과 학

역사적으로 가장 유명한 과학자라고 할 수 있는 아인슈타인은 1915년에 중력과 시공간에 대한 일반 상대성 이론을 발표하고, 2년 후에는 이 일반 상대성 이론을 사용하여 우주에 대한 이론적인 모형을 세웠다. 그는 이 우주 모형을 만들 때 우주는 시간에 따라 전혀 변화가 없는 정적 상태에 있다고 가정하였다. 그러나 중력으로 인해 모든 물질들이 서로 끌어당긴다는 과학적 사실을 고려하면 우주가 정적 상태를 유지한다는 것은 이론적 모순이 있다. 아인슈타인은 이 문제를 해결하기 위하여 중력과 반대 성질을 가지는 우주 척력의 개념을 임의로 도입하였다. 이러한 척력을 나타내는 상수를 '우주 상수'라고 한다.

그런데 1929년 허블에 의하여 우주는 정적 상태에 있지 않고 지속적으로 팽창하고 있다는 사실이 밝혀졌다. 허블은 은하가 우리로부터 멀어지는 후퇴 속도가 방향에 관계없이 은하의 거리에 따라 커진다는 사실을 발견하였다. 즉, 이는 우주가 팽창하고 있으며 우주에는 중심이 없다는 것을 말해 준다. 이 관측 사실은 우주 팽창에 관한 허블의 법칙이라고 불린다. 오른쪽 그래프와 같이 은하계의 별들의 거리가 멀어짐에 따라 은하의 후퇴 속도도 빨라지는데, 후퇴 속도와 거리 사이의 비례 상수인 직선의 기울기(Ho)를 '허블 상수'라고 한다.

우주의 팽창 속성을 면으로 구성되어 있는 2차원 우주를 빌려서 생각해 보자. 가령, 고무풍선을 조금만 불어서 지름 4~5cm 정도의 작은 크기로 만든 후, 풍선 면에 여러 개의 점을 고르게 그려 보자. 그러고 나서, 풍선을 계속 불면서 각 점이 움직이는 모습을 잘 관찰하면 된다. 여기서 풍선의 면은 팽창하는 2차원 우주, 각 점은 은하에 해당한다. 풍선이 커지면서 점들은 서로 멀어지는데, 임의의 기준 점으로부터 가장 먼 곳에 그려진 점이 다른 점들에 비해 더욱 빨리 멀어지는 것을 볼 수 있다.

이와 같이 우주가 팽창하고 있다는 사실을 이용하면 우주의 나이를 잴 수 있다. 우주가 팽창하면서 한 은하가 현재의 후퇴 속도로 현재의 거리까지 우리로부터 멀어졌다고 가정한다면, 이때 걸린 시간은 은하의 거리를 후퇴 속도로 나누면 되기 때문이다. 즉, 이 값이 우주 나이에 해당하는데, 이를 '허블 나이'라고 한다. 우주의 나이는 허블 나이에 비례한다.

그런데 만약 우주가 일정한 비율로 팽창하지 않는다면, 우주의 나이는 허블 나이보다 커지기도 하고 작아지기도 할 것이다. 우주 팽창에 영향을 미치는 요인으로는 우주 안에 있는 물질의 양과 물질 사이에 서로 밀어내는 힘인 척력이 있다. 예컨대 우주 상수가 커질수록 우주는 더욱 빨리 팽창하게 되고, 물질의 양이 많아질수록 우주의 팽창은 느려지게 된다. 따라서 우주의 나이와 허블 나이의 관계는 우주 상수의 크기와 물질의 양에 따라 결정된다.

◆ 2013년 10월 사설모의고사(중앙), 국어A 독서 영역 '인문' 지문

◆ 개요