빅뱅에 대하여......(1) > 행 성

풍선의 표면에 은하를 나타내는 작은 원들을 균일하게 붙여라. 여기서 '붙여라'고 말한것에 주목하라. 만일 은하들을 펜으로 그린다면 그 비유물은 올바른 것이 되지 못할 것이다. 왜냐하면 풍선이 팽창할때 그 점들도 팽창할 것이기 때문이다. 우주에서 은하들은 팽창하지 않는다. 다만 은하들 사이에 있는 공간이 팽창할 뿐이다. 풍선이 커짐에 따라 원들은 마치 은하들이 멀어지는 것과 똑같이 서로 점점 더 멀리 떨어질 것이다. 사실 멀리 떨어지는 것은 은하단들이다. 은하단 내에 있는 개개의 은하들은 서로 중력으로 묶여져 있으며, 이 인력은 떨어지려는 은하들의 경향을 극복하기에 충분하다. 따라서 더 정확히는 은하단들이 서로 멀어지고 있는 것이다. 물질내부의 소립자들 사이에도 공간 팽창은 적용되지 않는다. 이것들 사이의 거리는 중력의 힘보다는 양자의 힘(배타원리)과 전자기력의 균형에 따라 좌우된다.

사상의 지평선

풍선의 표면위에 여러개의 윈을 그려보라. 그것은 서로 겹쳐져 그려질수도 있고 떨어져 그려질수도 있다. 원 중앙에 있는 관측자는 원주 위에 있는 은하들이 광속도로 멀어지고 있는 것을 보게 된다. 우주의 생성시기로 돌아가 보자. 관측 가능한 우리 우주의 중심으로 부터 팽창속도가 광속에 달하는 매우 짧은 거리가 있을 것이다. 그것을 반지름으로 하여 원을 그리면 그것이 사상의 지평선이다. 시간이 지나면서 사상의 지평선은 광속으로 넓어져가나 팽창율이 일정하다면 아무리 시간이 지나도 우리는 우주 생성 초기의 아주 작은 사상의 지평선안에 있는 물질, 또는 그로부터 진화된 천체의 모습밖에는 볼수가 없다. 우리는 이 지평선 너머로는 아무것도 보지 못한다. 그러나 이것이 그 너머에 아무것도 없다는 것을 의미하는 것은 아니다. 우리 우주에서와 똑같이 그곳에도 은하들이 존재한다. 단지 우리가 그것들을 보지 못할 뿐이다. 간단히 말해서 우리는 우리 둘레에 지평선을 갖고 있으므로 우리의 우주에 끝이 있는가의 여부를 묻는 것은 아무 의미가 없다. 우리에게는 이 지평선이 끝인 것이다. 빅뱅이후 시간의 경과에 따른 우주의 크기를 이야기할때 이 크기는 사상의 지평선 내에 있는 우리가 관측할 수 있는 우주의 크기를 말하고 있는 것이다.

특이속도와 후퇴속도

사상의 지평선 너머에 있는 우리가 보지 못하는 은하들은 광속보다 큰 속도로 후퇴하고 있다. 그러나 만일 광속보다 큰 속도로 우리에게서 멀어지고 있는 은하들이 있다면, 그것은 마치 특수상대성이론을 위배하고 있는 것으로 여겨질 것이다. 과연 그럴까? 그렇지 않다. 왜냐하면 특수 상대성이론은 공간의 팽창에 적용하는 것이 아니라 공간 속에서 이루어지는 운동에만 적용되기 때문이다. 서로에게서 멀어져갈 때 은하들은 공간을 '통해서' 움직이고 있는 것이 아니다. 실제적으로 팽창하고 있는 것은 은하들 사이의 공간이다. 풍선의 경우를 기억해 보라. 원들은 그것들 사이에 있는 고무가 펴지기 때문에 멀리 떨어지는 것이다. 마찬가지로 우리는 은하들 사이의 공간은 늘어나지만, 그것들은 정체되어 있는 물체라고 생각해야만 한다. 그러나 은하들은 공간의 팽창과 무관한 운동을 하고 있다. 예를 들면 우리 은하는 안드로메다 은하 쪽을 향하는 '특이속도'를 가지고 있다. 이것은 우리가 사실 다른 형태의 두 속도를 가지고 있다는 것을 의미한다. 후퇴속도와 특이속도가 그것이다. 후퇴속도는 공간의 팽창으로 인한 것이며 특이속도는 공간을 통한 은하들의 운동 때문에 생기는 것이다. 우주론적 관점에서 보면 특이속도는 일반적으로 상당히 작다. 후퇴속도는 실제의 운동속도가 아니므로 은하들의 적색이동을 도플러 효과에 기인한 것으로 생각하는 것은 옳지 않다. 도플러 효과는 실제로 공간을 통해 움직이는 물체에만 적용된다. 은하들의 적색이동은 공간이 펴질 때 그들의 광파가 펴짐으로써 파장이 증가하기 때문에 존재한다. 이것은 사실 적색이동이 위에 설명된 것처럼 우주론적인 것과 도플러 효과에 기인한 것 이렇게 두가지 유형이 있다는 것을 의미한다.

*빅뱅은 단순히 공간이 늘어나는 것이며 상대성이론에는 공간이 빛의 속도보다 빠른 속도로 늘어나는 것을 불가능하게 만드는 요소가 하나도 없다.

팽창의 감속 - 사상의 지평선 확장

은하들은 모두 서로에게서 멀어지고 있다. 그러나 은하들이 멀어지고 있는 동안 폭발하는 폭탄에서 나온 모든 조각들을 중력이 다시 지구로 끌어당기는 것과 같이, 중력이 다시 그것들을 끌어당기고 있다. 이것은 중력이 우주의 팽창을 늦추고 있으며, 과거에는 팽창률이 지금보다 휠씬 더 컸었다는 것을 의미한다. 이것은 속도 - 거리 도면을 만들 때 은하들의 과거의 후퇴속도를 기입해야 한다는 것을 의미한다. 즉 속도 - 거리 도면에서 현재의 천체의 거리는 기입할 수 있지만 그 현재 위치에 있는 천체들의 후퇴속도는 감속되어 있을 것이다.(천문학자는 정확한 감속률을 알고 은하들의 현재 후퇴속도를 기입하는 쪽을 선호할 것이다.) 이것은 사상의 지평선의 확장을 가져온다. 팽창율이 일정하다면 사상의 지평선은 광속으로 확장되어 갈 것이다. 그러나 팽창율이 감소하면 기존의 사상의 지평선에 있던 천체는 광속이하로 속도가 떨어지고, 따라서 지평선 너머에 있는 새로운 천체가 사상의 지평선상에 오게 된다.

만일 감속이 있다면 H를 나타내는 직선이 구부러질 것이고, 그 곡률의 양이 q 값을 말해줄 것이었다. 만일 그 선이 어떤 방향으로 굽어진다면, 그것은 q가 1/2보다 작으며 우주가 열려있다는 것을 의미할 것이다. 그리고 만일 그것이 그 반대방향으로 굽어지면 q는 1/2보다 크고 우주는 닫혀있을 것이다.