"우주가 팽창한다"는 말의 진짜 뜻
1920년대 Edwin Hubble은 멀리 있는 거의 모든 은하가 우리에게서 멀어지며, 멀리 있을수록 더 빠르게 물러난다는 사실을 알아냈어. 처음에는 지구가 거대한 폭발의 중심에 있다고 생각하기 쉬워. 하지만 그렇지 않아. 공간 자체가 늘어나고 있어. 은하 사이의 공간이 커지기 때문에 모든 은하는 다른 은하에서 멀어져. 팽창에는 중심이 없고 우주 어디에서나 동시에 일어나.
시간을 거꾸로 돌리면 팽창은 수축이 돼. 은하들은 서로 가까워지고 마침내 우주의 모든 물질과 에너지가 상상할 수 없을 만큼 밀도와 온도가 높은 상태로 모여. 첫 순간을 설명하는 물리는 아직 없지만 10⁻³²초 이후부터는 설명할 수 있어. 약 138억 년 전의 그 상태를 빅뱅이라고 불러.
빅뱅 이론이 말하는 것과 말하지 않는 것
- 빅뱅 이론은 우주의 기원을 설명하는 과학 이론 가운데 가장 잘 검증됐고 거대한 증거의 그물로 뒷받침돼 있어.
- 하지만 에너지와 물질이 그 "전에" 어디에서 왔는지를 설명하지는 않아. 오늘의 물리학에서 "빅뱅 이전"은 명확하게 정의되지 않고, 쓸 수 있는 의미에서 시간 자체가 빅뱅과 함께 시작했어.
- 또한 종교나 철학과 반드시 양립할 수 없다는 주장도 아니야. 뜨겁고 빽빽한 초기 상태에서 우주가 어떻게 변해 왔는지를 설명할 뿐, 왜 무언가가 존재하는지에 대한 형이상학적 주장은 하지 않아.
세 개의 증거 기둥
- Hubble의 적색편이. 멀리 있는 은하의 빛은 모두 붉은 쪽으로 옮겨져 있어. 우리와 은하 사이의 공간이 늘어나며 빛의 파장도 길어진 거야. 은하가 멀수록 적색편이도 크고, 이를 통해 팽창을 지도로 그릴 수 있어.
- 우주 마이크로파 배경. 빅뱅 약 38만 년 뒤 우주는 원자가 만들어질 만큼 식었고 빛은 자유롭게 이동할 수 있게 됐어. 그 오래된 빛은 지금도 남아 마이크로파 길이까지 적색편이된 채 온 우주를 채워. 온도는 거의 정확히 2.7켈빈, 약 -270°C야. 우주 마이크로파 배경(CMB)은 1940년대에 예측됐고 1965년에 우연히 검출된 뒤 놀라운 정밀도로 지도가 만들어졌어. 우주의 아기 사진인 셈이지.
- 원소의 비율. 빅뱅 핵합성은 수소 약 75%, 헬륨 약 24%, 그리고 소량의 리튬을 예측해. 가장 오래되고 멀리 있는 가스 구름에서 정확히 그 비율이 관측돼. 무거운 원소는 세기 트랙의 네 번째 레슨에서 보았듯 나중에 별 안에서 만들어졌어.
우주는 어떤 모습일까
관측 가능한 우주에는 대략 1,000억~2,000억 개의 은하가 있어. 은하 하나에는 1,000억~1조 개의 별이 있고, 별마다 평균 몇 개의 행성을 거느려. 숫자는 상상하기 어려울 만큼 크고 구조는 겹겹이 쌓여 있어. 은하는 초은하단으로 모이고, 그 초은하단은 거대한 빈 공간 사이에 필라멘트와 벽을 만들어. 가장 깊이 찍은 사진은 관측 장비가 닿는 끝까지 이 구조가 이어진다는 사실을 보여 줘. 빛의 속도가 시야를 제한할 뿐, 그 너머에도 우주가 더 있다고 생각할 이유가 있어.
우리는 1,000억 개가 넘는 은하를 품고 138억 년 동안 팽창해 온 우주에서 창발한 한 단계야. 우주가 지금의 크기인 것은 그동안 팽창했기 때문이고, 은하가 무리를 이룬 것은 초기 우주의 작은 밀도 차이가 수십억 년 동안 자랐기 때문이야. 우리 몸은 앞 세대 별에서 만들어진 원자로 이루어졌지. 모든 조각이 하나로 맞아떨어져.