이 아니다. 모든 것은 꼭 지구가 중심이 되어야 한다는 이유가 없다. 다시 말하면 공간은 상대적인 개념이다.
이제 절대적인 시간에 대해 생각해 보자. 어떤 물체가 일정한 거리를 움직일 때 소요된 시간을 재고 그 거리를 시간으로 나누는 것을 속도라고 한다(s=vt). 그리고 이것은 누가 어디서 재도 같은 사건이 일어 날 때는 똑 같다고 생각한다. 이것은 공간과 상관없이 시간은 독립적이라는 생각에서 온 것이다. 먼저 광속에 대해서 아인슈타인은 정지해 있거나 아무리 빨리 달리는 물체에서 광속도를 측정해도 그 속도는 언제나 일정하다는 것을 알고 발표했다. 그래서 이제는 길이의 단위는 파리에 놔둔 백금의 1m 짜리 표준 기기의 길이가 될 것이 아니라 빛의 속도로 정의하는 것이 가장 정확하게 되었다. 1m 는 빛이 0.00000003335640952초 사이에 달린 거리로 정의한다. 그런데 이제 시간이 공간에서 독립하여 절대시간이 될 수 없는 것을 말해보자.
다시 열차 안에서 탁구를 칠 때를 생각해 보자 탁구공이 떠올랐다가 떨어지는데 1초가 걸렸다고 하자 이 때 탁구공이 움직인 거리는 20Cm 이었다. 그런데 지상의 좌표계에서 이 탁구 공의 운동을 보았다면 탁구공이 떠올랐다가 떨어진 곳은 수직으로 아래가 아니고 포물선을 그리고 30m 전방에 떨어진다. 훨씬 먼 거리를 움직인 것이다. 그런데 똑 같이 1초밖에 안 걸린다면 속도가 빨라져야 한다. 그런데 속도가 같다면 어떻게 되는가? 탁구공이 떨어지는데 1초보다 훨씬 많은 시간이 걸릴 것이다. 즉 시간은 어디서 측정하느냐 하는 것에 따라 달라진다. 시간은 공간에서 독립일 수 없다. 빛의 속도에 비해 비교가 안 될만큼 느린 운동에서는 이 시간은 거의 문제가 안 된다. 그러나 물체가 빛이 속도에 가까울만큼 빠르면 문제가 달라진다. 이렇게 해서 아인슈타인은 시간의 절대성을 배제했다.
만일 한시 한날에 태어난 쌍둥이가 하나는 우주선을 타고 거의 광속만큼 빠르게 달리고 있다가 오랜만에 지상에 돌아 왔다고 하자. 우주인은 몇 달 안 탔는데 지상의 쌍둥이는 오랜 시간을 살아서 더 늙어 있다는 쌍둥이 역설(twin paradox)이 있을 수 있다. 그러나 이것은 절대시간을 마음에 두고 있을 때의 일이다. 우주선에서는 우주선대로 지구에서는 지구대로 상대 시간을 쓰고 있으면 같은 시간이 흐른 셈이다.
추천사이트 : http://myhome.hananet.net/~sinclair/bigbang.htm
종합 정리
1. 아리스토텔레스/ 프톨레마이오스의 우주 모델은 어떤 것인가?
2. 뉴턴 시대의 우주 모델을 어떤 것인가?
3. 우주 팽창설은 어떤 것인가? 팽창설에 의하면 우주는 시작이 있었는가?
4. 아인슈타인의 상대성 이론은 어떤 것인가?
5. 우주를 다스리는 유일한 법이 발견된다면 우주에서 일어나는 모든 현상은 그 법 아래 있어서 결정론에 이르게 된다. 그 때 인간의 자유의지는 어떻게 되는가?
빅뱅(Big Bang) 이론을 어떻게 생각하는가?(Report)
이 중 훈(대전신학대 신학과 주간 2학년)
1. 빅뱅(Big Bang) 이란?
1929년 에드윈 허블이 주장한 것으로 우리가 어느 지점에서 관측을 하든 원거리에 있는 별들은 계속 멀어져가고 있다는 것이다. 다시 말하면 우주는 팽창하고 있다는 말이다. 이 말은 바꾸어 말하면 아주 옛날에는 별들은 서로 아주 가까이 있었다는 이야기도 된다. 허블의 관측에 의하면 우주가 무한히 작고 밀도가 무한히 큰 한 점으로 되어 있었던 때가 있었으며 그 때가 바로 소위 빅뱅(Big Bang)이라는 대 폭발이 일어났던 때이다.
2. 빅뱅 이론의 여러 가지 문제점
(1) 폭발의 증거
그러한 폭발이 실제로 일어났었다는 어떤 증거가 있는가?
우리가 갖고있는 주요 증거는 물론 은하들의 후퇴이다. 은하들의 스펙트럼을 보면 은하들은 모두 우리에게서 멀어지고 있으며, 허블의 도면에 따르면 멀리 떨어져 있으면 있을수록 더 빨리 후퇴하고 있다. 사실 은하의 후퇴속도를 알고 있다면, 우리는 이 다이아그램을 이용해서 은하의 거리를 결정할 수 있다.
허블도면에 있는 선의 기울기는 특히 중요하다. 그것은 속도가 거리에 따라 얼마나 빨리 증가하느냐하는 정도를 알려줄 뿐만 아니라, 우주의 나이에 관한 근사치를 준다. 허블의 머릿글자를 따서 H라고 불리는 그 기울기는 우주론에서 가장 중요한 두 상수 중 하나이다. 만일 H를 대단히 정확히 알고 있다면 우주에 대해서 알아야 하는 것들 중 많은 것을 알수 있을 것이다. 그러나 불행히도 그렇지 못하다. H는 측정하기 어려우며 따라서 여전히 그 값에 대해서는 상당한 논쟁이 있다. 어떤 천문학자들은 그것이 Mpc(Mpc는 메가 파세크로, 약 3백만광년이다) 당 50km/sec라고 하는 반면, 어떤 이들은 그것이 100km/sec라고 믿고 있다.
실질적으로 모든 천문학자들이 적색편이를 은하들이 우리에게서 멀어지고 있다는 표시로 받아들이고 있기는 하지만, 우리는 그렇지 않을 가능성의 여부를 자문해 보야야 할 것이다. 어떤 다른 해석이 있을까? 현재로서 우리가 알고 있는 유일한 대안은 그 편이가 빛의 "피로" 때문에 일어날 가능성이다. 그러나 몇 가지 논증들은 이 아이디어와 모순된다. 첫째, 그것은 우주가 팽창하고 있지 않으며 정지해 있어야 한다고 가정한다. 그러나 일반상대성 이론은 팽창하는 우주를 예측하고 있으므로, 만일 우리가 지친 빛우주론을 받아들인다면 일반상대성 이론을 수정해야만 할 것이다. 둘째, 만일 우주가 정지해 있다면 우주의 나이는 무한대일 것 같다. 그러나 후에 알게 되겠지만 우주의 나이가 유한함을 보여주는 몇 가지 방법이 있다. 이 모든 방법들은 대략 같은 나이를 준다. 세째, 만일 우주의 먼 물체에서 온 광자들이 "지쳤다면" 분명 상당한 양의 에너지를 잃어버렸을 것이다. 그렇다면 이 에너지는 지금 어디에 있는가? 우리는 우주배경복사에서 많은 에너지를 본다. 그러나 그것은 지친 빛 우주론에 의해 설명될 수 없다. 이와 같은 논증들을 근거로 생각해 볼 때 적색편이는 후퇴속도로 해석되어야 할 것 같다. 적어도 더 나은 무언가가 나올 때까지는 말이다.
만일 정말로 은하들이 우리에게서 멀어지고 있다면 은하들 사이의 공간이 증가해야 한다. 즉 이것은 과거에는 은하들이 더 가까이 있었다는 것을 의미한다. 사실 만일 시간을 거꾸로 돌릴 수 있다면 은하들이 결국엔 모두 함께 모이게 될 것이다. 따라서 우주의 팽창을 받아들인다면 특이점과 대폭발 역시 받아들여야만 할 것 같다. 그러나 이 견해에 모든 사람들이 동의하고 있지는 않다.
(2) 우리가 우주의 중심?
허블도면에 따르면 모든 은하들이 우리에게서 멀어지고 있다. 그러나 왜 하필 우리에게서일까? 우리가 우주의 중심에 있는 것일까? 언뜻 보면 그럴 것 같아 보인다. 하지만 좀더 자세히 살펴보면 그렇지 않다는 것을 알게 된다. 이것을 설명하기 위해 간단한 우주모형 하나를 생각해보도록 하자. 은하들은 3차원 공간에서 실제로 우리에게서 멀어지고 있겠지만 간단히 우주가 2차원 평면에 놓여 있다고 가정할 것이다. 에딩톤이 비유한 팽창하는 풍선의 표면은 특히 유용하다. 우선 풍선의 표면 위에 은하를 나타내는 작은 원들을 균일하게 붙이자. 내가 "붙이라"고 말한 것을 명심해라. 만일 은하들을 펜으로 그린다면 그 비유물은 올바른 것이 되지 못할 것이다. 왜냐하면 풍선이 팽창할 때 그 점들도 팽창할 것이기 때문이다. 우주에서 은하들은 팽창하지 않는다. 다만 은하들 사이에 있는 공간이 팽창할 뿐이다. 풍선이 커짐에 따라 원들은 마치 은하들이 멀어지는 것과 똑같이 서로 점점 더 멀리 떨어질 것이다. 사실 멀리 떨어지는 것은 은하단들이다. 은하단내에 있는 개개의 은하들은 서로 중력적으로 묶여져 있으며 이 인력은 떨어지려는 은하들의 경향을 극복하기에 충분하다. 따라서 더 정확히 말해서 은하단들이 서로 멀어지고 있는 것이라고 말해야겠지만, 나는 간단히 그것들을 은하라고 할 것이다. 한발짝 더 나아가 그 풍선이 너무 커서 우리가 다루고 있는 지역이 대체로 평평하다고 가정하자. 그러므로 우리가 볼 수 있는 거리까지는 작은 원들이 있는 평평한 판모양을 갖게 될 것이다. 이제 원 A가 우리 은하를 나타낸다고 가정해보자. A에서 모든 방향을 바라보면 우리는 모든 다른 은하들이 우리에게서 멀어지고 있다는 것을 알게 된다. 그러나 우리가 만일 다른 원, 말하자면 B로 가서 바깥쪽을 본다해도 역시 모든 다른 원들이 우리에게서 멀어지고 있는 것을 보게될 것이다. 사실 우리가 어떤 원으로 간다고 해도 우리는 동일한 것을 보게될 것이다. 따라서 우리가 어느 은하에 있는냐에 상관없이 우리주위
에 있는 모든 은하들이 우리에게서 멀어지고 있는 것처럼 보일 것이다. 이것을 보면 우리 은하가 우주의 중심에 있는 것이 아님을 쉽게 알 수 있다.
우리는 또한 멀리 떨어져 있는 은하일수록 더 빨리 후퇴하고 있다는 것을 알고 있다. 예를 들어, 만일 은하가 두배 만큼 멀리 떨어져 있다면 두배 만큼 더 빨리 멀어지고 있다. 그러면 우리의 고무판 모형이 이것을 설명할 수 있는지 알아보도록 하자. 우리가 원 A에 있다고 가정하고, 특정한 방향으로 떨어진 곳에 또 다른 원 B가 있다고 가정하자. 즉 거리가 10미터 떨어져 있다고 하자. 그리고 같은 방향으로 다시 10미터 떨어진 곳에 원 C가 있다. 어떤 시간에 걸쳐 B가 20미터의 거리를 움직였다고 하자. 그러면 C도 물론 B로부터 20미터 움직였을 것이다. 이것은 이 시간에 B가 20미터를 움직인 동안 C는 40미터를 움직였다는 것을 의미한다. 그러므로 2배만큼 빨리 움직이고 있는 것이다. 따라서 우리의 모형은 거리에 따르는 속도의 적절한 증가를 예측한다. 우리가 풍선위에 원들을 균일하게 붙이기는 했지만 그러나 은하들은 많은 다른 크기로 모여있으며 분포도 불규칙적이다. 이것이 문제가 될까? 그것이 우리의 모형을 타당하지 않게 만들까? 대단히 큰(우주적) 규모로 볼 때 우리의 모형은 대단히 좋다. 이런 규모에서 우주는 일반적으로 균일하기 때문이다. 우주의 기본적 가설들중 하나인 우주론적 원리는 사실 대단히 큰 규모로 보았을 때 우주가 균일하며 등방(모든 방향에서 같다)이라고 가정하고 있다.
(3) 우주에 끝이 있을까?
이제 우리의 풍선으로 시선을 돌려 그 원들을 각각 조사해보자. 우리는 곧 그것들이 결코 끝나지 않으리라는 것을 알게 될 것이다. 우리가 어느 방향으로 움직이든지, 혹은 우리가 얼마나 멀리 가든지 원들은 항상 있다. 간단히 말해 끝이 없다는 것이다. 같은 방법으로 만일 우리가 우주안에서 은하에서 은하로 여행한다고 해도 우리는 결코 끝을 찾지 못할 것이다. 그렇지만 이상하게도 지구에서 보면 우리의 우주에 "관측적인" 끝이 있다. 다시 말해서 그 너머로는 아무것도 보이지 않는 지점이 있다는 것이다. 그 이유는 후퇴속도를 살펴보면 금방 알 수 있다. 두배만큼 멀리 떨어져 있는 은하는 두배만큼 빨리 움직이고 있을 것이다. 그리고 종국에 은하들은 이론적으로 볼 때 우리에 대해서 광속으로 움직이고 있게될 것이다. 그러나 특수상대성 이론에 따르면 어떤것도 광속으로 움직일 수 없으므로 이 지점 너머에서는 우리가 아무것도 보지 못하게 될 것이다.
이 경계를 살펴보는 한가지 좋은 방법은 후퇴하는 은하들에 의해 방출되고 있는 광자(빛의 "입자")들을 고찰하는 것이다. 은하가 우리에게서 빨리 멀어지면 멀어질수록 그 적색편이는 크다. 이것은 파장이 증가한다는 것을 의미한다. 마침내 은하가 광속으로 멀어질 때 그 파장은 너무나 쭉 펴져서 평평해진다. 다시 말해서 그것은 파장이 아니다. 그러므로 우리는 어떤 빛도 보지 못하게 된다. 이런 현상이 일어나는 지점을 우리 우주의 "지평선"이라고 부른다. 우리는 이 지평선 너머로는 아무것도 보지 못한다. 그러나 이것이 그 너머에 아무것도 없다는 것을 의미하는 것은 아니다. 우리 우주에서와 똑같이 그곳에도 은하들이 존재할지도 모른다. 단지 우리가 그것들을 보지 못할 뿐이다. 만일 풍선을 직경이 몇 마일 될 때까지 부풀린다면 우리도 같은 유형의 지평선을 갖게 될 것이다. 그러나 우리가 그 꼭대기 위에 서서 주위를 둘러본다고 해도 몇 백 야드까지 뻗쳐있는 원들만 보게 될 것이다. 물론 이 너머에도 원들이 있다는 것은 알고 있지만 우리는 그것들을 볼 수 없다. 바다에 있는 배도 같은 유형의 지평선을 갖는다. 지구의 곡률 때문에 그 배위에 있는 사람은 몇 마일밖에 볼 수 없다. 그는 그의 주위 전체에 지평선을 가지고 있다. 이것은 대단히 강력한 망원경이 있다고 해도 우리의 지평선 때문에 어떤 특정한 거리까지만 볼 수 있음을 의미한다. 이 거리는 얼마나 멀까? 그 거리가 150억
광년이라는 것은 쉽게 알수 있다. 그리고 그 이유는 우주의 나이가 150억년이기 때문이다. 우주속을 들여다 본다는 것은 과거를 보는 것이며 그 이전에는 아무 것도 없었으므로 우주의 창조때보다 더 멀리를 볼 수는 없다. 우주는 그때 존재하지 않았기 때문이다.
간단히 말해서 우리는 우리 둘레에 지평선을 갖고 있으므로 우리의 우주에 끝이 있는가의 여부를 묻는 것은 아무 의미가 없다. 우리에게는 이 지평선이 끝인 것이다.
(4) 빅뱅 이전에는?
시간과 공간은 우주의 전부가 아니다. 단지 물리적 우주의 일부에 불과하다. 시간과 공간은 극도로 밀접하게 연결되어 있어서, 시간 따로 공간 따로 식의 독립적 용어사용도 타당치 않다. 시간과 공간을 바르게 다루려면 둘을 하나의 통합된 시공연속체로 보아야 한다. 공간은 3차원을 가지며, 시간은 1차원을 가지므로 시공은 4차원연속체인 셈이다. 그러나 아무리 시간과 공간이 긴밀한 관계를 가진 연속체라 하더라도 거의 모든 상황에서 시간은 시간이고 공간은 공간이다. 중력이 아무리 시공을 휘게 만든다 하더라도, 중력이 시간을 공간으로 바꾸거나 반대로 공간을 시간으로 변하게 하지는 못한다. 그러나 양자효과를 고려하면 한가지 예외가 있을 수 있다. 불확정성 원리가 시공에도 적용되는 것이다. 양자역학(quantum physics)에서의 불확정성(uncertainty)은 단지 우리가 원자핵을 붕괴시키는 극미한 힘과 영향력에 대해 알지 못하기 때문만은 아니다. 그 불확정성은 그 본성 때문이다. 다시 말해, 불확정성은 양자적 실재의 본질적 특성이 일부인 것이다. 이러한 불확정성 원리가 시공에도 적용되는 특수한 상황에서는 시간과 공간의 고유한 특성(identity)에 변화가 생긴다. 지극히 짧은 순간에 불과하지만, 시간과 공간이 합쳐지는 이른바 '공간과 흡사한 무엇으로(spacelike)' 변할 수 있다. 마치 공간의 또 다른 차원처럼 말이다. 그렇지만, 시간의 공간화(spatialization)가 단절적이거나 급작스러운 과정으로 진행되지는 않는다. 그것은 연속적인 과정이다. 역으로 공간의 한 차원이 시간화(temporalization)되는 과정을 본다면, 연속적인 과정을 통해 공간에서 시간이 탄생할 수 있음을 암시하고 있다. 시간과 공간의 두 특성 사이에는 여러 층의 농담이 존재하며, 수학적으로 엄밀하고 정밀하게 나타낼 수 있다. 천체물리학에 양자물리학을 점목시킨 것이 양자우주론이며, 양자우주론의 대가로는 제임스 하틀과 스티븐 호킹이다. 이들이 주장하는 양자우주론의 요점은 이렇다. 빅뱅은 최초의 한순간에 갑자기 시간이라는 스위치를 올리는 과정이 아니었다는 것이다. 빅뱅은 무에서 갑자기 유가 나타나는 식의 단절적 과정이 아니라, 연속적인 과정이라는 것이다. .
시간이 공간으로부터 상상할 수 없을 정도로 빠른 속도로, 그러나 분명 연속적인 과정을 통해 탄생하게 되었다고 제임스 하틀과 스티븐 호킹은 말한다. 인간의 시간척도로 보면 빅뱅은 시간 공간 그리고 물질이 갑작스럽게 폭발적으로 등장한 기원처럼 보인다. 그러나 1초의 수백만 분의 1이라는 극미한 시간척도로 우주 탄생의 최초의 순간을 자세히 들여다본다면, 우리는 우주 탄생의 순간에 엄격하게 구분할 수 있는 단절적인 시초(beginning)란 전혀 존재하지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서 이제 우리는 두 가지 모순적인 이야기를 담고 있는 우주 기원론을 갖게 된 셈이다. 첫째, 시간은 항상 존재하지 않았다. 둘째, 시간이 처음 시작된 시초란 존재하지 않는다. (연미소는 이 부분을 이렇게 바꿔 읽어본다. '시작도 없고 끝도 없다. 단지 흐르고 있을 뿐이다.') 이것이 양자 물리학의 기이한 특성이다. 여기서 좀더 상세하고 전문적인 이야기로 들어가면, 사람들은 자신이 속고 있다는 느낌을 받게 될 것이다. '왜' 그런 괴이한 일들이 일어났는가? 도대체 '왜' 우주는 존재하는가? '왜' 하필이면 지금 우리가 살고 있는 이 우주가 존재하게 되었는가? 그러나 과학은 '어떻게'에 대해서는 설명할 수 있지만, '왜'에 대한 설명에는 익숙지 못하다. 이러한 심오한 질문들에 대해서 사람들이 이해할 수 있는 답변은 없을 수 있다. 아니 어쩌면 답이 없을지도 모른다. 그러나 우리는 그 문제를 잘못된 방식으로 제기하고 있다. 어쨌든 나는 생명 우주 그리고 만물에 대해 답을 주겠다고 약속하지는 않았다. 그러나 최소한 이 글을 시작한 물음, '빅뱅이 일어나기 전에 무슨 일이 있었는가?'라는 물음에 대해서는 납득할 만한 답을 주었다. 그 답은 "아무 일도 없었다"이다.
(5) 어두운 밤하늘 패러독스
우주론에서 또 하나의 중요한 물음은 밤하늘이 왜 어두우냐 하는 것이다. 사실 우리는 이 관측을 이용해 우주가 팽창하고 있다는 것을 보일 수 있다고 말해왔다. 그러나 우리는 이제 이것이 사실이 아니라는 것을 깨닫게 된다. 어두운 밤하늘에 난점이 있다는 것을 알아본 최초의 사람은 초기의 저명한 천문학자인 요하네스 케플러였다. 그에게 그 문제는 우주가 무한한지의 여부에 집중되어 있었다. 케플러는 만일 우주가 무한하다면 밝아야만 할 것이라고 확신했다. 결국 무한 우주속에는 어디를 본다고 하더라도 별이 있을 것이기 때문이었다. 그러나 오늘날 우리는 그 문제를 약간 다르게 본다. 우주가 정지해 있으며 은하들이 균일하게 흩어져
있을 것이라고(별들도 마찬가지로 그럴 것이다) 가정하자. 또한 우주가 무한대로 팽창한다고 가정하라. 이제 우리주위에 동심원들을 그리되, 각각이 같은 거리만큼 떨어져 있게 하자. 물론 거리에 따라 은하들의 광도가 감소하므로, 먼 은하일수록 더 희미해 질 것이다. 그러나 , 각 동심원이 그 바로 안에 있는 것보다 더 큰 부피를 가지므로 더 많은 은하들을 포함하고 있다. 사실 그것은 줄어드는 밝기의 손실을 상쇄시킬 만큼의 은하만을 더 포함하고 있다. 이것은 각 동심원이 똑같은 양의 빛을 방출하고 있음을 의미한다. 그리고 물론 만일 우주가 무한대로 팽창한다면 무한수의 이런 동심원들이 있을 것이다. 그 결과는 무한양의 빛 혹은 밝은 밤하늘이다. 하지만 우리가 알기로는 밤하늘이 밝지 않다. 이것이 패러독스다.
비록 어떤 문제가 있다는 것을 최초로 깨달은 사람은 케플러였지만, 그 문제를 과학계의 관심사로 끌어들였던 사람은 영국의 에드문드 핼리였다. 그는 1720년에 발표한 두개의 짧은 논문에서 밤하늘이 어두운 것은 먼 별에서 나온 빛이 단지 너무 희미해서 육안으로 감지될 수 없기 때문이라고 밝혔다. 그러나 우리는 이제 이 설명이 타당하지 않다는 것을 알고 있다. 그런데 이상한 것은 올버스가 그 패러독스에 관해 연구했던 많은 사람들 중의 하나였을 뿐임에도 불구하고 그것이 올버스의 패러독스로 불린다는 사실이다. 그는 1744년에 만일 별빛이 우리와 별들 사이에 있는 흡수 매질에 의해 흡수된다면 그 문제가 해결될 수 있다고 제시하는 논문 한편을 썼다. 우리 은하 전체에는 정말 소위 성간물질이라는 매질이 있다. 그러나 윌리암 허쉘은 올버스의 해답이 올바른 설명이 아니라고 밝혔다. 그는 매질이 별빛을 흡수하는 것은 사실이지만 그 매질은 곧 그 별빛을 재방출할 것이라고 주장했다. 그 패러독스의 또 다른 설명은 그것이 우주의 팽창에 기인한다는 것이다. 적색편이 때문에 먼 은하에서 나온 빛은 희미해진다. 충분히 먼 거리에서는 빛이 너무나 희미해져서 실질적으로 아무빛도 우리에게 도달하지 못하므로 이 너머에서는 밤하늘이 어둡다는 것이다. 그러나 매사추세츠 대학교의 E. R. 해리슨은 비록 얼마만큼의 희미해짐이 있기는 하겠지만, 밤하늘을 어둡게 만들 정도로 그 감소율이 충분하지는 않다고 설명했다. 그는 어두움은 단순히 우주가 충분한 에너지를 갖고 있지 않기 때문에 발생하는 것이라고 주장한다. 그는 우주의 모든 물질이 별빛으로 전환된다해도 밝은 밤하늘을 만들기에는 충분하지 않을 것이라고 설명했다. 밤하늘을 밝게 하는데 요구되는 대부분의 빛은 우주의 아주 먼 지역-우리의 지평선보다 더 멀리에 있는-으로 부터 온다. 또 다른 방법으로 표현하면, 단순히 우리의 우주가 충분히 오래되지 않았기 때문에 밝은 밤하늘을 갖지 못하는 것이라고 말할 수 있다.
3. 빅뱅 모형의 문제점들
(1) 지평선 문제
미즈너는 1969년에 지평선 문제에 대해 간략한 설명을 써서 "Physical Review Letter"에 실었다. 당신이 만일 우주 안을 들여다보고 100억 광년 떨어져 있는 퀘이사 하나를 관측했는데, 그 뒤 반대방향에서도 100억 광년 거리에서 또 하나의 퀘이사를 관측한다고 가정해보자. 이것은 만일 당신이 그 중 하나를 중심으로 한 사상의 지평선을 그린다면 다른 것에 도달하지 못한다는 것을 의미한다. 다시 말해서 그들은 인과관계로 연결되어 있지 않다. 그러나 이상하게도 그 두 개의 퀘이사가 닮았고 그들 주변의 이웃들도 닮았다. 더욱 놀라운 것은 그들 각각의 둘레에 있는 우주배경복사가 약 1/10000 의 정확도까지 2.7K라는 온도를 갖는다는 사실이다. 게다가 한 퀘이서 근처의 우주 팽창률이 다른 퀘이서 주변의 팽창률과 정확히 같다. 만일 그것들이 인과관계로 연결되어 있지 않았다면, 어떻게 한 퀘이사를 둘러싸고 있는 온도가 다른 퀘이사를 둘러싸고 있는 온도와 정확히 같을 수 있을까? 과거에 두 퀘이서 사이에 인과관계가 있지 않았을까? 그러나 전혀 그렇지 않다. 과거로 갈수록 사상의 지평선들은 서로에게서 더욱 멀리 떨어져 간다.
(2) 평평함 문제
로버트 딕케는 1979년에 출간된 책에 실린 논문에서 이 문제를 제기했다. 우리의 우주의 나이가 대략 150억 년이라는 것을 알고 있다. 오메가(임계밀도에 대한 우주에 있는 물질의 평균밀도)가 만일 1보다 조금 크게 출발했다면, 말하자면 1.00000001로 시작했다면, 150억년 뒤에 그 값은 굉장히 커졌을 것이다. 마찬가지로 만일 그것이 1보다 약간 작게 출발했다면, 오메가는 아주 작아졌을 것이다. 그러나 오메가는 0.1 과 3 사이, 즉 대략 1.0 이다. 딕케와 피블스는 사실 그것이 지금처럼 1에 가깝게 되기 위해서는 오메가가 1의 소수점 밑으로 59개의 0을 가진 값으로 출발해야만 한다고 밝혔다.
(3) 홀극문제
빅뱅이론은 대통일이론(GUT)과 연결해서 자기홀극을 예측하지만 우리는 어떤 것도 찾아내지 못했다. 물론 많은 수의 홀극이 있을 수는 없다. 그랬다면 우주의 평균밀도를 대단히 증가시켰을 것이고, 우주는 오래전에 이미 다시 수축해버렸을 것이다. 그럼에도 그 이론에 따르면 어느 정도는 존재해야만 한다. 그러나 아직 어떤 것도 발견된 적이 없다.
(4) 엔트로피 문제
열역학 제2법칙에 따르면 우주의 엔트로피는 증가한다. 다시 말해서 시간이 지남에 따라 우주는 점점 더 무질서해진다. 1974년에 펜로스는 열역학 제2법칙을 우주에 적용해서 그 엔트로피를 결정했다. 그런데 그것이 자신이 예상했던 것보다 휠씬 더 작았다. 150억 년 정도 존재했었다고 할 때, 우주의 엔트로피는 상당히 커야만 할 것이다. 그러나 그렇지 않았다. 펜로스는 그 뒤 초기우주로 돌아가 엔트로피를 추적했고 그것이 믿을수 없을 정도로 낮았다는 것을 알았다. 우주는 외관상으로는 극심히 질서 있는 계로서 시작했던 것이다. 현재의 빅뱅이론은 우리에게 이것을 설명하지 못한다.
(5) 반물질 문제
만일 초기 우주에서 동등한 수의 입자와 반입자가 있었다면 서로를 완전히 소멸시켰어야만 할 것이다. 따라서 아무것도 남아있지 않아야 할 것이다. 그런데 왜 남겨졌을까? 우주가 초기에 대칭이었다면 어떻게 이것이 가능할까? 이것이 반물질 문제이다.
(6) 광자 문제
연구에 의하면 모든 바리온마다 대략 10억 개의 광자가 있다. 빅뱅이론에 따르면 이 숫자는 상수이어야만 한다. 그러나 그 이론은 이 상수의 크기가 얼마인지에 대한 어떤 암시도 주지 않는다.
(7) 회전 문제
회전 문제는 사실 두 가지 문제이다. 첫번째는 우주 그 자체와 관련된다. 우주는 왜 회전하지 않을까? 우주는 회전하고 있는데 우리가 모를 수가 있을까? 만일 그렇다면 회전축 즉 그것이 회전하고 있는 특정한 방향이 있어야 한다. 그러나 우주에는 어떤 특정한 방향도 없다는 것은 잘 알려진 사실이다. 우주는 모든 방향에서 동일하다. 두번째 회전 문제는 은하에 관한 것이다. 은하는 모두 회전하고 있다. 이 회전은 어떻게 일으켜질까? 그것은 빅뱅으로부터 온 것으로 추정되었지만 마이크로파 배경복사가 나타내고 있는 것처럼 폭발이 그렇게 부드러웠다면 이것은 가능하지 않을 것 같다.
(8) 디락 상수
우주의 기본상수들 -- 전자의 질량, 광속, 플랑크상수, 그리고 중력상수 와 같은 것들 -- 을 택해서 그것들로부터 무차원 비를 만들었을 때 아주 많은 경우에 10-40 이라는 숫자가 나타난다. 이것의 중요성은 무엇일까? 지금까지 어느 누구도 그것을 설명할 수 없었다.
(9) 은하문제 - 거품과 빈 공간 그리고 그레이트 윌
천문학자들을 괴롭혀온 또 하나의 문제는 은하들이 어떻게 형성되었는가 하는 것이다. 비록 지난 몇십 년 동안 어느 정도의 진보가 있기는 했지만 천문학자들은 여전히 그것들이 어떻게 존재하게 되었는지 확신하지 못하고 있다. 빅뱅에서 나온 가스구름이 어떻게 분열되어 은하들을 형성했는가 하는 것은 아직도 수수께끼다. 연구에 의하면 물질-복사 분리 이전에는 두 가지 형태의 밀도요동이 가능하다. 하나는 등온 밀도요동이고 다른 하나는 단열 밀도요동이다. 등온의 경우에 물질만이 요동하며, 복사는 균일하게 남아있다. 단열의 경우엔 물질과 복사 모두 요동한다. 물질-복사 분리 후 등온 밀도요동은 성장했지만 단열 밀도요동은 그렇지 못했다.
1) 피블스의 bottom-up 이론
1965년경 피블스는 자신의 이론에서 은하들이 등온 밀도요동으로 형성되었다고 가정했다. 일단 형성되면 은하들은 불규칙한 속도분포를 가질 것이며, 곧 모여 군집을 이루기 시작할 것이다. 그리고 이 은하단들이 다시 다른 은하단들을 끌어당기게 되므로 초은하단이 형성될 것이다. 간단하기는 했지만 문제가 있었다. 현재 우리가 보는 은하단과 초은하단의 분포를 이런 식으로 형성하기에는 빅뱅 이후 충분한 시간이 경과되지 못했다는 것이다. 특히 조세프 실크는 밀도 요동에 미치는 불덩이 복사의 효과에 관심이 있었는데 곧 이 복사가 모든 작은 요동들을 매끄럽게 없애버린다는 것을 발견했다. 그러므로 은하 질량의 수백 배 이상인 큰 것들만 살아남게 될 것이다.
2) 젤도비치의 top-down 이론
젤도비치는 실크의 결과를 이용해 가장 큰 구조가 가장 먼저 형성되고 큰 것들이 분열되어 더 작은 것들이 뒤에 나타나는 이론을 개발했다. 그러나 피블스의 이론처럼 젤도비치의 이론에서도 곧 문제점들이 나타났다. 이 역시 그런 구조를 형성하는 데 우주의 나이보다 더 오랜 시간이 걸렸던 것이다.
3) 우주의 거대구조
빅뱅 모형에 퍼부어졌던 비평들 중 하나는 관측된 구조들이 빅뱅 후 160억 년 안에 형성되기에는 너무 크다는 것이었다. 전형적인 은하속도들은 광속의 약 1/300 정도이다. 160억 년 안에 2억 광년길이의 빈 공간들을 만들어내기 위해서는 은하들이 상당한 거리를 움직여야만 했을 것이다. 그런데 쿠와 크론이 발견한 그레이트 윌들은 4억에서 8억광년 떨어져 있다. 그러한 구조들을 생산해 내기 위해서는 우주 나이의 몇 배가 걸릴 것이라고 말한다. 물론 이 문제를 해결하는 한 가지 길은 있다. 우리가 보는 커다란 빈 공간들이 어쩌면 암흑물질을 포함하고 있을지도 모른다. 보이는 물질지역은 사실 그저 다소 과잉밀집지역일 뿐일지도 모른다. 만일 이렇다면 물질이 그렇게 많이 움직일 필요는 없어지는 것이다.
4) 암흑물질
우주의 평평함, 큰 특이속도, 인플레이션 이론등에서 우주의 밀도가 임계밀도에 매우 가깝다는 것을 알수 있다. 그러나 핵합성 이론에 의하면 바리온(baryon)의 양은 임계밀도의 10%에 불과하다. 우주의 대부분이 보통 물질, 즉 바리온들로 구성될 수 없다는 것이다. 전체의 90% 정도는 다소 이상한, 보이지 않는 그리고 바리온이 아닌 형태로 존재해야만 한다. 우주론가들은 그것을 일컬어 '특이 암흑물질'이라고 부른다.
4. 우주의 곡률
우리는 우주의 팽창을 설명하는 좋은 모형이 원들로 뒤덮힌 풍선이라는 것을 앞에서 보았다. 그러나 풍선의 표면은 구부러져 있다. 우리의 우주가 구부러져 있을까? 그렇다. 그리고 이것이 바로 우리가 풍선을 이용했던 주요 원인들 중 하나이다. 왜냐하면 그 곡률을 쉽게 볼 수 있기 때문이다. 물론 은하들은 풍선의 경우에서처럼 2차원 표면 위에서가 아닌 3차원 공간에서 우리로부터 멀어지고 있다. 그럼에도 불구하고 이 3차원 공간도 굽어져 있다. 그런데 우리는 왜 그것을 볼 수 없을까? 이 물음에 답변하기 위해 우리의 풍선으로 다시 돌아가 보자. 우리가 풍선의 굽어진 표면을 볼 수 있는 것은 풍선이 2차원이고 3차원 공간으로 둘러싸여 있기 때문이다. 특히 그 곡률을 보려면 그것을 둘러싸고 있는 3차원 공간이 필요하다. 이것은 만 우리가 3차원적으로 굽어진 공간을 보려고 한다면 4차원 공간이 필요할 것임을 의미한다. 그러나 이 비유물을 이용해 3차원적으로 굽어진 공간에서 어떻게 되는지 알아볼 수 있다. 우리는 양성적으로 굽어진 2차원 표면엔 어떤 중심도 어떤 가장자리도 없다는 것을 알고 있다. 이것은 양성적으로 굽어진 3차원 공간에도 적용된다. 더우기 우리는 2차원 표면 위에 있는 어떤 특정한 방향에서 출발한다고 해도 결국 같은 지점으로 돌아간다. 마찬가지로 양성적으로 굽어진 3차원 공간에 있다면 어느 지점에서 출발하든지 같은 지점으로 돌아가게 된다. 물론 우리가 움직일 때 공간이 팽창하고 있다는 것을 기억해라. 우리는 이런 일이 일어나는 우주를 닫혀있다고 말한다. 그렇다면 음성곡률의 경우는 어떠할까? 음성으로 굽어진 표면의 좋은 예로는 말안장이 있다. 이런 형태의 곡률내에 있는 공간은 열려있다고 한다. 만일 그러한 공간에서 직선여행을 시작한다면, 여러분은 결코 같은 지점으로 돌아갈 수 없을 것이다. 우리의 우주는 어떤 형태의 곡률을 가질까? 우리의 2차원 모형로 돌아가 보자. 평평한 표면위에 삼각형을 그리면 그 내각의 합은 180도(두개의 예각)이다. 그러나 만일 우리가 풍선 표면위에 삼각형을 그린다면 그 내각의 합은 180보다 클 것이다. 그러므로 양성적으로 굽어진 표면은 그 위에 삼각형을 그려봄으로써 확인될 수 있다. 이것 역시 양성적으로 굽어진 3차원 공간에 적용된다. 반면 만일 음성적으로 굽어진 표면에 삼각형을 그린다면 그 내각의 합은 180도 보다 작을 것이다. 이것은 우리가 만일 어떤 공간에 있는 거대한 삼각형의 내각들을 측정할 수 있다면 그 공간이 양성적으로 굽어져 있는지 아니면 음성적으로 굽어져 있는지를 결정할 수 있음을 의미한다. 그러나 실제적으로 이것은 불가능하다. 그러나 천문학자들은 우주의 곡률을 결정하는 것과 유사한 어떤 방법을 알고 있다. 그들은 우주 저 멀리에 있는 은하들의 위치를 도면에 그린다. 만일 우주가 평평하다면 일정한 분포를 얻게될 것이다. 그러나 우주공간이 양성적으로 굽어져 있다면 이 점들은 양성적으로 굽어진 표면 위에 그려져야만 할 것이다. 그리고 이렇게 한 뒤 그 표면을 평평하게 펴면 중심부근에 점들의 과잉이 나타날 것이다. 따라서 만일 그들이 처음에 평평한 종이위에 그 점들을 그린다면, 우주가 양성적으로 굽어져 있을 때는 그 중심부근에서 과잉을 기대할 수 있을 것이고, 우주가 음성적으로 굽어져 있다면 먼거리에서 과잉을 기대할 수 있을 것이다. 이것이 우주의 형태를 결정하는 비교적 쉬운 방법같이 들릴지는 모르겠지만, 사실 적용하기란 쉽지가 않다. 왜냐하면 그 효과가 대단히 작고 실제로 광학망원경으로 탐지할 수가 없기 때문이다. 따라서 전파망원경을 이용해 이런 유형의 많은 조사들이 이루어져오고 있지만, 그 결과는 아직까지 확실치 않다. 만일 우주가 양성곡률을 갖는다면 근처 은하들의 과잉분포가 나타날 것이며 음성곡률을 갖는다면 먼 우주에서 과잉분포가 나타날 것이다. 그러나 우주의 곡률이 그 팽창과 어떤 관계가 있을까? 중요한 관계가 있다는 것이 밝혀졌다. 우주의 곡률은 그 안에 있는 물질의 양, 다시 말해서 그 평균밀도로 결정된다. 우주의 팽창률은 또한 그 평균밀도에 의존한다. 그러므로 곡률이 팽창률을 결정한다. 예를 들어 만일 우주가 양성적으로 굽어져 있다면 그 팽창률은 비교적 낮을 것이다. 이런 경우 중력이 결국 은하들을 압도하게 될 것이므로 은하들이 움직이는 것을 멈추고 수축해서 원래로 돌아갈 것이다. 이것은 그 평균밀도가 2 10-29g/cm보다 클 때 일어난다. 우리는 이 숫자를 임계밀도라고 부른다. 만일 그 평균밀도가 이것보다 작으면 우주는 음성적으로 굽어져 있는 것이며 영원히 팽창할 것이다. 그리고 그것이 정확히 임계밀도라면, 그 우주는 평평
하다. 그렇다면 우주의 평균밀도는 얼마일까? 그러나 불행히도 천문학자들은 이것에 대해 알지 못한다. 그 문제는 우리가 우주안에 있는 물질의 많은 부분-우리가 암흑물질이라고 부르는 물질-을 볼 수 없기 때문에 상당히 복잡해진다.
5. 빅뱅의 미래
지금 이 순간에도 빅뱅이론은 위기에 직면해 있다. 그것의 운명은 향후 수년 내에 이루어질 많은 관측에 달려 있다. 코비에서 나온 초기의 자료에 의하면 우주배경복사에 차가운 암흑물질 모형과 일치하는 요동들이 있는데 이것은 그 이론에 이점을 준다. 그러나 휠씬 더 많은 연구가 필요하다. 다행히 아직은 분석되어야 할 휠씬 많은 자료가 있으며 앞에서 보았듯이 많은 실험이 남극대륙에서 또한 이루어지고 있다. 그것은 분명 빅뱅이론의 운명을 결정하는 데 도움을 줄 것이다. 대폭발이론에 영향을 미치게 될 몇 개의 대규모 은하 탐사가 또한 계획단계에 있다. 그 탐사는 우리에게 대규모 구조에 대한 휠씬 좋은 묘사를 줄 것이다. 특히 그 탐사는 우리에게 이 구조가 빅뱅이론과 일치하는지의 여부를 말해줄 것이다. 수년간의 기간에 걸쳐 후크라와 겔러는 대략 15000개의 적색이동을 측정했다. 프린스턴과 고등연구소 그리고 시카고 대학의 천문학자들로 이루어진 한 연구팀은 휠씬 더 짧은 시간 내에 백만 개 은하의 적색이동을 얻게 해줄, 컴퓨터로 통제되는 2.5m 망원경과 광섬유 측정기를 사용하는 탐사를 계획하고 있다. 그렇게 많은 수의 적색이동이 얻어진다면, 깊숙한 우주공간에 대한 우리의 지도에 중요한 확장이 이루어질 것이 분명하다. 빅뱅이론을 검토하기 위해 이루어질 장래의 관측적 연구에는 새롭고 더 큰 망원경들이 중요하다. 몇 개가 계획되고 있으며, 많은 것들이 이미 건설되었다. 예를 들면 하와이의 10미터 켁망원경은 130억 년 전의 은하를 볼 수 있을 것으로 기대된다. 이것은 팔로마 망원경의 80억 년과 비교된다. 다른 망원경들은 8미터짜리 거울 두 개를 갖게 될 아리조나 대학교의 콜럼버스와 8미터짜리 거울 하나로 이루어진 토롤로 천문대의 마젤란이 있다. 또한 일본이 하와이에 건립한 8미터짜리 망원경도 크게 기대가 된다. 그리고 마지막으로 VLT라고 불리는 거인 망원경이 칠레에 완공되었다. 그것은 8미터짜리 거울 4개로 이루어져 있다. 이론 천문학자들 역시 바쁘게 연구를 진행하고 있다. 더 크고 더 강력한 컴퓨터가 개발되어 구조의 발전을 시뮬레이션하는 데 사용될 것이다. 이들 시뮬레이션은 현재의 단 수백만 개에 비해 수억 개의 요소를 갖는 모형우주를 다룰 수 있을 것이다.
6. 새로운 우주창조 모델 - 인플레이션
1979년 앨런 구스는 인플레이션이론을 주장했다. 그후 알브레히, 슈타인하르트 린데에 의해서 중요한 개선이 이루어 졌다. 이 이론은 우주론의 매우 중요한 세 가지 문제를 해명해 준다. 첫 번째로 인플레이션 이론은 우주배경복사의 균질성으로 밝혀진 극도로 균일한 초기 우주가 어떤 과정을 거쳐 현재 우주에서 명백히 드러난 불규칙한 구조로 진화할 수 있었는지 설명할 수 있다. 두번째로 이 이론은 자기 단극자를 비롯해서 초기 우주의 가설상 잔해가 발견되지 않는 이유를 밝혀 준다. 또한 우주가 회전하지 않는 이유, 우주의 편평성과 균질성이 상실된 이유 그리고 심지어는 아인슈타인의 우주항이 완전히 허구가 아니라는 사실까지 밝혀냈다. 게다가 인플레이션 이론은 우주가 지금까지 생각했던 것보다 훨씬 거대하다는 것을 알려준다. 인플레이션이론에 따르면, 유일한 힘이었던 초강력이 오늘날 자연계의 기본적인 4힘, 즉 중력, 전자기력, 강력, 약력으로 쪼개지면서 인플레이션이의 동력을 제공하였다. 이 과정은 창조의 특이점이 형성된 이후 { 10}^{-34 } 초가 경과할 때마다 두배의 크기로 불어났다는 것이다. 인플레이션은 우주초기, 즉 우주가 극히 작은 세계였을 때 일어나서, 우주를 오늘날과 같은 차원 을 갖춘 형태로 만들어 놓았다. 즉 당시 우주는 아주 작고 균일한 상태여서 어떠한 불규칙성도 여기에 끼여들 여지가 없었다. 바로 이 때 인플레이션을 거쳐 오늘날의 우주가 되었다. 따라서 현재의 우주는 균일성을 가질 수밖에 없다. 우주초기 { 10}^{-35} 초 무렵에 강한 핵력이 전자기에서 갈라지는 중요한 상전이가 일어난다. 이 대칭성의 깨어짐은 히그스 입자에 의해서 발생한다. 경계 온도에서 새로운 상의 거품들이 낡은 상 안에서 태어나서 성장한다. 그러나 이 성장은 여느 때의 팽창처럼 멱의 법칙이 아니라 지수 함수적으로 늘어난다. 이 지수 함수적 팽창 즉 인플레이션 동안에 우주는 약 { 10}^{-35 }초마다 크기가 2 배로 늘어나서 { 10}^{-32 }초 무렵에 인플레이션이 끝날 때까지 약 { 10}^{-23 } cm 크기에서 약 10cm의 크기로 성장한다. 이는 { 10}^-38 초 후에는 우주가 처 음 크기의 210 배가 됨을 의미한다. 또 { 10}^{-32 } 초 후 에는 처음의 2100배 크기가 된다. 눈 한번 깜박 하는 것보다 훨씬 더 짧은 시간동안 양성자의 10-36정
도의 크기를 가진 우주가 직경 10cm의 과일 크기로 바뀌었다는 얘기다. 공간 그 자체는 이 기간 동안에 광속도보다 훨씬 빠르게 일어난다. 즉 인플레이션이 일어날 때 공간의 팽창속도는 아인슈타인의 속도의 극한에 의해 제한을 받지 않는다.(아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면 공간을 통해 움직이는 어떤 물체도 빛의 속도를 능가할 수 없다.) 말하자면 인플레이션에 의한 팽창은 빛의 속도를 능가한다. 우주의 팽창이란 공간 그 자체가 뻗어나가는 것이기 때문이다.
7. 인플레이션과 상대성이론
상대성 이론에서는 빛보다 빠른 운동은 없다고 한다. 그러나 인플레이션 때에는 공간이 광속보다도 빨리 팽창한다. 이는 인플레이션 우주에서는 상대성 이론이 모순되는 것처럼 보인다. 인플레이션 시대의 우주팽창은 계속해서 가속된다. 그래서 아주 가까이에 있던 두점도 광속보다도 빨리 멀어지게 된다. 그러나 이것은 상대성 이론과는 모순되지 않는다. 상대성 이론이 주장하고 있는 것은 움직이고 있는 물체의 각시각에서의 속도는 그 시각에 바로 평에 서있는 사람이 봐서 결코 광속은 넘는 일은 없다는 것이
기 때문이다. 구체적 보기로서 무한히 뻗는 고무줄이 1초에 2배의 비율로 뻗고 있다고 하자. 그리고 어느 시간에 고무줄에 30만 km 마다 눈금을 새겼다고 하자. 그러면 이웃하는 눈금까지의 거리는 1초후에는 60만 km가 된다. 1초 동안에 30만 km만큼 증가한 셈이므로 이것은 광속도이다. 그러나 둘이 떨어진 눈금은 60만 km에서 120만km 로 결국 1초 동안에 60만 km 떨어지게 된다. 이것은 광속의 2배이다. 그러나 이것은 상대성 이론과는 전혀 모순되지 않는다. 눈금자체는 고무줄 위에 그려져 있기 때문에 전혀 움직이지 않는 것이다. 고무줄이 광속도보다 빨리 움직이고 있는 것이 되어 상대성 이론과 모순이지만 여기서는 단지 공간의 퍼짐을 고무줄에 비유한 것이므로 문제는 없다. 인플레이션 시대가 아니라도 처음부터 아주 멀리 떨어져 있는 2점은 서로 광속보다도 빨리 멀어지고 있는 것이다. 1초마다 길이가 2배가되는 고무줄에 어떤 시각에 30만 km미다 눈금을 새긴다. a에서 보았을 때 b는 30
만 km, c 는 60만km 떨어져 있다. 1초 후에 고무줄이 2배가되면 b는 30만 km, c는 60만 km를 이동한 것이 된다. c 의 속도는 광속을 넘었지만 c는 고무줄에 고정되어 있기 때문에 실제로는 움직이지 않으므로 상대성 이론과 모순되지 않는다. 그래서 하나의 작은 구역의 열적 특성이 수많은 구역들에 고루 퍼지게 되고 따라서 우주 배경복사의 대역적 균질성을 설명할 수 있다. 시간, 물질(혹은 에너지)과 마찬가지로 공간이란 우주의 탄생과 더불어 생겨난 것이고 그것이 생겨난 이후 지금까지 쉼 없이 팽창해오고 있다. 이러한 인플레이션 이론으로 앞의 문제들을 모두 해결하게 되었다.
인플레이션
이론은 GUT를 써서 자기 홀극의 문제를 해결한다. 여기에는 자기 홀극이 구역들 사이의
벽면에서만 생긴다는 사실이 이용된다. 그러므로 우리가 관측할 수 있는 우주 전체에
오직 1개 정도의 자기 홀극이 존재할 수 있다. 그러므로 현재 관측 가능한 우주 내에는
(원래 한 개의 우주지평선이 
배로 자란 지역)기껏해야 한 개의 자기 단극자가 존재할 수 있을 뿐이다. 무론
1백억 광년 크기의 우주에 하나밖에 없는 자기 단극자를 지금 지구상의 조그만 실험실에서
포착할 확률은 거의 0에 가깝다. 이것이 '사라진'자기 단극자들의 행방에 대한 인플레이션
이론의 설명이다. 자기 홀극은 시공간의 결함으로 나타난다. (얼음속의 금(defect))
인플레이션 모델은 또 우주가 왜 이처럼 평탄한지를 우주의 급속한 팽창으로 아주
자연스럽게 설명한다. 여기서 우리는 우주의 밀도와 곡률사이의 관계를 잘 이해해야한다.
밀도가 경계 값으로부터 많이 어긋날수록 우주공간의 곡률은 커진다. 달리 말하면
우주가 보다 평탄할수록 밀도는 보다 경계 값에 가까워진다. 예 1 )
부풀고 있는 풍선을 들어보자. 처음에는 풍선이 아주 작고 표면의 특정한 넓이는
상당히 큰 곡률을 보여준다. 풍선이 팽창함에 따라 그 부분의 곡률은 차차 줄어든다.
이와 마찬가지로 우주도 인플레이션에 의한 엄청난 팽창 때문에 평탄해질 수밖에
없는 것이다. 예 2 ) 대규모 팽창을 통해 나타나는 첫 번째 현상은
곡선이 '편평'하게 퍼지는, 곡선의 직선화 현상이다. 예를 들면 50원짜리 동전의
굽은 테두리가, 그 동전이 지구만큼 커졌을 때는 수평선과 같은 직선으로 보이게
됨을 상기하자. 이것이 바로 인플레이션이 제공하는 초기'편평' 우주에 대한 해답이다. 우리는
인플레이션 기간의 우주의 열적 역사도 생각해야 한다. 인플레이션 이전의 짧은 시간
동안 우주는 아주 높은 온도 
K를 가졌을 것이 확실하다. 온도가 내려감에 따라 오늘날 관측된 우주로 발전된
새로운 상의 작은 거품은 과냉각 된다. 인플레이션이 끝날 때 잠열은 뜨거운 물질
입자나 복사의 압도적 범람으로 방출된다. 사실 우리가 오늘날 관측하는 배경복사는
바로 이 불덩어리가 오늘날 관측하는 배경 복사는 바로 이 불덩어리가 식은 잔재와
다름없다. 오늘날 관측되는 모든 물질과 복사는 이 불덩어리에서 유래한다. 인플레이션
이론에 따르면 현재 관측되는 우주란 인플레이션을 통하여 원래 크기의 10^{-28 }
배 자란 '한개'의 우주지평선 이내의 지역에 해당한다. (여기서 우주지평선이란 주어진
우주나이에 빛이 주파할 수 있는, 즉 물질간 상호작용이 가능한 최대거 리를 말한다)
그러므로 '같은'우주 지평선 이내의 지역에서 발생된 우주배경복사선의 온도가 방향에
상관없이 거의 같은 온도를 지닌다는 것은 하나도 이상할 게 없다 지금의 우주는
빅뱅이 아니라 다른 우주와의 대 충돌로 탄생했다는 주장이 제기됐다. 미국 프린스턴대
물리학자들이 빅뱅이론보다 쓰임새가 넓은 가설을 내놓았다고 CNN이 13일 전했다.
인력에 이끌린 두 우주가 충돌, 현재의 우주가 태어났다는 것. 대충돌이론은 우주가
물리적인 실체를 갖기 훨씬 전부터 시간과 공간이 존재했다는 전제에서 출발한다.
폴 스텐인하트 교수는 "3차원적인 진공상태였던 두 우주가 서로 가까워지다가
결국 충돌, 에너지와 소립자들이 생겨났다"며 "우주공간의 가장자리로부터
채취한 방사선들이 모두 동질성을 보이는 게 그 증거"라고 주장했다. 우주의
양쪽 끝이 놀라울 만큼 똑같은 환경이라는 것은 빅뱅이론으로는 설명이 안된다. 대폭발이
일어났다면 그 엄청난 열로 인해 단극이라고 불리는 입자들이 생겨났어야 마땅한데
이들이 발견되지 않은 것도 빅뱅이론의 커다란 결함이었다. 우주가 탄생한 순간부터
계속 팽창하고 있다는 빅뱅이론이 위기를 맞고 있다.
8. 기독교 관점에서 본 빅뱅
빅뱅이론에서 주장하는 대폭발 전의 사건들은 알 수 없으며 생각하지 않아도 된다. 그 이유는 그 전의 일들은 지금 일어나고 있는 일들을 설명할 수 있는 하등의 원인도 제공하지 않기 때문이다. 이렇게 그전 시간이 무의미하며 정의될 수 없다면 우주는 대폭발로 시작되었다고 해도 괜찮을 것이다. 이렇게 따져서 말하는 우주가 시작된 시간은 지금까지 논의해 오던 우주의 시작과는 매우 다르다. 지금까지는 우주는 영원부터 영원까지 불변이며 정적이라는 가정 하에서의 우주의 시작을 말했는데 이런 시간은 우주 와 관계없이 주어진 시간이다. 우주가 불변인데 언제 시작했던 무슨 상관인가? 하나님이 어느 특정시간에 창조했다고 상상할 수도 있다. 그러나 한편 우주가 계속 변하며 팽창하고 있다고 생각해보자. 그 때는 우주가 시작되었을 시간에 과학적 이유가 있다. 사람들은 하나님이 우주를 창조하되 대폭발의 시점에 창조했다고 할 수도 있으며 비록 그 뒤라 할지라도 그 전에 대폭발이 있었던 것처럼 생각하도록 창조할 수 있다. 그러나 대폭발 전의 시간은 무의미하다. 우주 팽창설은 꼭 조물주가 있었다는 것을 부정하지 않는다. 그러나 그 시기를 대폭발 전까지 가져 갈 수는 없다. 우주의 성격을 말하거나 그것에 시작이 있고 끝이 있느냐? 하는 문제를 다루는 과학적인 이론이 어떤 것인가 하는 것에 대해서는 이를 좀 더 분명히 할 필요가 있다. 우주의 모델에 대한 이론과 우주모델에 대한 제한 또는 우리가 관측하고 있는 정량적인 모델들을 좀 단순화해서 생각해 볼 필요가 있다. 이런 모델들은 우리 마음에만 있고 실제에는 없는 것일 수도 있다. 그러나 어떤 것이 더 좋은 모델인가 하는 것은 생각할 수 있다. 좋은 모델이란 다음 두 가지를 만족할 때이다. 첫째는 그것이 대부분의 관측결과와 정확하게 일치하는 모델을 가지고 있으며 예외는 극히 드문 경우이다. 둘째는 그 모델이 앞으로 일어날 일에 대해 분명한 예측을 할 수 있을 때이다. 예를 들면 아리스토텔레스는 모든 물질은 물, 불, 공기, 흙의 네 원소로 되어 있다는 엠페도클레스의 이론을 믿었다. 이것은 매우 단순하고 좋다 그러나 이 이론이 미래의 어떤 것을 예측하는가? 한편 뉴턴의 만유인력의 법칙은 두 물체는 그들의 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하는 힘이라고 더욱 단순한 법을 내놓았다. 그런데 이 법칙은 해의 운동과 달의 운동과 행성들의 운동을 정확하게 예측하고 있다. 결국 뉴턴이 자연을 설명하는 더 좋은 모델을 내놓고 있다.
모든 물리학적인 정리는 잠정적이다. 그것은 가설에 불과하기 때문이다. 아무리 여러 관측치가 이 정리와 일치한다고 할지라도 누가 다음 번 실험에서 이 법이 맞지 않다고 말하게 될 지 알겠는가? 이런 정리는 단 한 가지만이라도 맞지 않은 반예(反例)를 제공함으로 무효화 할 수가 있다. 과학철학자 칼 포퍼(Karl Popper)가 강조했던 것처럼 좋은 정리란 그것이 많은 실험 결과로 잘못이 밝혀지든지 무효화될 수 있는 많은 예측을 내포하고 있는 것을 말한다. 새롭게 실험을 할 때마다 그 예측이 이론과 일치하면 이 정리는 살아남고 예측이 실험결과와 일치하지 않으면 정리는 폐기되거나 수정보완 된다. 실제적으로는 새로운 정리는 앞에 있던 정리의 확대 및 일반화로 이루어진다. 예를 들면 행성인 수성의 예리한 관측은 그의 운동과 뉴턴의 만유인력 법칙이 예측한 결과 사이에 사소한 차이점이 있다는 것을 보여주었다. 그러나 그 차이점은 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로는 잘 설명이 된다. 즉 아인슈타인의 예측은 우리가 관측한 것과 일치하나 뉴턴의 예측은 일치하지 않는다는 이야기다. 그렇다면 뉴턴의 이론은 폐기되고 아인슈타인의 이론으로 대체 되어야 하는가? 물론 뉴턴의 예측이 관측치와 일치하지 않을 때 새로운 이론이 나왔다. 그러나 거의 모든 실제적인 현상에 지금도 뉴턴의 이론을 적용하고 있다. 이유는 아인슈타인과 뉴턴의 예측은 그 차이가 미세하며 뉴턴의 정리는 아인슈타인의 것에 비해 훨씬 간소하기 때문이다. 결국 구 모델은 폐기된 것이 아니라 새로운 모델로 보강된 것뿐이다. 과학의 종국적인 목표는 온 우주를 다룰 수 있는 유일한 정리를 찾아내는 일이다. 이에 대한 과학자들의 실제적인 접근은 두 종류로 분류된다. 첫째는 시간과 함께 우주가 어떻게 변하고 있는가 하는 것을 예측할 수 있는 정리를 찾는 일이고(우리가 어느 한 순간에 우주의 상태가 어떤가 하는 것을 알면 이 법은 이 뒤 특정한 시간에는 우주가 어떻게 변해 있는 가 하는 것을 예측할 수 있게 해 준다) 둘째는 우주가 언제 시작되었는가 하는 것을 문제 삼는 일이다. 어떤 사람들은 과학이 할 수 있는 일은 첫째 경우라고 말한다. 언제 우주가 시작되었는가 하는 것은 형이상학이나 종교에 맡겨 두면 된다고 생각한다. 또 하나님은 전지 전능하기 때문에 그분은 자신이 원하는 대로 시작할 수 있었을 것이라고 생각한다. 그럴 수도 있었을 것이다 .그러나 그렇다면 하나님은 우주가 제멋대로 발전하도록 만들었다는 말인가? 하나님은 주사위를 던져 세상을 운행하시지는 않으실 것이다. 사실 우주는 어떤 규칙적인 법에 따라 발전하고 있는 것처럼 보인다. 그런 규칙적인 법이 있다면 우주의 시작도 이 법에 따르지 않겠는가? 이 우주를 다스리는 단 하나의 이론을 찾는 다는 것은 심히 어려운 일이다. 따라서 우리는 문제를 나누어서 조각 조각을 다스리는 법을 찾아낸다. 각 정리들은 관측하는 한정된 영역을 설명하고 예측한다. 이 때 다른 영역은 무시한다. 그러나 이러한 접근 방법은 사실은 잘 못된 것이다. 우주에 있는 모든 현상들이 근원적인 것과는 상관없이 파편적인 정리에만 의존하고 있다면 고립된 분야의 문제들을 관측함으로 종합적인 해결을 찾을 수는 없는 일이다. 그럼에도 불구하고 이런 일들이 과거에 과학을 발전시켜온 방법이었다. 고전적인 예로는 뉴턴의 만유인력에 관한 이론이다. 만유인력의 법칙은 두 물체간에 작용하는 중력이란 오직 두 물체가 가지고 있는 질량이라는 숫자에만 의존하고 이 물체가 무엇으로 만들어 졌느냐 하는 것과는 아무 상관이 없다. 따라서 과학자는 행성의 궤도를 계산하기 위해서 해와 행성의 구조나 상호관계 같은 것은 알 필요도 없다. 오직 그 질량만이 운동 방식을 결정한다. 우리가 분명 우주는 임의로 창조되지 않았으며 어떤 일정한 규칙 하에 움직이도록 만들어졌다고 확신한다면 언젠가는 조각난 이 두 정리를 하나로 만들어서 우주의 모든 것을 설명할 수 있게 될 것이다. 그러나 우주의 모든 것을 설명하게 될 하나의 통일된 이론을 찾는다는 것에는 근본적인 역설이 있다. 이런 과학적인 아이디어를 생각해 낼 수 있기 위해서 우리는 모두 이성적인 존재이며 우리가 원하는 대로 우주를 살필 수 있으며 우리가 본 것으로부터 논리적으로 바른 연역을 할 수 있다는 것을 가정해야 한다. 그런 일을 가정한다면 우리는 우주를 다스리는 법에 더욱 가까워질 수 있을 것이다. 그러나 정말 그런 완전히 통일이 된 이론이 존재한다면 그것은 또한 우리들의 행위와 사고의 결과까지도 결정할 수밖에 없을 것이다. 그래서 그 유일한 법이 우리가 찾고자 하는 법까지도 스스로 찾아내게 된다. 이 때
그 통일된 법이 가져오는 예측이 반드시 주어진 정황에 옳은 결론을 가져온다고 말할 수 있을까? 어쩌면 틀린 판단을 가져올 수도 있지 않을까? 또는 아무런 결론도 안 가져오도록 결정하는 것은 아닐까? 여기서 논리적으로 설명할 수 있는 가능한 한 가지 답은 다윈의 자연선택(natural selection)의 원칙이다. 그 원칙이란 어떤 자기 재생적 생물체이든 그 인구 분포는 각 개체가 가지고 있는 유전적 물질과 성장상태에 따라 다양하다. 즉 어떤 개체는 그들 주변에 있는 환경에 대해 다른 종보다 바른 결론을 내리고 이에 적응해서 행동한다는 것이다. 이런 개체는 더 잘 계속 생존하고 번식하며 따라서 그들의 행동과 사고 패턴이 우세하게 된다. 과거에 소위 우리가 말하는 지성과 과학적 발견이 생존에 유익한 위상을 차지했다는 것도 사실인 것을 우리는 안다. 그러나 이것이 앞으로도 그렇게 될 것인지는 분명하지 않다. 우리의 과학적인 발견이 우리를 파멸시킬지도 모른다. 그렇지는 않다 하더라도 완전한 통일 이론이 우리의 생존을 보장하는데 아무런 기여를 하지 않을 지도 모른다. 그러나 우주가 규칙적으로 발전해 나간다면 자연선택의 원리가 우리에게 유리한 추리능력을 주어서 완전한 통일 이론을 찾는데 결국 도움을 줄지도 모른다. 그리해서 우리에게 바른 결론을 가져오도록 할지도 모른다