우주의 열적 죽음
무한하고 정적이며 영원한 우주라는 개념은 올베르스의 역설 외에 또 다른 문제를 내포하고 있다. 열역학 제2법칙과 모순되는 상황이 발생하는 것이다. 열역학 제2법칙이란 고립된 계에서 엔트로피entropy는 감소하지 않는다는 사실을 뜻한다. 흔히 과학자들은 대중에게 쉽게 다가가기 위해 엔트로피가 낮은 상태를 질서, 엔트로피가 높은 상태를 무질서에 비유하곤 한다. 안타깝지만 엔트로피를 이렇게 질서와 무질서로 설명하는 방식은 과학적으로 적절하지 않고 수많은 오해를 일으켜왔다.
엔트로피의 값은 비평형 상태에서 낮고 평형 상태에서 최대가 된다. 엔트로피 법칙에 따르면 닫혀 있는 계의 엔트로피는 항상 증가한다. 자연은 외부의 간섭이 없을 경우 항상 비평형에서 평형 상태로 이동하는 성질을 갖는다는 뜻이다.
생명체가 살아 있는 이유는 끊임없이 광합성이나 음식 섭취를 통해 외부로부터 에너지를 획득하며 스스로를 주변 환경과 비평형 상태로 유지하기 때문이다. 만일 당신이 고립된 감옥에 갇혀 있다면 며칠을 견디지 못하고 죽음을 맞이할 것이다.
이렇게 엔트로피가 최대에 이른 상태를 흔히 ‘열적 죽음thermal death’이라 부른다. 우주가 정적이고 영원했다면 우주는 이미 열적 평형 상태, 즉 열적 죽음에 도달했어야 한다.
‘우주는 영원하지 않았고 과거 어느 시점에 신에 의해 창조되었다.’
그는 시간, 공간, 물질이 상호 관계에서만 정의될 수 있다고 생각했다. 이 생각에 따르면 질량은 주변의 시공간을 일그러뜨린다. 이 일그러짐으로 주변의 사물은 가속운동을 하며, 가속은 사물에 힘을 느끼게 한다. 이 힘이 바로 중력이다. 다시 말해 중력은 사물이 가속할 때 받는 힘, 즉 관성력과 동일한 원리로 작동한다. 이를 등가원리라고도 하는데, 일반상대성이론의 핵심이다.
절대 시간과 절대 공간이라는 프레임에 갇혀 있던 뉴턴은 자신이 발견한 이 힘의 원리가 중력이라는 신비까지도 포괄적으로 설명할 수 있다는 사실을 미처 깨닫지 못했다.
피카소의 그림이 세상을 놀라게 했다면 이 방정식은 아예 세상을 뒤집어놓았다. 당신의 그윽한 시선을 잠시라도 받을 자격은 충분하다.
우주상수를 물리적으로 해석한다면 공간이 중력에 반해 팽창하도록 만드는 진공에너지에 해당한다. 오늘날에는 흔히 암흑에너지라 부르곤 한다. 오늘날에는 암흑에너지의 증거가 계속해서 쌓여가고 있지만, 아인슈타인이 활동하던 당시 암흑에너지의 과학적 근거는 어디에도 없었다. 우주상수의 도입은 단지 우주를 정적으로 만들기 위한 고육지책일 뿐이었다.
관찰자가 파원과 서로 가까워지면 파동의 주파수가 높아지고, 멀어지면 주파수가 낮아지는 현상을 도플러 효과라 부른다.
1927년 벨기에의 솔베이에서 열린 학회에서 르메트르는 아인슈타인에게 논문을 건네주며 의견을 구했다. 당시 아인슈타인은 그 논문을 읽고 다음과 같이 말했다고 전해진다.
당신의 계산은 정확하지만, 당신의 물리는 혐오스럽군요.
우주의 시작과 끝을 향한 지적 탐험
아인슈타인의 패배
파섹이란 시차가 1초에 해당하는 거리를 뜻하는 천문학적 단위로, 1파섹은 3.26광년이다.
허블의 발견은 우리에게 한 가지 중요한 질문을 던진다. 우주가 이처럼 팽창하고 있다면 과연 과거 우주는 어떤 모습이었을까 하는 것이다. 과거로 갈수록 우주의 크기는 작아져야 하므로 우주는 한 점으로 몰리게 된다. 그렇다면 한 점에서 시작해 현재까지 팽창한 시간은 단순히 어떤 은하까지의 거리를 그 은하의 후퇴속도로 나눈 값이 될 것이다.
오늘날의 최신 결과인 100만 파섹 기준 초당 70킬로미터에 따른 허블시간은 140억 년 정도다. 물론 허블시간은 우주 나이의 근사 값이고 실제 우주의 나이는 보다 더 정밀한 계산이 필요하다. 2019년 기준 천문학자들이 추정한 우주의 나이는 138억 년이다. 이는 현대의 지질학자들이 추정한 지구의 나이 46억 년보다 훨씬 더 긴 시간이다.
별의 지문
프랑스의 계몽주의 철학자이자 사회학자 콩트는 1842년에 출판된 그의 대표 저서 『실증철학강의Cours de philsophie positive』에서 우리는 결코 별의 내부 구성에 관해 알 수 없을 것이다라고 말했다. 별은 너무나 멀리 떨어져 있기에 우리가 할 수 있는 것은 그저 별의 거리나 질량을 측정하는 것일 뿐, 별의 화학적 성분에 관한 정보까지 얻는 것은 불가능하다고 판단한 것이다.
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