우리는 우주의 현재와 미래를 알 수 있을까?

이청진 교수

청솔뉴스 PINENEWS | 기사입력 2020/05/21 [10:30]

우리는 우주의 현재와 미래를 알 수 있을까?

이청진 교수

청솔뉴스 PINENEWS | 입력 : 2020/05/21 [10:30]

현대물리학의 위대한 성취 : 빅뱅우주와 가속팽창우주

 

이청진 교수

 

요즘 고등학교 과학 교과서를 펼쳐보면 빅뱅우주론이 첫 장부터 나온다. 우주는 무에서 시작되어 한 점에서 폭발을 일으켰고 지금까지 계속 팽창해서 성장하고 있다는 이론이다. 빅뱅우주론은 천문학의 관측을 기반으로 일반상대성이론, 양자역학, 핵물리학 등 최첨단 물리학적 지식을 종합하여 우주의 과거를 추측한, 현대물리학의 끝판왕이다.

 

  실험적으로 빅뱅우주론이 옳다는 증거는 차고도 넘친다. 아인슈타인은 “인류의 가장 놀라운 기적 중 하나는 인간이 우주를 이해하게 되었다는 점이다.”라고 평가하였다. 이전까지 신의 영역에 속해 있었던 우주의 비밀을 인간이 이해하게 되었다는 것은 정말로 인간 지성의 승리이다.


  과거의 우주가 팽창으로 태어나 성장하였다면 미래의 우주는 어떻게 될 것인가를 고민하지 않을 수 없다. 물론 그 미래를 우리 또는 우리 후손들이 살아서 볼 가능성은 전혀 없지만, 우주의 궁극적인 질문으로 생각해 볼 가치가 충분하다.

 

  우주는 팽창을 멈추고 안정적인 단계에 들어갈 것인가, 팽창을 지나 수축할 것인가, 아니면 영원히 팽창을 지속할 것인가? 이에 대한 연구로써, 솔 펠머터, 브라이언 슈밋, 애덤 리스는 우주가 영원히 팽창할 것이며 심지어 더 빨리 팽창한다는 답을 제시하여 2011년 노벨상을 수상하였다. 그리하여 우주의 가속팽창 모델은 확고히 자리를 잡고 진리로 받아들여지게 된다. 정말 그럴까?

 

  © 청솔뉴스 PINENEWS

[우주의 시작과 가속팽창 모델; 위키백과]

 

가속 팽창과 암흑 에너지
  그럼 무엇이 우주를 더 빨리 팽창하게 하는가? 우주에 어떤 에너지가 가득 차 있어서 그것이 우주를 가속 팽창하게 하는 것이 아닐까? 그런 합리적 추론에 의해 등장한 개념이 암흑에너지이다. 사실 우주 가속팽창은 2011년 노벨상을 받았지만, 그 연구는 이미 90년대 초반부터 시작하여 천문학자들은 우주의 가속팽창의 원인으로 암흑에너지라는, 우리 눈에 보이지는 않지만 우주를 가득 채우고 있는 에너지를 발견하기 위해 노력하였다. 이 우주의 허상은 아직 관측되지 않았기에 많은 물리학자, 천문학자들을 잠 못 들게 하고 있다.


  그러나 최근 연세대 이영욱 교수팀은 이 연구에 강한 의문을 품는 결과를 제시하였다. 펄머터 등은 별이 얼마나 멀리 떨어져 있는지 거리를 재는 방법으로 1a형 초신성이라는 표준촛불을 사용했다. 이 초신성은 밝기가 일정하기 때문에 (절대밝기) 이를 표준으로 별의 거리를 측정했는데, 이영욱 교수는 초신성의 절대밝기가 은하의 나이에 따라 달라지고 따라서 이를 표준촛불로 사용할 수 없다고 주장하였다. 만약 이것이 사실이라면 기존의 암흑에너지에 대한 연구에 심각한 문제가 있게 된다.
 
암흑물질이란 것이 정말 있나?
 암흑에너지만큼이나 신비로운 것이 바로 암흑물질이다. 우리 은하계에 있는 별들의 운동을 관측해보니 뉴턴역학이 예측한 것과 전혀 다르게 운동하고 있었고, 이를 설명하기 위한 개념이 암흑물질이다. 뉴턴의 중력이론은 태양계 행성들의 운동이나 탐사선 발사 등을 아주 정확히 예측하고 있고, 수 세기 동안 그 진가를 인정받아 왔다. 뉴턴이론이 은하계에 적용되지 않는다는 것은 뉴턴의 이론이 태양계 행성들의 운동에만 적용되는 이론이라는 것인가? 과학자들은 엄청나게 훌륭한 뉴턴의 이론을 포기하는 대신 암흑물질이라는 새로운 개념을 창안해서 뉴턴의 이론을 바꾸지 않아도 되도록 땜질하였다.


  그러나 최근 실상 우리가 뉴턴역학을 제대로 계산하지 못하기 때문에 은하계 별들의 운동을 설명하지 못할 뿐, 암흑물질은 없다는 제안이 설득력을 얻고 있다. 사실 인간은 서로 상호작용하는 물체 3개만 주어져도 이들의 운동을 정확히 알 수 없다. 심지어 그것을 수학적으로 풀 수 없다는 것을 라플라스가 증명까지 했다! 3개도 알기 벅찬데 밤하늘을 가득 채우고 있는 별들에 작용하고 있는 복잡한 중력 상호작용을 어떻게 다 계산한다는 말인가? 불가능에 가까운 일이다. 그럼 암흑물질도 단지 헛된 인간의 상상력에 불과하단 것인가?

 

우리는 무엇을 알고 무엇을 알 수 있을까?
  우주에 대한 연구에 있어서 매우 단순하지만, 사람들이 간과하고 있는 것은 지금 우리가 보고 있는 별들은 현재의 별이 아닌 과거의 별이라는 점이다. 먼 곳에 있는 별일수록 과거를 보고 있는 것이다. 모든 물리학자, 천문학자들이 이 사실을 알고 있지만, 우주를 설명할 때 현재의 우주가 가속팽창하고 있는 것처럼 기술하고 있다. 가속팽창의 증거로 더 멀리 있는 별들은 더 빨리 멀어지고 있는 관측결과를 제시하고 있는데, 더 멀리 있는 별이 더 빨리 멀어진다고 해서 우주의 팽창이 빨라진다고 할 수 있을까?

 

  관련 세미나에서 필자가 본 데이터로는 에러 바가 너무 커서 과연 가속팽창이라고 말할 수 있는지 의심스러웠다. 고체물리를 전공하고 있는 필자에게 학생이 그런 데이터를 가져왔다면 실험을 더 해보라고 조언했을 것이다. 물론 아주 먼 별을 관측하기가 어렵기 때문에 그 정도 데이터가 오랜 연구의 결과로서 최선이었겠지만, 그래도 그것은 단지 더 오래 전의 우주가 더 빨리 팽창하고 있었다는 사실 정도가 합당하다.


  현재 우리 우주의 팽창이 어떻게 되어가는지는 전혀 알 수 없다. 현재의 우주 자체를 관측할 수 없기 때문이다. 과거의 우주를 현재의 것이라고 믿는 것으로 우리 우주를 이해하면 안 된다. 사실 인간이 진리라고 믿고 있는 것들 중에는 허술한 가정들에 기반하고 있는 것들이 있을 수 있다. 물론 학문이란 여러 논쟁을 통해 정반합의 결과를 이끌어내는 과정이지만 암흑물질과 암흑에너지에 대한 학자들의 신념을 보면 과연 현대 과학이 그러한 치열함을 갖고 있는지 의심이 들게 된다.


  유명한 학자가 말했다고 그것을 그대로 따르는 모습을 많이 보면서 과학적 치열함이 무엇인지 다시금 생각해 보게 하는 것이다. 심지어 필자도 그런 선입견을 갖고 있으니 할 말은 아니지만, 우리 인간의 지적인 위대한 성취의 한편에는 권위에 의한 오류, 믿고 싶은 것만 믿는 선입견 등을 경계해야 할 것이다.

 

  © 청솔뉴스 PINENEWS

 

[우주의 가속팽창을 설명하는 실험데이터 : C. O’Raifeartaigh et. al. Eur. Phys. J. H]
https://doi.org/10.1140/epjh/e2017-80061-7

 

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