아인슈타인최대의 실수, 우주상수

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<아인슈타인이 말한 최대의 실수>

우주의 나이 문제는 계속 천문학자들을 괴롭혔다. 우주의 나이가 140억 년으로 추정되자 빅뱅의 증거가 나타났다고 환호했지만 우주의 년대가 이에 못 미친다는 연구에 의해 혼란을 겪더니 이번에는 보다 심각한 강타가 터졌다.

우주 나이가 10만 년일 때 존재했던 10만분의 6정도의 요동이 있기 위해서는 현재 알려진 약150억년으로도 너무 짧은 시간이라는 점이다. 라대일 교수는 통계적으로 볼 때 현재의 은하까지 자라려면 최소한 1백조년 정도의 세월이 흘러야 한다고 지적했다. 그러므로 은하들이 1백조 년이 아닌 150억년 내에 탄생할 수 있다는 주장은 마치 ‘정상적으로 9개월이 걸리는 아기를 단 30분 만에 태어나게 할 수 있다’고 주장하는 억지라고 설명했다. 아직도 이 문제는 명쾌하게 풀리지 않고 있는데 이를 ‘우주광역구조형성에 관한 문제(the structure formation problem)’라고 한다.

그러므로 우주의 나이가 천문학자들간에 첨예한 대립을 겪고 있는데 심지어는 우주의 나이가 1조년이 넘는다는 급진적인 이론도 있는 것은 사실이다.

닐 투록(1958~)

영국 캠브리지대 닐 투록 박사와 미국 프린스턴대 폴 스타인하트 박사는 우주의 나이가 적어도 1조년이 넘는다고 주장했다.

그런데 그는 절묘한 아이디어를 제기하여 빅뱅(big bang)을 살려주었다. 빅뱅이 계속 반복돼 일어난다는 것이다. 이에 따르면 우리가 알고 있는 빅뱅은 가장 최근에 일어난 폭발이며, 빅뱅 이후 물질은 무한한 공간으로 끝없이 퍼져나간다는 설명이다.

투록 박사의 주장은 간단하다.

 

‘시간은 빅뱅 이전에도 있었다. 우주는 무한히 오래됐고 무한히 거대하다.’

 

스타인박사는 단언하여 말한다. 지금까지의 이론이 옳다는 증거가 없다는 것이다.

알렉산더 빌렌킨(1949~)

물론 미국 터프츠대 알렉산더 발렌킨 교수는 이들의 주장에 반박한다.

 

‘이들의 이론은 우주의 형태를 확실하게 예측하지 않고 애매모호한 값을 제시하기 때문에 검증하기 힘들다.’

 

이 문제는 앞으로도 계속 천문학자들을 괴롭힐 것이 틀림없다.

여기에서 주제를 달리하여 아인슈타인으로 돌아가 보자.

아인슈타인의 일반상대성 이론은 우주가 팽창하거나 수축하고 있다는 것을 암시한다.

알버트 아인슈타인(1879~1955) 1921년 노벨 물리학상

그러나 아인슈타인은 이런 결론에 만족하지 못했다. 그러므로 아인슈타인은 팽창도 수축도 하지 않고 영원히 변화하지 않는 우주 모델을 만들었다. 그는 ‘우주항(宇宙項)’을 첨가하면서 방정식을 변환시키는 우주의 모형을 제안했다.

그가 제안한 우주항은 물질 상호간 떼어놓는 힘인 ‘반발력’을 공간이 가지게 하는 효과를 가진다. 또한 우주항의 존재는 진공에도 에너지가 존재한다는 것을 의미한다. 그 수치는 우주가 팽창해도 변화하지 않고 우주의 모든 곳에서 일정하다. 그 경우 현재의 우주 공간의 에너지 밀도는 물질의 에너지 밀도와 진공의 에너지 밀도를 합한 것이 된다.

가장 일반적인 우주 모델에서는 물질끼리 잡아당기는 인력 때문에 팽창 속도는 감속되고 우주 나이는 허블 상수의 역수의 3분의 2가 된다. 그러나 우주항을 도입한 우주 모델에서는 물질끼리 서로 잡아당기는 힘과 진공이 밀어내는 힘이 균형을 이루면서 팽창의 속도가 느려진다.

우주상수

그러나 최종적으로는 진공의 척력이 우세하여 팽창속도는 가속되고 따라서 우주 나이는 허블 상수의 역수보다 길어진다. 아인슈타인은 허블에 의해 우주가 동적으로 팽창하고 있다는 것이 발견되자 ‘우주항의 도입은 인생 최대의 실수였다’고 하며 우주항을 부정했다.

1999년 학자들은 허블 우주 망원경을 통하여 8년 간에 걸쳐 우주의 나이를 측정한 결과를 발표했다. 그들은 우주의 나이를 측정할 수 있는 허블 상수의 수치가 71km/s/100만 파섹(오차 10%)으로 우주의 나이는 약 120억 년이며 우주는 현재 가속도적인 팽창을 하고 있고 99%의 확신성으로 우주항이 존재한다고 발표했다.

2003년, 천문학자들은 우주에 별을 만드는 물질은 5퍼센트 정도밖에 없고 나머지는 정체불명의 암흑에너지가 70퍼센트, 암흑물질이 25퍼센트라고 계산해냈다. 이것은 중력의 영향을 받아 수축되는 물질보다, 중력을 이겨내며 우주를 밀쳐내는 에너지가 훨씬 크다는 뜻이다.

5년간의 WMAP 데이터를 기반으로 우주의 총 에너지를 물질, 암흑 물질 및 암흑 에너지로 나눈 것으로 추정

즉 우주의 팽창속도는 점점 늘어났다는 결론으로 지금 우리에게 온 빛은 더 먼 거리를 여행했다는 뜻이다. 이런 연구결과들을 토대로 계산된 우주의 나이는 141억년이다.

천문학자들은 멀리 있는 초신성의 후퇴 속도와 가까이에 있는 새로운 초신성의 후퇴 속도를 비교했다. 그 결과 우주의 팽창 속도는 점점 빨라지고 있다는 것을 발견했다. 과거로 거슬러 올라갈수록 우주 팽창의 속도가 느려진다는 것은 우주가 현재의 크기로 될 때까지 허블 상수에서 추정되고 있는 것보다도 시간이 더 걸렸다는 뜻이다.

그런데 만유인력에 의해 감속되어야 할 팽창 속도가 가속되고 있다는 것은 중력에 반발하는 척력(斥力)이 있다는 것을 뜻하며 이 척력의 유력한 후보가 공간끼리 반발하는 힘인 진공의 에너지다. 이것은 완전히 빈 공간으로 생각되고 있는 진공이 에너지를 갖는다는 것을 뜻한다. 바로 아인슈타인의 이론 중에서 틀렸다고 유일하게 지적된 우주항이 옳을지도 모른다는 것이다.

물론 우주항이 존재하더라도 또 하나의 큰 수수께끼가 존재하고 있다.

그것은 우주 초기에 거대한 진공에너지가 존재하였고 그 진공에너지에 의해 가속도적으로 우주가 팽창했는데도 현재의 측정에 의하면 진공에너지의 밀도가 예상보다도 적다는 지적이다. 그러므로 우주항의 존재가 관측적으로 확립되었다고 단정하는 것은 아직 시기상조라고 주장하는 학자들도 있다.

이 외에도 우주 존재의 초기 단계에 관해 풀어야 할 문제들이 많이 남아있다.

우주는 시작이 없고 ‘영(zero) 시간’의 개념이 의미가 없을지도 모른다. 그래서 요즘은 시간이 의미가 없는 우주가 양자론을 사용해 기술될 수 있는 상태로부터 단순히 ‘나타났다’는 시나리오가 대두되고 있기도 하다. 이것은 우주가 플랑크 시간 이후에 일반상대성 이론에 따라 진화했다는 것을 뜻하고 있지만 아직 올바른 이론으로 정착된 것은 아니다.

우주에 대한 연구는 사람들을 혼동시키기에 충분하다. 정설처럼 보이는 것이 새로운 관찰과 연구에 의해 뒤바뀌는 것이 다반사이기 때문이다.

그런데 우주진화론의 중요한 열쇠로 알려진 '암흑에너지' 연구 결과는 우리 우주가 영원히 팽창한다는 것이다.

NASA 재트추진연구소의 에릭 줄로 교수는 우주 암흑에너지의 분포 양상을 분석한 결과 우주가 계속 커질 것으로 추정된다는 것이다.

아벨1689

별빛이 처녀자리의 대형 은하단인 '아벨 1689' 주변을 지나는 동안 어떻게 변화하는지를 관찰해 암흑에너지의 양과 분포 양상을 측정했다. 아벨 1689 은하단은 질량이 거대하기 때문에 주변을 지나가는 빛을 굴절하게 만드는 '우주의 볼록 렌즈' 같은 역할을 한다.

따라서 별빛의 굴절 정도는 ‘별까지의 거리’, ‘아벨 1689의 질량’, ‘암흑에너지의 분포’에 따라 달라지므로 이를 통해 눈으로 볼 수 없는 암흑에너지의 분포를 계산했는데 이 연구에 의하면 우주가 무한하게 계속 커지고 있다는 결론이다. 즉 우주의 팽창지속설이 옳다는 것이다. 우주가 영원히 팽창하면 절대온도 0도(섭씨 -273도)에 가까워지면서 모든 것이 죽은 황량한 공간이 된다.

 

참고문헌 :

「대폭발이론이 태어나기까지」, 라대일, 과학동아, 1992년 12월

「141억년 우주의 과거, 자외선으로 되돌아본다」, 이영완, 『조선일보』 2004년 6월 21일

「우주 나이는 1조년이다」, 이상협, 동아사이언스, 2006.5.18.

「우주 존재이유는 물질·반물질의 1%차 때문」, 이인묵, 조선일보, 2010.05.19.

「우주는 영원토록 팽창하리라」, 하채림, 연합뉴스, 2010.08.20.