우주의 특성 우주란 무엇인가?
우주는 공간과 시간, 물질 그리고 에너지 등과 같이 존재하는 모든 것이다.
대부분의 사람들이 우주를 공간뿐이라고 생각하지만, 공간은 단지 틀 즉, 우 주가 존재하는 비계일 뿐이다.
나아가 공간과 시간은 시공간이라 불 리는 4차원 구조로 밀접하게 연결되어 있다.
놀랍게도 어떤 가설들은 우리가 살고 있는 우주는 우리가 보는 것이 전부가 아니라고 주장한다.
이 가설들에 따라면 공간, 시간, 물질, 에너지 이상의 것 이 존재한다.
또한 다른 차원이 존재할 수도 있고, 다른 우주가 존재할 수도 있다.
하지만 이런 가설들은 아직 사실로 입증된 것이 아니다.
왜 우주는 존재하는가?
이 질문에 대한 답변은 좋든 싫든 과학으로만 설명할 수 있는 성질의 것이 아니다.
하지만 천문학은 이론을 통해 어떻게 우주가 시작되었는지 설명할 수 있다.
우주는 얼마나 오래되었는가?
우주는 무한히 오래된 것이 아니다.
현대 천문학적 관측에 의하면, 우주는 약 137억 년 전부터 존재하기 시작했다.
우주는 무한한가?
우주가 정확히 얼마나 큰지는 아직 과학적으로 결정되지 않았다.
우주는 무한정 클지도 모른다. 하지만 아직 과학적으로 이것을 증명할 방법은 없다.
우주의 구조는 어떻게 되는가?
우주의 구조는 자신 안에 존재하는 물질의 구조와는 반대로, 자신의 형태에 의해 결정된다.
놀랍게도 우주의 형태는 굽어 있다.
우주를 수백만 혹은 수 십억 광년의 커다란 규모에서 보면, 우주는 3차원으로 된 말안장 모양이다.
- 수학자들은 이를 가리켜 음의 곡률을 갖는다고 표현한다.
- 그러나 우리의 일상생활에서 음의 곡률이 끼치는 영향은 아주 작기 때문에 우리는 그것을 인지하지 못한다.
- 작은 규모, 다시 말해 행성이나 별 그리고 은하를 포함하는 규모에서, 우주의 구조는 무거운 천제에 의해 변형될 수 있다.
이러한 변형은 공간과 시간의 곡물로 나타나며 아인슈타인의 일반상대성이론으로 설명될 수 있다.
우주는 얼마나 큰가?
은하수은하 안 우리가 사는 지구에서 인간이 관측할 수 있는 우주의 범위는 정해져 있다.
예를 들어 바다 한가운데 배가 있다고 상상해 보자.
사방을 둘러봐도 당신이 볼 수 있는 것은 물밖에 없다.
그러나 지구 표면은 수평선 훨씬 너머까지 존재한다. 우주도 이와 같다.
우주의 지평선이란 우리가 볼 수 있는 가장 먼 한계를 의미하는데, 그것은 지구에서 모든 방향으로 약 137억 광년 거리에 있음을 뜻한다.
이 우주 지평선 안에 존재하는 것을 관측 가능한 우주라고 한다.
천문학자들은 편의상 '관측 가능한 우주'를 일반적으로 우주라고 줄여 부른다.
아쉽게도 우주 지평선 너머에 대해서는 그 크기를 측정할 과학적 방법이 아직 없다.
아주 먼 곳에 우주의 경계가 존재하는지의 여부도 확답할 수 없다.
크기에 따라서는 우주의 크기가 한정되어 있지만 경계가 존재하지 않을 수도 있다.
예를 들어, 지구 표면을 생각해 보자. 지구의 표면은 유한하지만 지구로 면 어디에도 끝이라고 부를 수 있는 곳은 없다.
이와 마찬가지로 거대한 오원으로 보았을 때 우리의 우주도 경계를 구분 짓지 못할 수도 있다.
가능한 우주 유형은 무엇인가?
가능한 우주 형태는 세 가지로 생각해 볼 수 있다.
- 그것은 열린 우주,
- 평평한 우주,
- 그리고 닫힌 우주다.
우주의 유형은 공간이 가진 곡률에 따라 결정된다.
질량이 큰 천체는 공간을 휘게 하고 곡물을 갖게 한다.
우주 자체가 질량이 큰 천체이므로 전체 우주 역시 휘어졌다고 볼 수 있다.
닫힌 우주, 평평한 우주, 열린 우주의 차이는 무엇인가?
닫힌 우주는 자신을 향해 휘어져 있어 전체 부피는 유한하다.
닫힌 우주의 2차원적인 예로 구의 표면을 들 수 있다.
구의 표면에는 명확한 경계는 없지만, 전체적인 넓이는 유한하다.
닫힌 우주가 팽창하면 어떤 주어진 우주의 부피의 경계는 안쪽을 향하여 되게 되며, 그 결과 팽창이 끝나고 역으로 수축하여 대 함몰이 일어난다.
평평한 우주에는 곡률이 없다.
평평한 우주의 2차원적인 예로는 육 면체의 표면을 들 수 있다.
질량이 큰 천체에 의해 생기는 작은 휘어 짐은 평균적으로 0이 된다.
길이, 너비 그리고 높이는 직선이며 우주 전체로 확장된다.
평평한 우주가 팽창하면 주어진 우주의 부피의 경계는 직선을 유지하게 되고, 팽창은 끝없이 일어나게 된다.
열린 우주는 바깥쪽을 향해 휘어져 있어 전체 부피가 제한적일 수 없다.
우주의 2차원적인 예는 말안장의 면과 흡사하다.
휘어짐은 형태의 바깥쪽을 향하고 있으며, 표면이 팽창하면 끝없이 팽창하게 된다.
열린 우주가 팽창하면 우주의 주어진 부피는 바깥쪽으로 뻗어나가게 되고, 팽창은 끝없이 계속된다.
우주의 기원 우주는 어떻게 시작되었는가?
우주의 기원을 설명하는 과학 이론을 빅뱅이라 부른다.
빅뱅 이론에 따르면, 우주는 시공간의 한 점에서 시작되었으며, 그 이후 계속 팽창해 왔다는 것이다.
이런 팽창을 거치면서 우주의 상태도 바뀌었다.
그리하여 우주는 작은 것에서 큰 것으로, 뜨거운 것에서 차가운 것으로, 어린것에서 오래된 것으로 변모했다.
이것이 오늘날 우리가 관측하는 우주다.
빅뱅 이론을 처음 공식화한 과학자들은 누구인가?
1917년에 네덜란드의 천문학자 빌렘 드 지터 Wien de Ster 167-093)는 아인슈 타인의 상대성이론이 우주의 팽창을 기술하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 보여주였다.
1922년 러시아의 수학자 알렉산더 프리드만 Atode Fiesore 은 팽창하는 우주의 정확한 수학적 설명을 찾아냈다.
1920년대 후반에는 벨기에의 천문학자 조르주 앙리 르메가 독자적 요 프리드만의 수학 공식을 재발견했다.
르메트르는 만약 우주가 실제로 팽창하고 있으며 또 계속 팽창해 왔었다면 먼 과거의 어느 시점에 전 우주가 꼭 한 점을 차지하고 있던 순간이 있어야 할 것이라고 추론했다.
그리고 그 순간 그 점이 바로 우주의 기원일 것이라고 생각했다.
르메트르의 연구 결과와 프리드만 그리고 지터의 연구 결과는 관측을 통해 확증되었다.
르메트르는 천문학자 인 동시에 예수회 신부였기 때문에 종종 '빅뱅의 아버지'라고 불렀다.
뜨거운 빅뱅 이론을 주장한 사람은 누구인가?
러시아 태생의 미국인 물리학자 조지 가모프는 빅뱅 모델에 우주 에너지의 분산에 관한 사항을 가미함으로써 더욱 발전시켰다.
만약 실제로 우주가 이러한 폭발로 생겨났다면, 폭발 직후 우주는 믿을 수 없을 만 큼 뜨거워져서 온도가 1조 도의 1조 배만큼 높았을 것이라고 주장했다.
우주가 팽창함에 따라 우주의 열은 더 넓은 범위에 분산되었고 온도는 내려갔을 것이다.
1초 후에는 우주의 평균 온도가 약 10억 도로 떨어졌고,
50만 년 후에 는 수천 도 정도로 떨어졌다.
이런 식으로 우주의 온도는 시간이 지남에 따라 계속 내려갔다.
그러나 가모프는 수십억 년이 지나도 이 배경 열이 계속 존재하리라고 생각했다.
약 150억 년이 지나면 절대 0도에서 겨우 몇 도 정도 높은 온도로 우주배경복사가 나타날 것으로 예상했으며, 이 복사열이 마이크로 목사로 감지될 수 있다고 예측했다.
그리고 1965년에 실제로 마이크로파 우 주배경복사가 발견되면서 가모의 주장이 옳은 것으로 판명되었다.
빅뱅은 하나의 이론일 뿐인가 아니면 사실인가? 빅뱅은 하나의 이론이다.
그러나 과학적으로 말하면, 사실보다 더 강력하다.
사실이란 하나의 정보에 불과하지만, 과학 이론은 수많은 사실이 모여서 만들 어진 개념 모델이다.
그리고 이 모델은 예측과 관측 그리고 실험 과정을 통해 확증된다.
과학에서 각각의 사실은 근거가 약할 수도 있고 종종 잘못된 것으로 판명될 수도 있지만,
이론은 쉽게 틀렸다고 입증되지 않으며 과학적 증거에 의해 굳게 지지받는다.