우주에 시작이 있었다

우주에 시작이 있었다

우주에 시작이 있었다는 과학적 증거가 1920년대에 처음 나왔습니다. 이전까지만 해도 거의 모든 과학자들은 영원한 과거부터 존재해온 靜的(정적)인 우주를 믿었습니다. 그러한 믿음에 대한 반박의 증거는 간접적이었으며, 미국의 천문학자 에드윈 파월 허블Edwin Powell Hubble(1889-1953)이 캘리포니아 주 패서디나 근처 1904년에 건립된 윌슨 산 천문대Wilson Mount Observatory의 100인치 망원경으로 관찰한 결과를 근거로 했습니다. 허블은 1929년경 은하를 관측하던 중 그 스펙트럼의 선에 나타나는 적색편이를 시선 속도로 해석하고 후퇴하는 속도가 은하 사이의 거리에 비례한다는 허블법칙을 발표했습니다. 그것은 그 후 빅뱅 이론의 기초가 되었습니다. 적색편이란 별이 멀어질 때 나오는 빛의 파장이 길어지는 도플러 효과Doppler effect에 의해 파장에서 빛의 중심이 긴 쪽 적색으로 약간 이동한다는 효과입니다. 도플러 효과는 파동의 파동원wave source과 관찰자의 상대 속도에 따라 진동수frequency와 파장wavelength이 바뀌는 현상으로 오스트리아의 물리학자 크리스티안 도플러Christian Johann Doppler(1803-53)가 발견했으므로 그의 이름을 딴 것입니다.

허블은 망원경을 통해 거의 모든 은하가 우리로부터 멀어져가는 중이며, 멀리에 있는 은하일수록 더욱 빠르게 멀어져가는 것을 발견했습니다. 이는 우주가 팽창하고 있다는 것입니다. 우주가 현재 팽창하는 중이라면 우주가 과거에는 더 작았다는 뜻입니다. 까마득히 먼 과거에 우주에 있는 모든 물질과 에너지는 아주 작은 구역에 모여 있었고, 그 구역의 온도와 밀도는 상상할 수 없을 정도로 높았다고 유추할 수 있습니다. 더 나아가 충분히 거슬러 올라간 과거, 우주에는 시작이 있었습니다. 오늘날 그것을 빅뱅이라고 부릅니다.

우주가 팽창한다는 걸 제대로 이해하려면 우주 공간 자체가 확장되는 것을 상상해야 합니다. 케임브리지 대학의 천문학자 아서 스탠리 에딩턴Arthur Stanley Eddington(1882-1944)은 우주를 부푸는 풍선의 표면에, 모든 은하를 그 표면에 찍힌 점들에 비유했습니다. 여기서 풍선의 반지름이 한 시간마다 두 배로 증가한다면, 그 풍선의 표면에 있는 임의의 두 은하 사이의 거리도 한 시간마다 두 배로 증가하게 됩니다. 두 은하 사이의 거리가 1cm였다면 팽창 후 그 거리가 2cm로 늘어나는 것입니다. 이 경우 두 은하가 서로 멀어져가는 속도는 시속 1cm가 됩니다. 두 은하 사이의 거리가 2cm라면, 한 시간 후 그 거리는 4cm가 될 것이며, 따라서 두 은하가 서로 멀어져가는 속도는 시속 2cm가 됩니다. 이것이 허블이 발견한 것입니다. 먼 은하일수록 우리로부터 더 빠르게 멀어져가는 것입니다.

우주가 팽창하더라도 은하, 별, 사과, 원자 등의 대상들은 크기에는 변화가 없습니다. 공간만 팽창되는 것입니다. 풍선의 표면에 동그라미를 그린다면 그 동그라미는 풍선이 팽창하더라도 팽창하지 않습니다. 은하단을 이루는 은하들은 중력에 의해 묶여 있으므로 공간이 팽창하더라도 원래의 크기와 배열을 유지합니다.