우주 탄생과 구조에 대한 이야기 : 상대성 이론으로 비밀을 풀다.

  

지구 밖의 우주의 탄생과 구조를 아는 것은 매우 중요합니다. 그래야 지구의 탄생, 현재 그리고 미래의 모습을 알 수 있기 때문입니다. 우주에 대한 이론적인 연구가 되는 과정속에서 다양한 종류의 이론이 나왔고, 실제로 실험을 통해서 증명되고 있었습니다. 

 이런 우주에 이야기를 재미있고, 쉽게 풀어 쓴 다큐멘터리가 있어서 소개합니다. 바로 "브라이언 그린의 우주의 구조" 입니다. 총 3부작으로 제작된 이 다큐멘터리는 '다중구조' , ' 무한의 우주공간', '타임워프' 로 구성되어 있습니다. 3부작의 내용을 살펴 보며 우주 탄생과 구조 이야기를 함께 해보겠습니다. 

1. 다중 우주

 빅뱅에서 시작된 우주론 이외에 새롭게 등장하는 이론이 다중우주론입니다. 우리가 살고 있는 지구는, 태양계에 속하며, 태양계는 다시 은하에, 우리 은하는 국부은하군, 그리고 다시 처녀자리 초은하단 속해 있습니다. 우리가 흔하게 알고 있는 은하들의 무리들이 모여 은하군이 되고, 은하군이 모여 초은하단이 됩니다. 초은하단은 지금까지 우리가 관측할 수 있는 가장 큰 단위 입니다. 이런 우주가 여러개 존재한다는 이론입니다. 

 과학연구에서 때로는 극단적인 생각들이 과학계에서 큰 변화를 가져왔습니다. 지구가 세상의 중심이라는 생각은 지동설의 탄생으로 무너졌고, 뉴튼이 정의한 변하지 않을 시간과 공간이라는 개념이 아인슈타인을 통해서 바뀌었습니다. 같은 선상에서 다중우주론론은 기존의 우주론의 한계를 뛰어 넘어는 혁신적이면서 약간은 허무맹랑한 애기처럼 들릴지 모릅니다. 

 지구가 있는 있는 우주이외에 은하계, 항상, 지구가 포함된 또 다른 우주들이 존재한다는 이론이 다중우주론입니다. 다중이론의 탄생은 빅뱅이론과 급팽창 이론에서 출발하였다. 대폭발로 인하여 우주는 팽창하고, 그 팽장은 속도는 계속적으로 증가하기 때문에 팽창 후 남은 공간에 또 다른 우주가 존재할 수 있다는 것입니다. 팽창 속도로 인하여 기존의 우주들은 서로 밀어 내어 더 많은 공간이 생길 것이라고 주장하고 있습니다. 

- 다중 우주이론를 뒷받침하는 이론중에 하나는 끈 이론입니다. 끈 이론(영어: string theory)은 1차원의 개체인 끈과 이에 관련된 막(幕, brane)을 다루는 물리학 이론이다. 물리학의 이전 이론이 기본 입자를 점입자로 나타내었지만, 끈 이론에서는 기본 입자를 1차원의 끈으로 나타낸다. 물론 끈을 아주 멀리에서 보면 다시 점입자와 다르지 않게 보이기 때문에 거시적인 부분에서는 기존의 역학을 그대로 사용할 수 있다는 이점이 있다. ( 위키피다아 : 끈 이론)  이러한 끈이론이 빅뱅이론의 양자중력 이론과 블랙홀의 엔트로피를 계산하는 방정식에 되어 우주론을 뒷받침 하고 있습니다 .

 각각의 우주는 다양한 암흑에너지를 포함하고 있습니다. 급팽창 이론, 끈 이론, 암흑물질이 다중우주론을 지지하고 있습니다. 

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2. 무한의 우주 공감

 공간이란것은 무엇일까요? 공간이 물리적 실체라는 개념을 뉴톤은 소개합니다. 뉴톤의 공간 이론은 사과가 떨어지는 자연현상을 이해할 수 있게 하였습니다. 그리고 이러한 뉴톤의 법칙을 활용하여 인류는 기술발전에 급진보를  이루었고 항공기 이착륙과 인공위성 발사를 할 수 있게 되었습니다. 

 하지만, 정적인 개념이었던 공간은 아인슈타인(Albert Einstein; 1879-1955)에 의하여 그 고정관념은 변하게 되었습니다. 그는 공간이 동적이며 가변적이라는 특수상새성 이론을 소개합니다. 실제로 공강은 블랙홀의 가장자리에 가면 당기는 힘이 너무 쎄어 공간이 휘는 현상을 알 수 있다는 것입니다. 

 기존에 뉴튼의 만유인력 같은 물리학 법칙에 의하여 시간과 물리적 실체인 공간의 개념은 오랜 기간 동안 불변의 진리였습니다. 특정동작의 판단의 기준이 되었던 시공간에 개념을 뒤집는 시도가 아인슈타인에 의하여 이루어진 것입니다. 아인슈타인은 사물들이 움직는 속도에 초점을 두었습니다. 불변하는 빛의 속도를 기준으로 우리가 느끼는 시간과 공간의 상대적으로 변화할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 시간과 공간은 별개이 개념이 아니라 시공간이라는 하나의 개념으로 그 안에서 시간과 공간이 변해서 전체의 절대성으로 유지되고 있다는 것입니다.

 실제로 지상과 고속으로 비행하는 비행기 안에서의 시간의 움직임을 원자시계를 가지고 측정해 보면, 속도가 빠르지는 않지만 0.00001 초의 시간의 변화가 발생했다는 것을 알 수 있었습니다. 

 영화 인터스텔라에서도 본것 같이 블랙홀의 엄청난 무게는 주위의 공간을 변화 시키고 그 공간에서 흐르는 시간의 흐름도 상대적으로 차이가 발생한다는 것입니다. 

 

 이러한 상대성 이론관련 연구는 거시세계에서 뿐만이 아니라 미시세계에서도 이루어 지고 있습니다. 미시세계의 우주 연구는 양자역학을 통한 거대입자가속기에 의해 실험되는 입자물리학에 초점을 맞추고 있습니다. 그 이유는 기본입자 중 하나인 양성자나 전자를 입자 가속기를 통해서 빛의 속도에 최대로 근접킨 뒤(아인슈타인의 상대성이론에 따르면 빛보다 빠른 것은 없기 때문에) 충돌시키면, 강한 핵력이 파괴되면서 무수한 가상입자들이 나타나는데 그 중에서 힉스 입자의 존재를 발견하면 현대물리학의 한계를 뛰어넘을 수 있기 때문이다. 

 이는 빅뱅 이후 우주에서 사라진 힉스 입자의 존재가 발견되면 그것이 작동하는 방식에 대해 관찰하고 연구할 수 있게 되고 태초의 시점을 더 잘 이해할 수 있게 됩니다. 

 

 여기서 이론물리학과 실험물리학에 대해서 잠깐 애기할까 합니다. 기존의 물리학은 대부분은 실험 물리학이었습니다. 대표적인 실험물리학자인 패러데이(Michael Faraday)이 한것처럼 자연현상이나 실험결과에서 발결되는 사실을 기초로 하여 이론이 만들어지고 물리학이 발전해 왔습니다. 하지만 아인슈타인을 시작으로 이론물리학(리학적 세계에 대한 수학적 모형을 수립하여 현상을 이해하고, 예측하는 물리학의 한 분야:위키피디아) 분야가 개척되었습니다.

 이론물리학의 중요성을 전문가들이 인지하게 되었고, 학계에서도 중요한 별도의 분야로 인정하게 된 것입니다. 상대성 이론이나 힉스입자 등은 이론물리학을 통해서 먼저 탄생하고, 실험물리학에서 증명된 케이스라고 볼 수 있습니다. 

 

 공간에 대한 연구를 과학자들은 블랙홀에 대한 방정식을 새로운 이론을 찾아 냈습니다. 블랙홀에 안으로 물건이 사라져도 물건의 정보는 컴퓨터에 물건이 남아 있는 방식과 동일하게 블랙홀 겉의 표면에 물건의 정보들이 남아 있게 됩니다. 물건의 정보는 블랙홀 안과 표면 양쪽에 존재하게 됩니다. 그렇게 되면 표면(2차원)의 정보와 블랙홀안(3차원)의 정보가 동일하게 되고 모든 3차원의 정보는 2차원 표면으로 표현이 가능할지도 모른다는 생각입니다. 

 실제로 최근 수학적 증명이 뒷바침되고 있는 홀로그램 이론은 우리가 실제로 경험하는 것들이 홀로그램과 같은 허상일 수 있다는 생각에 이르게 해줍니다. 

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3. 타임워프

 '무한의 우주공간' 편에서 우리가 공간에 대해서 이야기 했다면 3편 타임워프에서는 시간의 상대성에 대해서 이야기 합니다. 인류는지금까지 정확한 시계를 만들기 위해서 반복되는 현상을 이용해서 시계를 만들었습니다. 미국 표준원에서는 세슘의 원자를 이용하여 세계에서 제일 정확한 시간을 측정하고 있습니다. 세귬 원자의 고유 진동수를 이용하는데 1초에 7,192,631,770번 진동합니다. 이 현상을 역으로 이용하여 정확한 시계를 만들었습니다. 

 하지만, 시간이라는 무엇인가하는 원초적인 질문을 해봅니다. 아인슈타인은 시간의 특성을 파악하며 뉴튼의 시간에 관한 개념을 무너뜨리며 모두의 시간이 다른 수 있다는 가정을 해보았습니다. 각자마다 개인의 시간이 있고 시간의 속도가 다르다는 것입니다. 그리고 역시나 특수 상대성 이론을 통해서 시간과 공간의 연공성을 설명합니다 .

 

 시간과 공간은 하나의 개념으로 모든 공간은 다른 시간을 가지고 있다는 것입니다. 현재 단면의 내용이 모두에게 동일해 보이지만, 그 단면을 자르는 방향에 따라 다른 시공간을 가지고 있다는 것입니다. 시공간을 빵으로 보면 다른 각도로 자른다면 자를때 마다 시간과 공간의 표현이 다들 수 있다는 생각 입니다. 즉 시공간이라는 개념속에서 과거,현재,미래 모두가 함께 존재하게 되는 것입니다.

 

 시간이 앞으로 흘러가는 것은 느껴지는 것은 먼가요? 상황이 변하는 것 처럶 느껴지는 건 우리의 주관적인 시점 때문이죠

이러한 시공간 기념속에 시간 여행이 가능할까요? 중력의 힘이 시간의 영향을 받는 다는 점을 이용하면 가능합니다. 중력의 힘이 강한 블랙홀 근처에 간다면, 시간은 천천히 흐르게 됩니다. 자신은 느끼지 못하지만 말, 행동, 노화현상도 천천히 진행됩니다. 하지만, 지구에서는 꽤 많은 시간이 흘렀을 것입니다. 다시 돌아 온다면 나는 미래에 있게 됩니다. 

 과거로의 여행은 웜홀로 이동하는 것이 가능하다고 합니다. 하지만, 아직까지 과거에서 온 사람들을 만나지 못했다는 것은 과거로 이동하는게 불가능하다는 것을 보여줍니다. 물론, 아직까지 미래에서 온 사람들을 만났다는 애기는 없습니다. 

 또, 시간의 흐름이란 무엇인가? 시간에는 우리가 근본적으로 이해하지 못하는 단 방향성이 존재하는 것 같습니다. 우리의 아는 자연현상이나 물리학 법칙이 시간의 순방향이 아닌 역방향으로도 일어 날 수 있습니다. 

 무엇이 시간의 방향성을 초래하는 것일까요? 엔트로피의 증가인 무질서도의 증가방향으로 흐를 수 있다는 것이 것입니다. 180억년 전 우주 대폭발이 시간의 방향성을 정하고 있음. 그렇다면 시간의 종착력은 무엇인가? 결국에는 블랙홀이 모든 것을 빨아 들리고 결국 블랙홀 마저 없어지며 입자만 존재하는 세상이 되어 버릴 것입니다. 

맺으며

 우주는 대부분이 아직 밝혀지지 않은 미지의 세계입니다. 인류는 다양한 이론을 내놓고 있으며, 일부는 수학적으로나 과학적 실험으로 증명되었습니다. 아인슈타인의 상대성이론들은 그 당시에는 이해하기 어려운 다른 차원의 이론들이 었지만, 지금은 많은 사람들이 이해하고 실제로 증명되었습니다. 스스로의 한계선을 만들지 않고 다양한 상상속에서 이론을 펼처 간다면 우주의 탄생과 미래라는 질문의 답을 언제가는 꼭 찾을 수 있을 것이라고 확신합니다 .