연합뉴스
2000/08/31 10:25
(서울=연합뉴스) 황창호기자= 방한중인 세계적 천체물리학자 스티븐 호킹(58)박 사는 31일 "지난 몇년간 우주를 이해하는 데 많은 발전이 있었으며 머지않아 그 신 비가 밝혀질 것으로 생각한다"고 말했다.
다음은 호킹박사가 이날 청와대에서 `호두껍질속의 우주'라는 제목으로 한 강연 을 요약한 것이다. 『우주는 과연 무한히 넓을까. 아니면 매우 크긴 하지만 유한할 까. 또 우주는 영원히 계속될까, 아니면 시작과 끝이 있을까....... 이러한 의문속에 지난 몇년간 우주를 이해하는 데 많은 발전이 있었다. 우주공 간의 성질 중 가장 분명한 것은, 공간이 끝없이 펼쳐져 있다는 것이다.
[은하계] 우주에는 다양한 모양과 크기를 가진 무수히 많은 은하계들이 있다. 모든 은하 들은 우주 전체에 걸쳐 골고루 퍼져 있다. 우리가 볼 수 있는 한도 내에서 우주는 우리 은하계 주위와 비슷한 모양으로 무한히 뻗어 나가고 있다. 우주의 모양은 우주 공간 상의 어느 점에서나 그 모양이 비슷하긴 하지만, 시간이 흐름에 따라 분명히 변화하고 있다. 이 사실이 밝혀진 것은 20세기 초의 일이다. 그 전까지는 보통 우주 가 시간에 따라 변하지 않는다고 믿었다. 우주가 무한히 오랫동안 존재했을 것이라 생각할 수도 있겠지만, 조금 더 자세히 생각해 보면 말도 안되는 결론에 도달하게 된다. 만일 별들이 무한히 긴 시간동안 빛과 열을 방출해 왔다면, 벌써 우주 전체가 별들만큼 뜨거워졌을 것이다.
천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 성운이라고 불리던 수많은 희미한 발광 체들이 아주 멀리 있는 다른 은하계라는 사실을 발견했다. 그는 또 다른 은하들에서 오는 빛을 분석함으로써 그 은하들이 우리 쪽으로 가까이 다가오고 있는지 아니면 멀어지고 있는지를 측정할 수 있었는데, 놀랍게도 거의 모든 은하들이 멀어지고 있 다는 사실을 발견했다. 달리 말해 우주는 팽창하고 있다는 뜻이다. 우주가 팽창하고 있다는 사실을 발견한 것은 20세기의 가장 심오한 지적 혁명 중의 하나였으며 우주의 기원에 대한 모든 논의를 완전히 바꾸어 놓았다. [우주의 시초는 있어야만 한다] 로저 펜로즈(Roger Penrose)와 나는 몇 가지 기하학적 정리를 증명함으로써, 만 약 아인슈타인의 일반상대성 이론이 옳고 그 밖에 몇 가지 적당한 조건이 맞다면, 우주는 시초가 있어야만 한다는 것을 보일 수 있었다.
그 정리가 시사하는 바에 의하면, 우주는 어떤 대폭발점(Big Bang)에서 시작되 었는데, 그 점에서는 전체 우주와 그 안의 모든 것들이 무한대의 밀도로 한 점으로 응축되어 있었다. 그 점에서는 아인 슈타인의 일반 상대성 이론이 더이상 성립하지 않는다. 따라서, 일반상대론을 가지고는 우주가 어떤 방식으로 시작되었는지 예측할 수가 없다. 즉, 우주의 기원은 과학의 영역을 넘어선 것처럼 보인다.
과학자들은 아인슈타인의 일반상대성 이론과 캘리포니아 공과대학 교수였던 페 인만(Feynman)의 `다중 역사' 아이디어를 합해 우주에서 일어나는 모든 현상을 기술 하는 완전한 통일이론을 만들고자 노력하고 있다. 이 이론이 완성되면 어느 한 순간 의 우주의 상태로 부터 우주가 어떻게 진화해 나갈지를 결정하는 것이 가능해 질 것 이다. 그러나 이 통일이론만으로는 우주가 어떻게 시작되었는지 또는 우주의 초기 상태가 어떠했는지를 알 수는 없다. 이것을 알기 위해서는 우주의 경계, 시공간의 끝에서 무엇이 벌어지는 지를 가 르쳐 줄 수 있는 소위 경계조건이라는 것이 필요하다.
우주의 경계가 시공간이 날카롭게 잘라져서 눌린 날 끝 같다면 그래서 그 밀도 가 무한대라면, 의미 있는 경계조건을 정의하기란 대단히 어려울 것이다. [허수시간에서의 우주의 역사] 흐르고 있다고 느끼는 보통의 실제 시간과 직각을 이루는 `허수시간'으로 본 우 주의 역사는 휘어진 시공간이 허수시간 방향으로 변화하는 양상이라고 볼 수 있다.
따라서 우주의 역사는 공간과 허수시간 방향으로 모두 휘어진 면이다.
만약 그 면이 말안장처럼 휘어있거나 평면이라면, 무한대까지 뻗어 있을 것이므 로, 무한대에서의 경계조건이 무엇인가를 정해 주어야 하는 문제가 생기지만 허수시 간으로 본 우주의 역사가 이루는 면이 지구표면처럼 닫 힌 면이라면 경계조건을 정 해야 하는 문제를 피할 수 있다. 지구의 표면에는 아무런 경계나 끝이 없다. [3차원 공간에서의 점] 우리가 3차원 공간에서 살고 있다는 것은 경험으로 아는 바다. 예를 들어, 경도, 위도, 그리고 해발고도. 그러나 왜 3차원 공간일까? 왜 그것은 2차원, 4차원 혹은 공상과학 소설에서처럼 다른 수의 차원이 아닐까? 사실, M이론에서는 공간이 10차원이라고 생각하지만 매우 크고 거의 평평한 3차 원만 남고, 나머지 7차원은 매우 작게 돌돌 말려있다고 본다. 빨대를 생각해 보자.
빨대의 표면은 2차원이다. 그러나, 한 방향은 돌돌 말려져서 매우 작은 원으로 되어 있다. 따라서 좀 떨어진 곳에서 보면 빨대는 1차원 선처럼 보인다.
왜 우리는 일곱 개 대신 여덟 개의 차원이 작게 말려서 결과적으로 2차원이 펼 쳐진 세계에서 살지 않을까? 허수 시간으로 움직이는 3차원 우주는 4차원을 가진 휘 어진 면으로 표현될 것이다. 가장 간단한 닫혀진 4차원 표면은 지구의 표면처럼 둥 근 구인데, 그러나 2개의 차원을 더 갖는 둥근 구이다. 이 4차원 구형태의 우주역사 는 하나의 특정한 실제 시간상 우주에 해당된다. 이런 역사를 가진 우주는 공간상의 어느 점에서 보아도 똑같은 모습으로 보이고, 시간이 흐름에 따라 크기가 커진다. 이런 면에서 이 우주는 실제 우리가 사는 우주와 비슷하지만 크기가 커지는 속 도가 매우 빠르고, 그 팽창 속도 자체도 점점 빨라진다. 이런 가속되는 팽창을 인플 레이션(inflation) 이라 부르는데, 이것은 그 가속되는 모습이 마치 물가가 천장부 지로 치솟는 것과 비슷하기 때문이다. [우주의 에너지] 많은 양의 팽창은 우주초기에 있었을지 모르는 울퉁불퉁함을 매끄럽게 만들어 준다. 우주가 팽창하면서, 중력장으로 부터 에너지를 빌려서 더 많은 물질을 만들어 내기도 한다. 물질에너지의 양의 값은 중력장 에너지의 음의 값과 정확하게 균형을 이루어서, 총 에너지는 0이 된다.
우주의 크기가 두 배가 되면, 물질과 중력장의 에너지가 모두 두 배가 된다. 따 라서 0의 2배가 되므로 총 에너지는 여전히 0이다. 허수시간으로 본 우주의 역사가 완벽한 구라면, 여기에 해당하는 실시간으로 본 우주의 역사는 영원히 인플레이션을 계속하는 우주가 될 것이다. 우주가 급팽창하는 동안은, 물질이 서로 달라붙어서 은 하나 별, 어떤 생명체라도 만들어질 수 없다. 통화 인플레이션은 세계대전 사이에 독일에서 일어났는데, 그 기간 물가가 수십억 배로 올랐다. 그러나 우주에서 과거 일어났어야 하는 인플레이션의 정도는 적어도 십억 곱하기 십억 곱하기 십억 배. 밝 혀진 바로는 가장 가능성이 높은 우주역사는 완전히 매끄럽지는 않고 아주 작은 요 철들을 가지고 있는 우주이다. [E = mc^2] 아인슈타인의 유명한 공식인 E = mc^2 에 의해, 우주 빈 공간에 존재할 수 있는 `진공에너지'는 질량을 가지고 있다. 이것은 진공에너지도 우주 팽창에 중력을 통한 영향을 미친다는 뜻이다. 그러나 놀랍게도 진공에너지는 물질과는 반대의 중력효과 를 갖는다. 물질은 팽창을 느리게 하고, 결국 멈추게 하고 심지어 수축하게 할 수도 있다. 반면, 진공에너지는 인플레이션에서와 같이 팽창을 가속시킨다. 따라서 우리 는 여러 가지 관측으로부터 우주의 물질과 진공에너지의 양을 결정하려고 시도해 볼 수 있다.
우리는 햄릿이 말한 대로 호두껍질 안에 갇혀 있으면서도 우리 자신을 무한한 공간의 왕이라고 생각할 수 있다. 무슨 말을 더 할 필요가 있겠는가』 bulls@yonhapnews.co.kr
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