빅뱅은 워낙 물리학계의 화두이므로 다시 부언하여 설명한다. 앞에 설명한 것과 다소 중복되는 설명도 있지만 이는 그만큼 빅뱅이 중요한 의미를 갖고 있다는 뜻도 된다.
아인슈타인이 상대성이론으로 뉴턴 역학이 풀지 못하는 분야, 즉 우주로 학문을 넓혀 놓은 이래 많은 학자들이 우주에 대한 궁금증을 풀기 위해 도전했다.
사실 우주의 기원에 관한 질문은 근원적인 질문이다. 그것은 결국 우리가 살고 있는 우주를 탄생하게 만든 무언가가 반드시 존재해야 한다는 것이다. 그렇다면 또 다시 불가피하게 그 무언가를 존재하게 만든 원인은 또 무엇인가라는 물음에 직면하게 된다. 이런 식으로 계속 꼬리를 물게 되면 어느 누구나 결론적으로 모른다고 대답하게 마련이다.
기독교에서는 신이 우주를 창조했다고 설명한다.
한 이교도가 이웃에 사는 기독교도에게 “신이 우주를 창조하기 전에는 무슨 일을 했는가?”라고 물었다. 그러자 질문을 받은 기독교도는 이렇게 대답했다.
“너 같은 이교도들을 위해 지옥을 만들고 계셨다.”
이 말은 다른 교인들이 기독교인들을 상대로 조롱할 때에도 사용된다.
그러나 과학자들은 이런 류의 대답, 즉 모른다는 말과 우회적으로 빈정대는 것을 가장 싫어한다. 그리고 그런 대답을 피하고 결정적인 증거를 찾으려는 자세가 과학적인 탐구를 위한 동기가 된다.
400년 전만해도 우리는 약 5,000개의 별과 몇 개의 행성이 우주의 한계인 줄 알았다. 위치가 변하지 않는 유한개의 항성이 유한한 우주 공간 전체에 고르게 분산되어 있다고 믿었기 때문이다. 1572년 튀코 브라헤(1546~1601)가 관찰한 초신성을 제외하면 그로부터 거의 2,000년 전에 아리스토텔레스가 설명한 우주와 다를 바가 없어 보였다.
그러나 1609년 갈릴레이가 망원경을 만들어 우주를 탐색한 그 당시 ‘우유의 길(Milky Way)' 즉 은하수가 구름으로 이루어져 있지 않다는 것을 확인했다. 한마디로 은하수는 거대한 별들의 집합이었다. 학자들은 어떻게 하늘에 태양과 지구, 여러 가지 행성을 포함한 별들이 생겼으며 어떤 물질로부터 생명이 잉태되었는지를 설명해 주었다.
1781년 영국의 윌리엄 허셜(William Herschel, 1738〜1822)이 천왕성을 발견했다. 그리고 1785년 수천 개의 별들을 세심하게 목록으로 만들면서 우리 태양계가 적어도 수백만 개의 별들이 모여 있는 더 큰 계의 일부이며 그 계의 모양은 ‘끝이 거의 무한에 가까운 얇은 원반’처럼 생각하고 주장했다. 특히 그는 우리 은하에서 2,500개 성단을 발견하고 그것을 목록화했다.
1800년대부터 망원경의 성능이 급격히 개선되자 1845년 해왕성도 발견했다. 20세기 초반 할로 새플리(Harlow Shapley, 1885〜1972)는 우리 은하의 길이가 대략 10만 광년이며 나선 모양을 이루고 회전하는 거대한 별들의 집단 속, 나선팔의 가장자리 부분에 태양계가 위치한다고 발표했다. 우리 은하의 중심은 우리 태양계로부터 약 27,000광년 떨어져 있다.
하늘에 대한 정보가 계속 축적되자 우주가 상상할 수 없을 정도로 크고 넓다는 것을 깨달았고 우리 은하에 수백만 개의 별이 존재한다는 허셜의 추측은 과소평가한 것으로 드러났다. 현재 우리 은하에는 약 3,000억 개의 별을 갖고 있으며 우리 별들의 거리는 정의에 따라 10만 광년이 아니라 50만 광년까지 확장될 수 있다. 흥미로운 것은 우리 태양계와 우리 태양계가 위치한 나선팔은 초속 140마일로 움직여 시간 당 은하 중심에 대해 50만 마일을 이동한다. 그러므로 은하의 중심을 한 번 공전하는데 2억 3000만 년이 걸린다. 이를 보면 우리 태양은 어마어마한 은하의 중심을 약 20번 공전했다.
<우주의 팽창>
과학자들은 빛이 프리즘을 통과하면 무지개 색깔로 나뉜다는 사실을 오래전부터 알고 있었다. 흰색의 광선은 본질적으로 모든 색깔의 빛으로 이루어져 있으며 연속 스펙트럼이라는 것을 알려준다.
영국의 물리학자 윌리암 월라스톤은 태양의 연속 스펙트럼을 관찰한 결과 몇 개의 어두운 선들이 그 위에 중첩되어 있다는 것을 알고 그것들이 스펙트럼의 색깔들을 분리시키는 경계일 것으로 추정했다.
1850년대 독일의 구스타프 키르히호프와 로버트 분젠은 고온 버너를 사용해서 다양한 원소들을 뜨겁게 가열시킨 뒤 분광기를 통해 관찰했다. 놀랍게도 각 원소가 많은 밝은 색깔의 선들을 나타냈는데 특히 어떤 주어진 원소들은 이 밝은 선들의 위치가 항상 같다는 것을 발견했다. 그들은 자신들이 발견한 것으로 원소의 종류를 판명하는데 이용할 수 있다고 생각했다.
그들은 태양이 스펙트럼을 준다면 별과 행성 그리고 성운도 스펙트럼을 갖고 있어야 한다고 생각했다.
1856년 영국의 천문학자이자 대부호였던 윌리암 허긴스(William Huggins)는 자신의 저택 지붕에 천문대를 설치하고 별들을 조사한 후 분광기를 사용하여 성운과 별들의 차이점을 찾아냈다. 그가 천문학상에 중요한 위치를 차지하는 것은 분광기와 함께 사진건판을 이용하여 천문학에 사진기술을 이용한 최초의 사람이기 때문이다.
오스트리아의 크리스찬 도플러(Christian Doppler)는 음파의 진동수가 음원이 멀어지느냐 다가오느냐에 따라 변한다는 사실을 알았다. 즉 관측자가 움직이고 음원이 정지해 있다고 해도 같은 변화가 있었다.
이것을 앰뷸런스가 내는 경보음 소리로 설명해 보자. 앰뷸런스가 우리 쪽으로 다가오면서 경보음을 울리면 그 음이 고음으로 들리고 멀어져 가면서 경보음을 내면 그 음이 저음으로 들린다. 소리를 내는 물체가 듣는 사람으로부터 멀어질 때 음파의 파장이 늘어나기 때문이다. 도플러는 1842년에 이 효과를 수학적으로 해석했다.
도플러는 그러한 변화가 음파에서 일어난다면 광파에서도 일어나야 한다고 생각했고 이것을 구체화시킨 사람은 빛의 속도를 측정한 아만드 피조다. 그는 1948년에 빛의 스펙트럼에 있는 선들이 즉 광원(또는 수신자)이 상대적으로 움직일 때 위치를 옮긴다는 것을 증명했다. 자동차 속력 위반 탐지나 보안 경보장치에 사용하는 ‘도플러 레이더’ 장치는 도플러 효과를 이용한 것이다.
특히 그것들은 광원이 수신자로부터 멀어질 때는 스펙트럼의 붉은색 쪽으로 움직이며, 광원이 수신자에 가까워질 때는 푸른색 쪽으로 움직인다. 빛의 경우 광원이 관측자로부터 멀어지면 둘 사이의 거리가 넓어지기 때문에 그 사이에 있는 파장의 길이가 늘어나서 붉게 보이고 그 반대는 거리가 짧아지기 때문에 파장의 길이가 압축되어 청색으로 보인다. 이를 각각 적색이동(redshift)과 청색이동(blueshift)이라고 부른다.
1912년에 페르시발 로웰(Percival Lowell)이 만든 로웰 천문대의 슬라이퍼(V. Melvin Slipher)는 멀리 떨어진 곳의 성운의 스펙트럼을 측정하다 스펙트럼이 적색 쪽으로 쏠리고 있는 것을 발견했다. 이 현상은 성운이 지구로부터 멀어지고 있음을 알려준다.
적색이동의 정도로부터 성운이 지구로부터 멀어져 가는 속도를 산출할 수 있다. 이 작업에는 미국의 천문학자 허블(Edwin Powell Hubble)이 등장한다. 대학교에서 인기있는 권투 선수이자 농구 선수로 활약했으며, 제1차 세계대전 때에는 육군 소령으로 복무한 허블은 ‘도플러 레이더(nebulae)'라 불리는 수만 개의 희미한 빛의 무리에 대해 여키스 천문대에서 박사학위 논문을 작성했다.
허블은 조지 엘러리 헤일(George Ellery Hale)이 건설한 윌슨 천문대의 100인치짜리 망원경으로 성운을 연구하여 이들이 셀 수 없이 많은 별들이 모여 있다는 것을 발견했다. 이것은 이전에 어떤 사람이 상상한 것보다도 훨씬 더 많은 은하들이 존재한다는 것을 의미했다.
허블이 천문학상에 큰 공헌을 한 것은 1929년 수십 개 성운의 스펙트럼을 관측한 결과 먼 성운일수록 적색 이동이 더 크다는 것, 즉 지구로부터 빠르게 멀어지고 있다는 것을 발견했다는 점이다. 다시 말해 은하의 후퇴 속도는 그 거리에 정비례했는데 이것은 우주가 팽창하고 있다는 것을 의미한다(허블의 법칙). 그것은 풍선에 찍은 점에 비유된다. 풍선을 입으로 불어 커질수록 점들은 위치에 상관없이 서로 멀어진다. 풍선과 같은 식으로 우주가 팽창한다면 모든 은하들이 서로 멀어지고 있다는 것이다.
사실 우주의 팽창은 아인슈타인의 식에서 이미 예견되어 있었다. 1917년 러시아의 천문학자 알렉산드르 프리드만은 아인슈타인의 상대성 이론을 면밀히 검토한 결과 우주가 팽창한다고 추론했다. 물론 아인슈타인의 프리드만과 의견을 달리했다. 그러나 허블의 발견으로 프리드만이 옳다는 것이 입증되자 커다란 충격을 받았다고 알려진다. 은하들 사이의 거리는 오직 간접적으로만 측정할 수 있기 때문에 정확한 값을 알 수 없다. 단지 우주가 10억 년마다 5～10퍼센트 크기로 팽창한다고 알려진다.
<올버스 역설>
인류가 자신을 둘러싸고 있는 우주라는 존재를 인식하기 시작하면서 믿음과 상상에 바탕을 둔 신화적(종교적) 또는 철학적 우주론이 나타났다. 그러나 뉴턴의 중력이론과 아인슈타인의 일반상대성이론이 등장하면서부터 우주론은 신학이나 철학의 영역에서 과학의 영역으로 들어간다.
뉴턴이나 아인슈타인은 무한하고 정적인 우주를 선호했다. 하지만 이러한 우주는 ‘벤틀리의 역설(Bentley’s paradox)’이나 올버스의 역설(Olbers' paradox)과 부딪히게 된다. 뉴턴이 만유인력의 법칙을 발표하자 성직자였던 리처드 벤틀리(Richard Bentley)는 1692년에 뉴턴에게 다음과 같은 글의 편지를 보냈다.
‘만약 중력이 인력으로만 작용한다면 우주 안의 모든 것들은 서로를 끌어당겨 우주가 붕괴하지 않겠는가?’
올버스의 역설은 ‘밤하늘이 왜 어두운가?’라는 의문으로부터 제기된 것으로, 우주가 무한하고 별들이 고르게 분포한다면 어떤 방향으로 봐도 무한히 많은 별들이 보여야 하므로 밤하늘이 어두울 수 없다는 역설이다. 이 두 가지 역설은 수백 년 동안 물리학자와 천문학자들을 괴롭혀 왔다.
1912년 베스토 슬라이퍼(Vesto Slipher)는 은하들이 엄청나게 빠른 속도로 지구로부터 멀어지고 있다는 사실을 발견했다. 1929년 에드윈 허블(Edwin Powell Hubble)은 이 문제를 철저히 조사하기로 결심하고 하늘의 24개 은하를 세심하게 관측하여 멀리 있는 은하일수록 더 빠른 속도로 멀어진다는 사실을 확인했다. 우주는 뉴턴이나 아인슈타인이 생각했던 것처럼 정적이지 않다는 사실이 확인된 것이다. 허블은 은하가 멀어지는 속도(V)는 거리(r)에 비례한다는 사실을 밝혀냈다.
에드윈 허불은 다른 은하로부터 오는 빛들을 관찰하면서 이 빛들이 빨간색 쪽으로 옮겨져 있다는 사실을 발견했다. 더구나 은하가 멀리 떨어져 있을수록 치우치는 정도가 커진다는 사실도 발견했다. 이러한 ‘적색편이’ 현상을 도플러 효과(Dopple effect) 때문으로 설명한다.
도플러 효과는 길에 서있을 때 빠른 속도로 자동차가 지나가면 정확하게 경험한다. 음파는 일정한 주파수를 가지고 있는데 인간의 고막은 그 주파수를 특정한 음높이로 인식한다. 자동차의 경적이나 엔진처럼 시끄러운 소리를 내는 물체가 우리를 향해 다가올 때 우리는 1초 동안에 더 큰 주파수의 소리를 듣게 된다. 가까이 다가올수록 소리의 원천과 우리 사이의 거리가 줄어들기 때문이다. 그래서 우리의 귀는 더 높은 소리가 들리는 것으로 인식한다. 그런데 일단 이 차가 우리 앞을 지나 멀어져 가면 상황이 달라진다. 우리의 귀는 정확히 반대의 이유로 1초 동안에 더 적은 주파수의 소리를 듣게 된다. 즉 소리가 낮아진 것처럼 느껴진다.
도플러 효과는 빛에서도 마찬가지로 나타난다. 우리로부터 멀어져 가는 별에서 나온 빛은 주파수가 더 낮은 것으로 보인다. 그래서 스펙트럼이 빨간색 쪽으로 옮겨간다. 이 현상을 통해 허블은 거의 모든 은하가 우리로부터 멀어져 가고 있으며 우주 전체는 팽창하고 있다고 결론을 내렸다.
잘 알려진 비유는 건포도가 박힌 빵 반죽이 오븐 안에서 부풀어 오르는 모습을 상상하는 것이다. 건포도 하나하나가 은하에 해당하고 반죽은 은하 사이의 공간에 해당한다. 어떤 하나의 건포도를 지구가 있는 은하라 한다면 반죽이 부풀어 오를수록 옆에 있는 건포도가 지구로부터 점점 더 멀어져 가는 것으로 보인다. 또한 건포도는 멀리 떨어져 있을수록 더 빨리 멀어져 가는데 이러한 우주가 팽창한다는 사실은 몇 가지 중요한 점을 시사한다.
첫째 지구가 이 팽창의 중심에 있다고 생각하는 것은 무의미하다는 사실이다. 빵 반죽을 생각하면 어느 건포도 위에 서 있는 우리는 가만히 있는데 다른 것들이 우리로부터 멀어져 가는 것처럼 느껴지기 때문이다. 즉 모든 천체는 자신이 우주 팽창의 중심에 있는 것처럼 느껴지므로 모든 천체가 지구로부터 멀어져가고 있는 것처럼 보인다 해도 우리 은하가 특별한 존재는 아니라는 뜻이다.
둘째 이 건포도의 움직임은 폭탄이 폭발하는 것과는 다르다. 건포도는 반쪽 내부를 통해 움직이는 것이 아니라 전체적인 팽창의 흐름을 따라 이동할 뿐이다. 마찬가지로 은하들도 공간 내부를 날아가는 것이 아니라 공간 자체가 팽창하는 것을 따라 흘러가고 있을 뿐이다.
셋째 건포도 자체는 부풀어 오르지 않고 그 사이의 공간만 커진다. 이 말은 태양계의 우리 은하와 다른 은하들이 우리로부터 멀어져간다 해도 팽창하지 않는다는 것을 뜻한다.
여하튼 우주가 팽창한다는 사실은 우주가 시간에 따라 진화해왔다는 진화우주론을 지지한다. 우주가 팽창하고 있다면, 우주의 팽창이 시작된 시점이 있으며 이 점으로부터 우주가 폭발적으로 팽창해왔다는 추정이 가능하다. 소위 빅뱅이론이다.
<빅뱅의 아버지 가모프>
대폭발 개념을 처음으로 제안했던 사람은 벨기에의 신부 조르주 르메트르였다. 그는 1927년 아인슈타인이 1915년 발표한 일반 상대성 이론에서 기술한 중력법칙이 우주가 모든 방향에서 어디서나 같은 비율로 팽창한다는 사실의 내포한다고 말했다. 그러면서 우주는 천체의 모든 물질을 담고 있던 원초원조가 폭발하면서 생긴 것이라고 주장했다.
‘우주에 존재하는 모든 물질은 처음에는 하나의 거대한 질량 덩어리로 압축되어 있었다. 그런데 어느 순간 그것이 ’꽝‘하고 대폭발을 일으켰다. 그리하여 은하나 별을 만들어 낼 수 있는 물질들이 우주 공간으로 퍼져 나가게 된 것이다.’
이후 곧바로 에드윈 허블이 멀리 있는 은하들이 우리로부터 모든 방향에서 멀어지고 있다고 발표하여 세계를 놀라게 했다. 그가 한 말은 간단하다.
‘우주가 팽창하고 있다.’
그러나 빅뱅을 보다 구체적으로 설명한 사람이 가모프(George Gamow, 1904〜1968) 박사다. 그는 우주에 존재하는 원소의 대부분이 수소와 헬륨이라는 사실에 착안하여 우주에 존재하는 경원소들의 존재량을 정확히 설명했다. 가모프를 빅뱅 이론의 창시자라고 부르는 이유다.
가모프는 노벨상에 관한 한 가장 불운한 사람으로 꼽힌다. 우주론의 선구자로 빅뱅을 논리적으로 해석하는 등 우주론에서 가장 손꼽히는 사람인데도 불구하고 막상 노벨상을 수상하지 못했기 때문이다, 전해오는 이야기로는 그가 노벨상을 받지 못한 것은, 대주가로 폭음 때문이라는 설도 있다. 가모프가 대주가이기 때문에, 노벨상의 영예를 주지 않았다는 말이 나온 것을 보면, 노벨상 위원회에서 그의 주량조차 고깝게 여기지 않은 것은 분명하다. 노벨상을 타려면 술도 적게 마셔야한다는 말은 이래서 나왔다.
여하튼 가모프의 빅뱅이론은 많은 학자들의 주목을 받았으나 곧바로 문제점이 제기됐다. 가모프는 빅뱅 시점에서 수소로부터 모든 원소들이 합성된다고 주장했지만, 원소의 생성은 헬륨단계에서 멈춰버린다는 사실이 밝혀진 것이다. 더구나 빅뱅우주론을 위태롭게 만든 문제는 우주의 나이였다. 빅뱅이론을 원용하면 허블이 발견한 우주의 팽창속도로부터 역산하여 우주의 나이를 추정할 수 있는데 이를 허블 상수라고 한다.
허블 상수의 역수(1/H)가 우주의 대략적인 나이가 되는데 허블이 관측한 허블 상수 값으로 역추산하면 우주의 나이는 고작 18억 년이었다. 당시 지구의 나이가 적어도 30억 년이 넘었으므로 우주의 나이가 지구나 별들의 나이보다 적다는 모순이 제기된 것이다. 이와 같은 내용은 당시 허블의 거리 측정에 심각한 오류가 있었기 때문이지만 여하튼 빅뱅이론에 치명타를 안겼다. 여기에 이의를 제기한 사람이 프레드 호일(Fred Hoyle, 1915-2001)로 그는 정상우주론을 제창했다.
가모프와 호일이 논쟁을 벌이던 1940년대 말에서 1950년대 초의 관측 장비와 기술로는 초기 은하와 성숙한 은하를 구별할 수 없었다. 즉 두 이론은 실제의 우주를 설명하는데 어느 정도 성공하고 있었지만, 어느 쪽도 과학자들의 절대 다수의 지지를 얻지는 못하고 있었다.
참고문헌 :
「멀리 있을수록 빨리 도망가는 은하」, 송은영, 고교독서평설, 1995년 9월
「20세기 대우주탐험가 에드윈 허블」, 김지현 외, 과학동아, 2000년 12월
「우주론 논쟁」, 김충섭, 네이버캐스트, 2009.10.16
『대폭발과 우주의 탄생』, 배리 파커, 전파과학사, 1996
『사이언스 오딧세이』, 찰스 플라워스, 가람기획, 1998
『물리법칙으로 이루어진 세상』, 정갑수, 양문, 2007
『과학의 열쇠』, 로버트 M, 헤이즌 외, 교양인, 2008
『열정의 과학자들』, 존 판던 외, 아이세움, 2010
『인류사를 바꾼 위대한 과학』, 아널드 R. 브로디 외, 글담출판, 2018
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