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- 아리스토텔레스조차도 우주를 불멸하고 불변하는 것으로 여겼다.
- 뉴턴은 우주를 시계처럼 고정된 법칙에 따라 작동하는 거대한 기계 시스템으로 상상
- 아인슈타인은 자신의 장방정식에 우주 상수를 추가, 나중에 오류 인정하고 삭제
- 우주 상수는 일반 상대성 이론 방정식에 약간의 수정을 거쳐 공간 자체의 반발력을 나타내는 것으로 다시 도입돼

우주는 어떻게 종말을 맞이할까?
파열에서 동결까지: 우주의 운명

수세기 동안 인류는 우리의 삶, 세상, 그리고 우주의 종말에 대한 의문을 품어 왔다. 종말에 대한 수많은 이론이 있지만, 아직 확실한 답은 없다. 그렇다면 우주의 종말은 어떤 모습일까요? 그리고 우리는 어떤 단서를 가지고 있을까?

"빅 프리즈(Big Freeze)"의 영원한 동결이든, 모든 것을 집어삼키는 "빅 크런치(Big Crunch)"든, "빅 립(Big Rip)"의 거대한 파열이든, 각각의 우주론적 시나리오는 우주의 미래 운명에 대한 각자의 해석을 제시한다. "빅 바운스(Big Bounce)"와 같은 일부 모델은 우주가 끊임없이 재탄생하고 있다고, 즉 끝없는 탄생과 파괴의 순환을 통해 존재한다고 주장하기도 한다. 하지만 우리는 앞으로 무슨 일이 일어날지 어떻게 알 수 있을까?

연구자들은 이 수수께끼를 탐구하고 있다. 그들은 멀리 있는 은하와 별들을 관측하고, 그 빛과 움직임을 측정하여 우주를 이끌고 팽창을 촉진하는 비밀스러운 힘을 밝혀낸다. 아마도 이 글은 우리에게 중요한 질문, 즉 우주는 어떻게 끝날 것인가라는 질문에 대한 답에 한 걸음 더 다가가게 해 줄 것이다. 

▲ 우주가 어떻게 끝날지는 아직 불분명하다. © Modelist /GettyImages

영원한 천국에서 역동적인 우주로

우리 우주는 왜 영원히 지속될 수 없는 걸까?
수 세기 동안 서구 세계는 영원하고 변하지 않는 천국이라는 관념에 사로잡혀 있었다. 아리스토텔레스조차도 우주를 불멸하고 불변하는 것으로 여겼다. 이후 아이작 뉴턴은 우주를 시계처럼 고정된 법칙에 따라 작동하는 거대한 기계 시스템으로 상상했다. 이러한 관점에서 공간은 물리적 사건이 전개되는 절대적이고 불변하는 배경이었다.

하지만 20세기에 이르러 이러한 관점은 변화하기 시작했다. 새로운 이론과 관찰 결과, 공간과 시간조차도 오랫동안 가정되었던 것처럼 불변하지 않다는 것이 밝혀졌다.

우주 상수

당시 알베르트 아인슈타인은 공간이라는 관념을 근본적으로 바꾸어 놓았다. 그의 일반 상대성 이론에서 공간과 시간은 거대한 질량에 의해 휘어져 있다. 아인슈타인이 1915년 자신의 이론에 대한 장 방정식을 완성하고 이를 우주 전체에 적용했을 때, 한 가지 문제가 발생했다. 그의 방정식에 따르면 우주는 팽창하거나 스스로 붕괴해야 한다는 것이었다. 이는 당시의 지배적인 세계관과는 맞지 않았다.

아인슈타인은 안정적이고 불변하는 우주의 상태를 유지하기 위해 방정식에 이른바 우주 상수라는 항을 추가했다. 이는 일종의 "반력", 즉 중력을 상쇄하는 공간 자체의 반발력 역할을 했다. 이 상수는 우주의 붕괴를 막는 평형 상태를 확립하기 위한 것이었다. 이 계획은 성공했다. 아인슈타인의 방정식은 이제 안정적이고 정적인 우주를 묘사했다.

▲ 거대한 물체는 시공간을 확장한다. 질량이 클수록 시공간은 더 깊어진다. © ESA /CC-by 3.0

아인슈타인의 가장 큰 실수

따라서 1927년 벨기에 물리학자이자 신부인 조르주 르메트르의 연구를 처음 접했을 때 아인슈타인이 회의적인 반응을 보인 것은 그리 놀라운 일이 아니었다. 르메트르는 아인슈타인 자신의 방정식에서도 팽창하는 우주가 유도될 수 있음을 보여주었다. 즉, 밀도가 높은 초기 상태에서 도출된 것이어야 했다. 아인슈타인은 처음에 이 아이디어를 "나쁜 물리학"이라고 일축했다.

그러나 르메트르의 이론은 실험적으로 검증될 수 있었다. 만약 우주가 실제로 팽창하고 있다면, 먼 별에서 온 빛은 더 긴 파장 영역으로 확장되어야 하므로 더 붉게 보일 것이다. 이는 바로 1920년대 후반 미국 천문학자 에드윈 허블이 관찰한 것과 같다. 아인슈타인은 자신의 오류를 인정하고 방정식에서 상수를 제거했다. 정적 우주라는 개념은 결국 시대에 뒤떨어졌다. 우주는 움직이고 있었던 것이다.

▲ 알베르트 아인슈타인은 1915년 자신의 세계관을 "구하기" 위해 자신의 방정식에 우주 상수를 추가했다. © historical

이야기는 거기서 끝나지 않았다. 수십 년 후, 팽창이 균일하지 않고 오히려 가속되고 있다는 것이 분명해졌다. 1998년, 두 천문학자 팀은 멀리 떨어진 초신성 관측 자료를 바탕으로 은하들이 예상보다 빠르게 서로 멀어지고 있음을 발견했다.

이러한 가속 팽창을 설명하기 위해 연구자들은 다시 한번 아인슈타인의 오래된 아이디어를 활용했다. 우주 상수는 일반 상대성 이론 방정식에 약간의 수정을 거쳐 공간 자체의 반발력을 나타내는 것으로 다시 도입되었다.

시작이 있으면 끝이 있다.

하지만 우주가 계속 팽창한다면 필연적으로 다음과 같은 의문이 제기된다. 이 과정은 얼마나 오래 지속될 수 있을까? 그리고 결국 무엇이 남을까? 별들이 타버리고 은하가 어둠 속으로 사라질 때까지 팽창은 영원히 계속될까? 아니면 언젠가 모든 것이 다시 붕괴되어 자기 자신으로 돌아갈까?

답을 찾는 여정은 가장 실존적인 질문 중 하나로 귀결된다. 우주는 어떻게 끝날까? (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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