물리학회 홍보잡지인 [물리학과 첨단기술]은 이번 호부터 한국 물리학회의 홈페이지 물리 Q&A 게시판에 올려진 글 중에서 일부를 선정하여 재정리된 글을 싣기로 하였다. 물리에 관심이 많은 고등학생 이상의 사람들이 이해할 수 있도록 이 글을 준비하였다.
우주의 크기 ········▷▷
질문: 우주의 끝은 퀘이사라는 이동하는 천체에 의해 결정난다고 책에서 보았습니다. 그러면 우주의 밖에서는 에너지가 "0"인 상태 즉 무인 상태인데 그 곳에 또 다른 우주가 생기고 있을 수도 있습니까?
설명: 퀘이사는 은하가 어렸을 때의 모습이라는 것이 현재 정설이다.
우리로부터 가까운 곳에는 퀘이사가 없다. 오직 수십억 광년 이상 대단히 먼 거리에 있는 것들만 관찰된다. 그런데 늘어나는 우주에서 아주 먼 거리라는 말은 아주 옛날에 출발한 빛이 이제야 우리에게 도착한다는 뜻이니까, 현재 우리가 보는 퀘이사는 우주가 아직 젊었을 때의 모습 일부를 보여주는 것이다. 다시 말하면 되도록 멀리 있는 퀘이사를 잘 관측하면 우주가 비교적 젊었을 때의 상황을 어느 정도 확인할 수 있다는 뜻이다.
이런 우주론에 관한 글에서 우리는 흔히 우주의 크기라는 말을 읽게 되는데 이 말이 일반인들에게 많은 오해와 혼란을 주고 있다.
한 마디로 말해서 구체적인 수치를 (300억 광년 근처) 언급하는 우주의 크기는 조금 더 정확한 표현인 관측 가능한 우주의 크기라는 뜻이다.
이 말은 우주의 나이가 약 1 시간일 때 만들어진 빛이 현재 배경 복사 온도 1.9 K를 주고, 또 약 40만년일 때 만들어진 빛이 현재 배경 복사 온도 0.8 K를 주어서 현재 우리는 2.7 K에 해당하는 우주 배경 복사를 관찰하는 것이다. (만들어질 그 때에는 훨씬 높은 온도에 해당하였다.)
따라서 보통 말하는 우주의 크기 곧 관측 가능한 우주의 크기라는 말은, 현재 우리에게 도착하는 빛 중에서 가장 멀리서 출발한 것을 골라서 그 빛이 출발한 지점과 우리 사이의 거리를 말한다.
다시 말해서 그 때 그보다 더 먼데서 우리를 향해 출발한 빛은 아직 우리에게 도착하지 못하므로, 망원경의 성능이 어떠하든, 우리는 그것을 현재 관측할 방법이 없다.
그림 L: 빛으로 측정할 때 관측 가능한 우주의 크기
현재 우주의 나이 (약 150억년)에 비하면 1 시간이나 40만년은 아주 사소한 것이지만 우주 초기일수록 짧은 시간도 우주 팽창에서 중요한 역할을 한다. 따라서 우주의 나이가 1 시간보다 더 젊었을 때 만들어진 빛이 우리를 향해 오고 있다면 당연히 더 먼 곳에서 출발하여 현재 우리에게 도착할 수 있을 것으로 생각되지만 그 때에는 우주의 물질-에너지 밀도가 매우 높아서 빛들이 먼 거리를 자유롭게 이동할 수 없었다. 다시 말해서 훨씬 이른 시기에 우리를 향한 빛이 있더라도 도중에 다른 물질과 충돌하여 방향과 에너지가 달라지는 등 원래의 정보를 모두 잃는다는 뜻이다. 곧 우주의 나이 1시간 이후 우리를 향해 출발한 빛이 오는 도중 다른 물질과 충돌할 확률은 평균 한 번 이하이다.
당연히 그보다 더 먼 곳의 우주를 생각할 수 있다. (영어에서 Universe {우리의 우주}와 univer- se{일반적인 의미의 우주}를 구분하여 쓰는 경우가 많은데 이를 번역하는 사람들이 조심성 없이 그냥 '우주'라는 말로 번역하는 경우가 많다.) 그리고 그 곳에 우리 우주와는 아주 다른 상태의 우주가 존재할 수 있다. 그러면 (현재) 관측 가능한 우주의 크기를 넘어선 우주의 크기가 얼마인가? 결론만 말하면 원칙적으로 제한이 없다.
그에 관한 이론들이 최근 2030년 사이에 많은 발전을 하였다. 다만 불행하게도 이를 제대로 논하려면 상대성 이론 (특히 일반 상대성 이론), 양자장론, 통일장 이론 등을 웬만큼 이해하여야 한다. 따라서 이 글에서는 더 자세한 것을 논할 수 없다.
한 가지 덧붙일 것은, 중성미자나 중력파 등은 물질과 충돌할 확률이 빛보다 훨씬 작기 때문에 우주의 나이가 1 시간이 되기 훨씬 전에 자유로와 진다. 따라서 일찍 우리를 향해 출발할 수 있고 그만큼 더 먼 거리에서 출발하여 현재 우리에게 도착하고 있을 것이다. 만약 우리가 이 입자들을 관측하는 방법을 개발하면 우리는 관측 가능한 우주의 크기를 매우 크게 넓히는 것이 될 것이다. 우주 초기에는 작은 시간 차이도 우주 팽창 정도에 미치는 영향이 매우 크기 때문이다.
[물리 Q&A 팀 이해심]