우주의 미래

대부분의 사람들은 죽음에 대한 막연한 공포를 가지고 있지. 죽음이란 자신의 삶이 끝나는 지점이고 그 이후의 시점에 대해서는 알 수 없기 때문에

그것에 대한 불안감과 공포가 죽음에 대한 두려움으로 나타나. 인간의 삶과 죽음은 고작 한 세기정도에 걸치지만 이는 우주적인 스케일에서 봤을 때

세발의 피도 되지 않아. 태양계의 탄생만 하더라도 1천만년 이상이 걸렸으며, 태양계가 형성되고 지금까지 무려 45억년이 넘는 세월이 지났어.

하지만 이 45억년이라는 어마어마한 시간도 우주의 나이에 비하면 아무것도아니지. 천문학자들은 우리 우주의 나이가 대략 137억년쯤 된다고 보고있어.

그렇다면 우리는 우주의 종말에 대해서도 생각해볼 수 있지 않을까? 이러한 호기심은 지극히 당연하고 자연스럽지.

이러한 우주의 종말은 서양의 신화에서도 종종 등장하며, 대부분은 아주 비참하게 끝나버려. 예컨데 하늘과 땅이 무너지며 온갖 악의 무리가 나와

온 천지를 휩쓴다는 식의 내용이지. 어떤 신화에서는 온세상이 불길로 휩싸이거나 얼음으로 뒤덮힌다고 표현하기도 해. 신기하게도 이런 고대인들의

상상은 오늘날 천문학자들이 예견한 것과 별반 다르지 않을 것으로 보고 있어. 지금부터 우주의 종말에 대해 알아보도록 하자.

1. 역사

우주의 종말에 관한 기원을 살펴보면 위에서 언급한 것처럼 고대신화부터 시작해야하지만, 이 글에서 소개하기엔 너무 판타지적인 요소가 많기 때문에

생략하고, 정량적으로 생각한 때부터 알아보자. 

때는 흑사병이 창궐했던 유럽인데, 이 시기엔 뉴턴이라는 당대 최고 과학자가 있었어. 그는 만유인력의 법칙을 발견했으며, 그 유명한 F=ma라는 공식으로도

유명한 사람이지. 뉴턴은 F=ma와 만유인력의 법칙을 이용하여 이른바 '에너지 보존 법칙'을 만들었는데, 다음 부분에서 설명하겠지만 쉽게말해

'운동에너지'+'위치에너지'=일정 이라는 공식이야. 뉴턴은 이 에너지 보존법칙을 중력을 가지고 표현해봤어. 그러곤 심각한 결론에 도달하게 되는데,

그의 수식은 우주가 유한하다면 우주 내의 물질도 유한하므로 자체 중력에 의해 내부로 수축하여 전 우주적 대충돌을 겪을 것이다! 라는 점을 말해주고 있었어.

그렇기 때문에 뉴턴은 우주는 유한할 수 없다며 무한하다고 결론내렸지.

뉴턴이 죽고난 후 얼마 지나지않아 올버스라는 천문학자는 그 유명한 올버스 역설(Olber's Paradox)을 주장하며 우주는 무한할 수 없다고 비판했어.

여기서 잠시 올버스 역설에 대해 살펴보면 다음과 같아. 흔히 밤하늘은 왜 어두운가?라는 질문에 대한 역설로 알려져있지.

첫 번째, 별의 밝기는 거리의 제곱에 반비례한다.

두 번째, 별의 개수는 거리의 제곱에 비례한다.

세 번째, 따라서 별의 총 밝기는 항상 일정해야 한다.(거리에 대한 요소가 약분됨)

네 번째, 시간이 지남에 따라 더 많은 별빛이 지구에 도달한다.

다섯 번째, 우주가 무한하다면 별의 개수도 무한하므로 무한한 별빛이 지구에 도달한다.

여섯 번째, 따라서 밤하늘은 낮과 같이 밝아야 한다.

바로 이 내용이 올버스의 역설이라고 불리우는 당대 최고의 난제였어. 이 올버스 역설을 풀기 위해서 그 당시 사람들은 우주가 유한해야한다고 봐야했지만,

우주가 유한하다면 또다른 뉴턴의 문제, 즉 우주가 한 점으로 수축하여 총체적 파국을 맞이하게 되리라는 결론을 피할 수 없었어.

이 올버스의 역설은 최근에 이르러서야 해결됐지만, 관측기술이 형편없었던 그때 당시에는 손꼽히는 난제 중 하나였지.

시간이 지나 20세기가 되어 아인슈타인이 등장했고, 그 역시 뛰어난 천채성을 발휘하여 '특수상대성이론' 과 '일반상대성이론'을 각각 발표하였어.

좌변의 세번째 항이 아인슈타인이 집어넣은 우주상수항이다.

아인슈타인의 일반상대론 역시 뉴턴의 에너지 보존법칙과 매우 흡사한 형태를 띠고있어. 뉴턴의 식과 마찬가지로 아인슈타인의 식도

우주는 자체 물질들의 중력에 의해 수축하여 전 우주적 대충돌을 겪을 것이라는 매우 비관적인 종말을 예견하고 있었지. 그래서 아인슈타인은

자신의 방정식에 람다(Lambda)라고 불리우는 우주상수항을 추가하여 이 위기를 모면하려고 했어. 즉 일종의 반중력항(척력)을 넣은 셈인데, 

이렇게 자신의 식을 고친 지 얼마 지나지 않아 허블이라는 천문학자가 우주가 팽창하고 있음을 발견하여 그는 곧바로 최대의 실수(Biggest Blunder)라며

자신의 생각을 철회했지. 그러나, 비교적 최근에는 우주가 가속팽창을 하고있음이 밝혀져 당시 아인슈타인이 제안했던 우주상수를 다시 고려하고 있어.

즉 아인슈타인은 두 번이나 틀린 셈이지.

바로 여기까지가 우주의 종말에 관한 기본적인 역사야.

2. 수학적인 접근

1922년, 알렉산더 프리드만은 뉴턴이 유도했던 에너지보존법칙을 이용하여 보다 구체적으로 우주에 관한 방정식을 만들어냈는데, 천문학을 좀 해봤다

하는 사람들에게는 아주 유명한 '프리드만 방정식'이야. 이 프리드만 방정식은 시간에 따른 허블상수의 크기변화를 보여주는데, 이 방정식에는 

하나의 수가 있어. 우주의 종말을 점치는 상수로 불리는 이 상수는 바로 오메가(Ω)라 불리우는 상수이지. 이 오메가는 우주의 밀도를 우주의 임계밀도로 

나눈 값인데, 우주의 밀도는 일게이들의 질량부터 시작해서 눈에보이는 모든 물질과 암흑물질, 암흑에너지까지 싸그리 합친 질량을 우주의 부피로 나눈 값으로

생각하면 돼. 그리고 임계밀도란 어느 적정 단계에 있는 밀도인데, 우주의 밀도가 이 값과 일치하면 팽창도, 수축도 안하게 돼. 즉 정적인 우주이지.

따라서 우주의 밀도를 임계밀도로 나눈 값은 단위가 없는 파라미터로, 0이상의 값을 가지는데,

보통 1을 기준으로 잡아. 즉 우주의 밀도가 임계밀도와 같으면 오메가는 1이며, 임계밀도보다 작으면 0과 1사이에 위치하고 임계밀도보다 크면

1보다 큰 값을 가지게 되는거야.

오메가가 0과 1 사이에 있다면 우주는 팽창을 멈추지 않으며, 1보다 크다면 우주가 어느순간 팽창을 멈추고 수축하게 돼.

전자의 경우를 열린우주(Open Universe), 후자의 경우를 닫힌우주(Closed Universe)라고 표현하기도 해.

열린우주는 팽창이 지속되어 결국 중력으로 구속된 우리 주변의 몇몇 은하만 남고 모조리 지평선 너머로 후퇴하여 정말 외롭게 지내는 우주가 될 거야.

이 상태에서 수조년 이상 시간이 흐르게 되면 팽창속도는 쿼크의 핵력마저도 이겨버리는 수준이 되어 모든 분자들이 갈갈이 찢어버리지.

이러한 결말을 빅 립(Big Rip)이라고 불러. 빅 립과 비슷한 말로는 빅 프리즈(Big Freeze)가 있는데,

빅 프리즈 역시 비슷한 맥락이야. 즉, 우주가 급격히 팽창하여 평균온도가 절대영도에 이르러 모든 입자들이 활동을 멈추고 얼어버리는 의미를 가져.

이와 반대로 닫힌우주는 우주가 어느순간 팽창을 멈추고 수축하여 전 우주적인 대충돌을 겪는 파괴적인 결말을 가지는데,

이를 빅 크런치(Big Crunch)라고 불러. 용어에서도 알 수 있듯이 전 우주적인 대충돌이야. 이 시기를 대략적으로 보자면, 우주가 수축함에따라

평균온도가 서서히 올라가며, 수백만도에 이르면 모든 물질은 플라즈마상태가 되어 모조리 해체돼버려. 즉 이시기에 인간이 존재한다면,

그들은 실제 지옥이 무엇인지 느낄 수 있을거야.

3. 그렇다면 우리 우주는?

그렇다면 천문학자들이 예견하는 우리 우주는 저 셋 중에서 어디에 포함될까? 우선 우리 우주의 미래를 점 쳐보려면 오메가 값부터 알아내야해.

위의 접근도 오메가 값이 어디에 속하냐에따라 해석한 것이거든. 천문학자들은 오늘날 우리 우주의 오메가가 1과 아주아주 근접해있다고 보고있어.

그 값은 대략 1.005정도로, 거의 평평한 우주라고 보는거지만 1보다는 살짝 커. 그래서 이 값만 따지고 봤을 때 우리 우주는 닫힌우주여야해. 

즉 빅 크런치라는 종말을 맞이하는거지. 하지만 실상은 정반대야. 우주의 팽창속도가 늦춰지기는 커녕, 오히려 가속팽창을 하고있거든. 

천문학자들은 이 결과에 대해 의아해했어. 어떻게 오메가가 1보다 큰데 우주가 가속팽창을할까? 하며 말이지. 

그러던 중 아인슈타인의 우주상수가 재조명 되었고, 현재 이 우주상수는 우주론에서 정말 중요한 상수중 하나가 돼버렸어. 

우리는 우주상수항으로부터 유도되는 이러한 미지의 에너지, 즉 물질의 중력에 반대되는 반중력(척력)에 관련한 에너지를 '암흑에너지'라고 불러.

이 암흑에너지의 밀도는 우주의 크기와는 무관하게 일정해. 즉 에너지 자체의 크기는 부피에 비례하여 커지는거지. 따라서 우주가 커지면 커질수록

암흑에너지 총량도 늘어나며, 결국 우주가 가속팽창을 한다는 결론을 내릴 수 있는거야.

즉 암흑에너지를 고려하게 된다면 암흑에너지는 시간이 지남에따라 그 양이 점차 커져 팽창을 더욱 가속화시킬 것이며, 우리의 우주를 닫힌우주가 아닌

열린우주의 길로 이끄는 주역이 될거야. 따라서 우리 우주는 빅 크런치가 아닌, 빅 립 혹은 빅 프리즈 형태의 종말을 맞게 될 것이라는 것이 현재 천문학자들의

견해야. 우리의 미래는 이렇게 비관적이지만 아직 걱정할 단계는 아니야. 이러한 빅 프리즈는 적어도 수조년은 지나야하기 때문이지.

우리의 영원한 터전인 우주가 종말을 맞게 된다면 인류는 어떻게 될까? 인류도 이 운명을 받아들여 종말을 준비할까? 아니면 어떻게든 살기위해 

몸부림을 칠까? 읽어줘서 고맙다.