편집완료
빅뱅은 어디서 일어난 거예요빅뱅
우주의 타임라인을 빈강 잘라버리고
물론 그전에 뭐 있었는지 모르죠.
지금의 빅뱅이로는 빅뱅 빼고 모든 걸 다 설명한
처음 우주가 이만했었어요.
우주가 과거의 점이었다고 할 때 그 점이 우주 전체가 점이었다는 게 아니에요.
네 반갑습니다. 끝이 없는 과학 이야기 재미있게 전해드릴 저는 정형진이고요.
각자 소개 부탁드리겠습니다.
은하들의 충돌과 진화를 함께 연구하고 있는 오즈 먼지
성균관대학교 물리학과에서 학생들을 가르치고 연구하고 있는 김범주입니다.
서울대 원자핵공학과 명예교수.
요즘 학생들은 어떻게 예전 학생들보다 더 똑똑해졌습니까? 아니면 예전 학생들만 못합니까?
아주 오래된 고대 문서에도 요즘 애들은 마음에 안 든다는 얘기가 있거든요.
그래서 교수님들 생각에는 인식의 바이어스 같은 거 같긴 한데요.
항상 요즘 학생들은 항상 마음에 안 듭니다.
물리학과 학생들인 거죠 예 그렇죠 그렇죠.
근데 그 물리학과 학생들 굉장히 존경스러워요.
사실 어쨌든 물리학과에 가는 학생들은 뭔가 이게 취직이라든지 이런 것보다는 조금 더 과학적인 호기심 이게 더 많은 친구들 아니겠습니까?
아 여기 저 오해를 바로잡아야 할텐데요.
물리학과들 취직 잘 됩니다.
아니 수진이 잘 되는데 진짜 잘 되는
저기 죄송하지만 천문학과보다는 취직은 잘 됩니다.
천문학과도 잘 합니다. 근데 이제 천문학이 아닌 일들을 잘 찾아서 하는 거지 천문학을 살린 직업이 세상에 몇 개 없으니까 천문학과를 살린 직업을 할 수가 없는 거지.
천문학을 연구하면서 익힌 컴퓨터 기술 코딩 기술 이미지 처리 기술 이런 걸 살려서 다양한 산업의 가시입니다.
저는 이제 취직을 못해서 연구를 하고 있지만
핵 쪽 어떻습니까?
그런 소문이 있었거든요. 취직하려면 물리학과로 걱정 없으면 부자면은 물리학과로 근데 진짜 우리 원자력 공학도 취직이 거의 안 되는 정년 퇴임하기 이 년 전부터 보면 독도가 그냥 썰렁해요.
근데 이제 요즘은 다시 붐비기 시작 됐더라고요.
그래서 하여튼 한 가지 희망적인 것은 이제 직업 시장에 돌아왔다.
우주는 늘 이제 미지의 공간이기도 하고 우리가 아직까지 사실 가본 사람이라고 해봐야 지구에 손꼽을 정도 아니겠습니까? 그러다 보니까 우주는 정말 어디까지 있나도 저는 늘 궁금한데 일단 우주는 어디부터 우주예요 지구에서 얼마나 떨어진 우주입니까?
지금 우리는 우주에 있습니다.
여기도 우주죠. 알겠습니다. 그러면 지구 밖으로는 어디부터가 지구 밖이에요?
이것도 되게 재미있는 질문인데요. 질문 한번 이렇게 생각해 볼게요.
어느 정도 고도까지 올라가야 비행기가 아니라 우주선이 될 수 있을까 그 정의도 되게 치열한 논쟁이 있었 왜냐하면 지구의 대기권은 딱딱한 경계가 있는 게 아니라 점진적으로 밀도가 옅어질 뿐인 거잖아요.
그래서 이 밀도의 변화에 따라서 고도를 정해야 한다.
그래야 항공기를 만들지 우주선을 만들지를 우리가 정할 수 있으니까
그런 정의를 갖고 싸웠습니다. 그리고 현재 우리가 쓰고 있는 대표적인 기준은 고도 100km 카르만 라인이라고 하는 경계선인데요.
100km 100km로 정했습니다. 이유가 뭘까요?
백 킬로미터로 정한 이유 거기서부터는 공기가 희박해갖고 뭐 연소가 안 되나요?
숫자가 간단해서입니다. 그냥 편해서
7kg쯤 하면 애매하니까 네
이거를 정말 엄밀하게 밀도의 변화를 가지고 해야 70k 80kg 이렇게 할지를 쭉 논의하다가 그냥 100kg 편하니까
그 미터법을 si 유닛을 모든 국가에서 받아들이지 않고 아이를 쓴다면 우주의 시작이 바뀌었을 수도 160km로
그럴 수도 있겠네요. 다행히
다행이다.
미국을 제외한 대부분의 나라는 킬로미터를
미국에서는 다른가요? 우주 시작이 아니요.
근데 거기도 약속을 같이 했겠죠
어차피 과학이니까 과학자들만 킬로미터를
근데 이제 우주는 크기가 지금 이제 나왔습니까? 혹시
우주 전체 크기 전체 크기 솔직히 말하면 알 수 없죠.
알 수 없지만 현재 우리가 파악하고 있는 거에 따르면 무한할 것 같아요.
끝이 없이 무한할 것 같습니다. 말이 되나요? 이게 간접적으로는 우리가 유출할 수 있는데 우주 공간에 얼마나 많은 물질이 있고 우주 공간 자체가 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지를 비교를 해볼 수 있거든요.
왜냐하면 물질이 있다는 건 중력을 작용하고 있으니까 팽창을 더디게 하고 느리게 하는 우주를 수축시키는 작용을 하고 있을 것이고, 우주의 팽창 속도는 말 그대로 우주 자체가 넓어지는 효과인 거죠.
그런데 이 두 개를 비교해 보니까 너무나 절묘하게도 더도 아니고 덜도 아닌 고르게 우주가 팽창하고 있는 그 수준에 지금 이르러 있어요.
사실 이것도 우리가 지난번에 얘기했던 미세 조정 문제에서 언급되는 이슈 중에 하나거든요.
왜 하필 이렇게 우주가 완벽하게 평탄하게 팽창하고 그런데 평탄하다는 건 이 지구 주변의 우주이건 더 멀리 떨어진 다른 곳의 우주를 보건 다 똑같이 주변이 같은 모습으로 보일 거다라는 거거든요.
그래서 아무리 우리가 더 멀리 가도 똑같은 우주가 또 있고, 또 멀리 가도 똑같은 우가 또 있고 계속 이런 식일 것이기 때문에 지금 우주의 밀도를 보면 우주는 평탄하고 끝 없는 무한한 세계라고 보는 게 수학적으로는 타당합니다.
우주의 크기는 우리가 계산할 수가 없는 거군요.
물리학에서는 우주를 정의할 때 철학적인 정의일 수도 있는데요 서로 영향을 주고 받을 수 있는 모든 것들의 집 밥으로 정의하거든요.
우주를 그렇게 생각하면 아마도 우주는 무한할 가능성이 큰데요.
그래도 우리로부터 몇 억 광년 이상이라면 그렇게 먼 곳에서 무슨 일이 벌어졌든 우주의 나이 안에 우리에게 아직 정보가 전달되지 못하거든요.
빛의 속도를 생각하면
거기까지만이 우리에게 영향을 미칠 수 있는 우주다 관측 가능한 우주라고 불러요.
그런데 말씀하신 것처럼 시간이 지나면 더 멀리 있던 우주에서 출발한 빛도 우리한테 올 수 있잖아요.
관측 가능한 우주는 우리가 앞으로 100억 년을 더 살면 당연히 더 멀어지죠.
그런데 지금은 관측 가능한 우주가 4,000
10억 년 정도 반지름 10억 갖고 있습니다.
460억 원 광면 그 거리에 있는 별이나 이런 것들은 관측이 돼요.
지금.
그래서 사실 많은 분들이 착각하는 것 중에 하나가 뭐냐 하면 우주의 나이가 138억 살인데 어떻게 관측 가능한 우주의 최대 반경은 138억 광년이 아니라 460억 광년이냐 이렇게 많이 물어보거든요.
근데 이게 왜 그러냐면 만약에 우주가 팽창하지 않고 딱 지금의 크기 그대로 138억년 전에 뿅 하고 만들어졌다면 관측 가능한 우주는 38억 광년이 맞아요.
그런데 우주는 팽창하고 있죠. 그러면 제가 지구고 주먹이 먼 은하라고 해볼게요.
과거엔 가까웠습니다. 그런데 멀어지고 있죠.
이 은하를 떠난 빛은 그 사이에 날아오고 있어요.
얘는 계속 멀어집니다. 그러면 빛이 도달할 때쯤에 내가 보고 있는 이 빛을 보낸 은하가 현재 어디에 있을까를 생각해 보면 멀래의 거리보다 멀어질 수밖에 없는 거 그래서 실제 관측 가능한 우주의 스케일은 460억 광년 정도 거리까지가 가능합니다.
실제로 최근에 제임스 같은 걸로 다 확인이 되고 있습니다.
460억 광면에 있는 애가 빛의 속도를 좀 더 빠른 빛을 보낼 수는 없는 거죠.
광속을 아마 넘을 수는 없을 테니까요.
광속은
우주 어디서나 일정하고 어떤 빛이나 똑같습니까?
빛이라고 하는 건 딱 하나거든요. 그러니까 결국 전자파라고 볼 수도 있는데 그러니까 그게 어디서 팔 하든지 똑같은 속도를 갖고 불변이다.
그러니까 이쪽으로 올 때 봐도 그렇고 저쪽 갈 때 봐도 그렇고 특수 또 일반 상대성 원리인데 우리는 그런 생각을 하게 되는 거죠.
팽창한다면 이런 공간이 있어야 3차원이죠.
그렇죠? 그리고 우리가 몇 시간 전에 만날 시간이 있죠 그런데 그게 아니라는 거죠.
공시가
똑같이 하나의 천처럼 되어 있고 만약에 중력이 있으면 거기가 움푹 패이지는 거예요.
이렇게. 그래서 거기를 빙빙 돌고 있고 그러니까 일단 우리가 먼저 버려야 할 게 시간하고 공간이 따로 다 갖고 있잖아요.
몇 시간 전에 왔고 여기 왔고 그 전에는 집에 있었고 연구실에 있었고 뭐 어디 기차를 타고 있었다.
그게 아니라는 것 똑같다는 거 똑같은 천 조각의 좌표 축과 시공간이다.
그러면 이제 우리가 어떤 생각을 할 수 있냐 하면 이렇게 팽창하고 있다니 어디서부터 출발했을
그럼 이제 뒤로 뒤로 돌아가가지고 어떤 점 소수점이 되겠죠 첫 번째 자 그렇게 되면 어떻게 될까요? 문제가 생깁니다.
뭔가가 짐이 있어요. 물론 암흑물질 암흑 에너지 썸팅 뭔가가 있잖아요.
근데 그때 가면은 없어야 돼요. 그러니까 이제 우리는 어떤 상상을 해야 되냐면 아무것도 없는 거에서 뭔가가 생각 그래서 저는 이제 아 이게 모르겠다는 것이죠.
그렇죠 그 부분을 설명이 안 되는 거예요.
그러니까 그게 지금 우리가 아직 인지가 안 되는 거죠.
거기는 이제 양자 역학이 해결을 하고 그 다음부터는 이제
상대성 이론 그래서 아인슈타인이 결국 하지 못하고 죽어버린 게 이 두 가지를 결합하면은 모두의 이론 모든 걸 설명할 수 있는 이론 데 거기에 근접하는 게 지금 나왔어요.
그럼에도 불구하고 아직까지는 근데 끈 이론 가면 차원이 팔차원 대구를 도저히 알 수가 없어요.
그렇죠 그건 저는 이제 포기를 했고요.
이제 우리 우주 먼지님은 조금 아직 가능성이 있습니다.
그렇죠 박사님도 그렇고
아니 더 늦어서 저는
저는 포기했습니다. 담고 가야 될 것 같아.
만약에 138억 년 전에 우주 빵 터졌어요.
지구 바로 옆에 정말 한 1m 앞에 별이 하나 있었는데 개가 우주 대폭발과 함께 빛의 속도로 지구와 반대로 갔어요.
그러면 우리는 개를 못 보잖아요. 빛의 속도로 가니까 그런데 개가 가다가
속도
보다 조금 늦어졌어요. 가는 속도가 그러면 갑자기 어느 날 지구 앞에 이만한 별이 보이면
아니 그런데 아까 말씀 중에 아무리 빛의 속도로 가지만 그전에 빛을 냈겠죠 우리가 그건 와요.
빛의 속도로 그러니까 봅니다. 그런데 단지 점점 빛의 속도로 오거든요.
개가 절로 가는데 네 똑같아요. 그
계속 방송으로 날아오고
그 별의 거리만 멀어질 뿐인 거죠.
보이기는 해요.
순간순간순간 이 친구는 가면서 계속 우리한테 보내는군요.
빛이
가시광선이니까. 그런데 우리가 보지 못한 게 훨씬 더 많다는 거죠.
그러니까 그러면 이제 우리는 다시 원점으로 돌아가게 되는 거죠.
그래서 제가 항복한 거 아니겠습니까? 더 이상 잘 모르겠다.
중요한 말씀을 딱 해 주셨는데 옛날에 독일의 천문학자 중에 하이니 올베르스라는 사람이 되게 유명한 고민을 한 적이 있어요.
이제 밤하늘을 보니까 우주가 깜깜해요.
근데 옛날에는 우주를 뭐라고 생각했냐면 무한한 과거부터 지금의 모습으로 하염없이 존재했다고 생각했다.
빅뱅처럼 특정한 시점이라는 게 없다고 생각을 한 거예요.
그런데 이러면 문제가 뭐가 되냐면 우주의 나이가 무한 살이라는 거죠.
무한한 과거 때부터 그냥 원래 있었던 거니까.
그러면 우주가 살아온 세월이 무한하니까 아무리 먼 거리에 떨어진 별빛이라 한들 무한년을 날아와서 지구에서 보여야 되는 거 우주를 가득 채우고 있는 모든 거리의 별의 별빛들이 다 동시에 지구에서 보여야 하는 거죠.
그러면 우주는 사실 눈이 부실 정도로 밝아야 하는 거예요.
그런데 실제 우리가 보고 있는 우주는 깜깜하잖아요.
이게 바로 빅뱅이 해결해 주는 문제예요.
빅뱅은 이 무한하게 과거로 뻗어 있던 우주의 타임라인을 댕강 잘라버리고 138억년 전부터 우주가 있었어라고 이야기를 하는 거죠.
그러면 우리가 관측할 수 있는 빛을 통해 볼 수 있는 범위 자체가 무한 광령까지가 아니라 아까 말씀드린 관측 가능한 우주 안에서만이라는 거고 모든 별을 볼 수 없기 때문에 우주가 깜깜하다.
그러니까 너무나 아름답게도 우리가 보고 있는 우주가 깜깜하다는 사실 자체가 우주에게는 유한한 과거가 있었다는 걸 보여주는 너무나 명확한 증거라는 거죠.
물론 그전에 뭐 있었는지 모르죠. 138억년 전
론 구스라는 천체 물리학자가 되게 재미있는 말을 한 적이 있는데 지금의 빅뱅이로는 빅뱅이 빼고 모든 걸 다 설명한다.
빅뱅 이후의 타임라인은 너무나 완벽하게 설명해요.
그런데 빅뱅이 왜 벌어졌는가라는 것에 대해서는 실험도 못 관측할 수 있는 영역도 아니다.
보니까 이론 물리하시는 분들께 저희가 숙제를 넘겨드려야 하는 거죠.
빅뱅이로는 누가 만들었습니까?
다양한 이야기들이 있는데 보통 우리가 많이 얘기하는 창시자 두 명은 수학자 가모프가 있고요.
그리고 이후에 관측적인 증거를 발견해 준 에드윈 허블과 조지 르메트르라고 하는 두 천문학자가 있습니다.
허블과 르메트르가 나오기 전에 가모프가 먼저 수학적으로 우주가 팽창할 수 있다라고 하는 거를 수학적으로 디자인을 해요.
그런데 그거를 아인슈타인은 받아들이지 않았어요.
원래 안슈타인은 우주가 그냥 정적인 세계다 팽창이건 수축이건 하지 않는다고 생각을 했기 때문에
그리고 처음에 르메트르가 학회에서 아인슈타인을 만나가지고 내가 관측 데이터 좀 이렇게 해보니까 우주가 팽창하는 것 같아요라고 제안을 합니다.
근데 아인슈타인이 수학 계산은 맞는 것 같은데 물리학적으로 말이 되냐 물리학은 형편없다 라고 혹평을 하거든요.
그러다가 이제 에드윈 허블이 또 관측 데이터를 들고 오니까 그때는 이제 충독을 했죠.
아니 그 스티븐 호킹 이런 분들 아니에요 빅뱅
뱅이로는 한참 전부터 있었습니다.
많이 있었고 그러면 스티브 노킹 박사는 뭘 한
빅뱅 이론 안에서 디테일한 것들을 채운 이
네 맞습니다. 스티븐 호킹 박사는 물리학 천체 물리학 이쪽에서는 정말 어마어마한 분인 건
어 사실 스티븐 호킹 박사와 동등한 정도로 훌륭한 연구를 하신 분들은 더 많이 있어요.
아 그래요 스티븐 호킹 박사님이 대중들에게 많이 알려지게 된 계기는 그분이 쓴 유명한 책 있구요 시간의 역사 시간의 역사라는 유명한 대중과학 책으로 알려졌고요.
그분이 이제 본인의 장애를 극복하고 그 평생 굉장히 어렵게 이론 물리학을 치열하게 연구했다는 사실
어떤 드라마 같은 게 좀 더해져
아마 영향을 주지 않았나 싶습니다.
대표적으로 하나만 짧게 생각나는 거 소개를 드리면 호킹이 연구했던 것 중에 하나가 우주 초기에 정말 양자 수준으로 작게 존재했던 우주 속에 랜덤하게 막 번쩍번쩍 하고 있던 양자 요동 고것이 우주 팽창과 함께 확장되면서 그 요동의 차이가 물질 분포 밀도의 차이가 되었고 여기보다 여기가 더 밀도가 많고 적고 하는 밀도의 차이를 만들었고
그것을 계기로 주변에 중력이 강한 쪽으로 물질이 모여들면서 우주 구조를 만드는 씨앗의 역할을 했다라고 하는 그 틀을 만들었던 분 중에 한 분이시기도 해요.
우주가 요만했어요.
그 관측 가능한 우주의 크기가 태초에는 당연히 아주 작았겠죠.
그래서 태초의 우주를 이해를 하려면 양자 역학이 필요한 거예요.
그 물리학에서는 이론 자체에는 여기와 저기가 달라야 할 아무런 이유가 없거든요.
여기와 저기가 달라야 될 일이라는 게 뭐야
제가 여기 있고 갖고 있는 이 컵은 요 앞에 있잖아요.
그런데 왕의 남자에서 나온 것 같은데
물리학의 이론에서는 여기와 저기가 다르게 구현될 이유가 전혀 없어요.
대칭성이라고 부르는 공간이 어느 곳에서나 다 균일하고 그런데 우리는 뭐 지구도 있고 별도 있고 태양도 있고 있잖아요.
그 얘기는 우주의 빅뱅 이후의 짧은 시간은 어딘가에 그 우주가 갖고 있던 균일함이 깨져야만 돼요.
만약에 그게 깨지지 않았다면 그냥 모든 공간을 균일하게 채우고 있는 전자기파와 입자들의 곤죽 같은 형태로만 있을 수 밖에 없어요.
어딘가는 뭉쳐서 별도 되고 어딘가는 가스 형태도 되고
그걸 가능하려면 균일함이라는 대칭성이 깨졌어야 되는데 말씀하신 양자 요동의 효과로 보는 거죠.
그래서 빅뱅도 아마도 많은 물리학자들은 아무런 이유 없이 아무것도 없는 진공에서 순수한 양자 요동의 효과로 우연히 시작된 것이 아닐까 라고 생각하는 사람들이 있는 것 같습니다.
지금은 양자 요동의 현상을 우리가 발견할 수 있는 곳이 없습니까?
처럼에서는 언뜻 떠오르는 얘는 초전도체가 왜 초전도체가 될까 저항이 없는 어떤 물질이거든요.
뭐가 떠 있고 그러는 거예요. 그게 초전도체인데요.
거기도 양자 유동 효과가 뭐 에너지와 시간처럼 어떤 두 개의 물리량을 동시에 측정할 수 없다는 것이 불확정성 원리고요.
불확정성 원리 때문에 만들어지는 효과들을 대개는 양자 요동 효과라고 해요.
시작했다.
안 그래도 그 말씀을 서 교수님한테 해석 좀 부탁드리고
어쨌든 거기도 양달
해석이 잘 안 되는데 해석 안 됩니다.
일단 불확정성이라고 하면 진짜 아주 극 미세한 세계로 가면요 우리가 본다는 건 뭐죠? 여기서 튀어나온 걸 관측하는 거란 말이 근데 극초 미세 의세히 가면 이렇게 치는 순간 이게 자리를 바꿔버려요.
그렇죠? 아 네네네. 그렇기 때문에 우리는 영원히 여기 있다는 것 정확한 위치를 파악할 수가 없다는 거죠.
왜냐하면 우리는 거기서부터 출발을 해야 되거든요.
아까
어느 순간 내가
근데 보는 순간 밀린 거죠. 그래서 이제 이게 동시에 위치하고 시간을 한꺼번에 맞출 수가 없다.
에너지하고 물질을 동시에 우리가 볼 수가 없다.
그런데 문제는 이 우주가 물질하고 에너지로 돼 있단 말이에요.
거기에다가 반물질 반 에너지도 있고 그리고 이게 동시에 존재하는데 그들이 만나면 그냥 사라져버려요.
거기까지는 그래도 이해가 되는데 그다음에는 보이지 않는 게 거의 전부다.
그러니까 우리가 관측을 못하는 거 봐야지 관측을 하고 해석을 하는데 그러니까 그렇게 되면 이제 진짜 불가사의 영역으로 되는데 그래서 이제 그런 점에서는 우리가 큰 거 아까 말씀드렸던 그 관문 아주 초근 미세 백뱅이라고 있었다면 이유는 모르지만 10억 분의 1 일억 분의 1 초 동안에 어떻게 움직였는지 그리고 그게 어떻게 퍼져 나가기 시작 그리고 어떻게 비균질화가 시작됐는지 그
어디서는 성운이 되고 어떤 데서는 이제 행성이 되고 항성이 되고 이런 것들을 설명해야 되거든요.
그리고 얼마나 많은 원자 바닷가의 모래알보다도 더 많은 행성 항성들이 있단 말이죠.
그보다 더 많은 은하계가 있고요. 그러니까 그때부터는 아 일단은 심호흡을 해야 되는데 저는 치모 하다가 이제 거의 숨이 막힐 정도가 돼가지고 도저히 그 이상 나가지 않는 거예요.
그래서 아까 저기 물으신다고 했는데 듣지 마시고 일단 물 이게 더 진도를 나가셔야 되는 거
일단 불확정성은 약간 이해한 것 같습니다.
그렇죠? 일단 보기 위해서 쳐야 하잖아요.
그러니까 벌써 그 위치가 아닌 거예요.
움직여버린 거
정확히는 빛을 이용하면 양자 역학을 따르는 입자가 어디 있는지는 볼 수 있거든요.
말씀하신 것처럼 그 다음에 어디로 칠지를 모르게 되는
그리고 한 술 더 떠서 그 세계에서는 유비쿼터스가 가능해요.
여기 있는 데 저기하고 그리고 교감을 합니다.
서로 먼 거리
아 그거는 사실 사람들이 좀 오해하는 부분이 있는데요.
아 오해해
아니 오해는 양자 역학의 새이거든요.
뭔가 이렇게 굉장히 멀리 떨어진 두 사람이 정보를 전달할 수 있거나 그런 건 아닙니다.
입자끼리 아주 작은 입자끼리 서로 정보를 공유하는 거 이게 그러니까 지금 사람 이런 이야기가 아니라 아주 초 국민세
거기서도 특수 상대로는 위배될 수 없기 때문에 빛의 속도보다 빠르게 아무리 작은 입자라도 멀리 떨어져 있다고 해서 정보를 교환할 수는 없습니다.
동시에 있을 수 있다는 이야기죠. 그러니까 이게 그 양자 역학 불확정성이 이제 섞여진 거거든요.
그래서 이제 여기에 있는 입자가 여기도 있고 여기 그런 이야기인데 물론 이제 그건 해석이 필요하죠.
그러니까 이제 사람 이렇게 이심전심이 아니고 서로 정보가 교환된다는 것이죠.
동시에 존재할 수 있다. 그러니까 이게 여기 있는 것 같았는데 여기도 있다.
크게 두 가지 조건을 동시에 만족할 수는 없다라는 걸 실험으로 확인한 게 사실 작년에 노벨상을 받은 업종인데요.
약간 어려운 얘기일 수도 있는데 국소성과 실제성을 동시에 만족할 수는 없다 라는 게 양자각적인 입자를 멀리 떨어 떨어진 다음에 측정하면 어 한 입자의 상태를 우리가 아는 순간 멀리 떨어져 있는 입자의 상태를 우리가 파악할 수 있어요.
그런데 정보를 이쪽에서 이쪽으로 보낸 거는 아닌 거죠.
그런데 많은 분들이 이걸 마치 텔리파시처럼 오해하시는 분들을 그런 건 아닙니다.
물리학의 원리에 위배되는 건 전혀
멀리 떨어져 있다는 게 정말 그 작은 미식 세계에서 멀리 하는 거야 아니면 정말 정말로 우리가
안 들어옵니다의 가두 그래요 예 여기서 딱 측정하는 순간 얘가 윗면이 나왔으니까 얘는 뒷면이라는 걸 그때 알아요.
동시에. 근데 그렇다고 해서 정보가 전달되는 건 아니다.
파이프가 30만 킬로짜리가 있어요. 제가 한쪽에서 망치로 빵 때리면 뺑소리는 한참 더 걸리겠지만 밀리는 건 동시에 밀릴 거 아니에요.
아 그렇지 않아요 아 그렇지도 않아요.
밀린다는 게 뭔지를 현미경으로 쇠파이프 안에 원자를 보고 있다라고 생각하면 원자들이 규칙적으로 나열되어 있는데 밀린다는 것도 결국은 얘가 움직이면 그 움직임에 교란이 전달되는 거거든요.
근데 이것도 당연히 빛의 속도보다도 훨씬 느립니다.
제가 1m 빵 밀어도 저 끝에서는 한참 시간 걸린 다음에 밀려요.
한참 그 사이에는 얘가 1m 줄어 있는 거예요.
파동처럼 전달되는 거죠. 밀린 게 이렇게 이렇게 파도 타게 하다
센데 예
쇠도 다 원자로 이루어져 있으니까요.
결정 구조거든요. 그러니까 전달되는 거죠.
파동처럼 해서
그 사이에 어쨌든 길이는 줄어 있는 거네요.
제가 1m 쳤을 때
그렇죠 그렇죠 맞습니다. 그렇습니까? 아주 높은 곳에 가로등이 있고 그 밑에 파리 한 마리가 날아가요.
그러면 밑에 그림자가 비칠 거 아니에요.
그런데 이 가로등과 바닥 사이의 거리가 수백 광년이에요.
그러면 파리 그림자의 속도는 빛보다 빠를 수 있을까요?
파리 그림자의 속도
그러니까 여기 빛이 있으면 파리가 이렇게 움직이면 처음에 파리가 여기 있을 때의 그림자는 여기고요.
파리가 조금만 움직여도 이렇게 거리가 너무 머니까 파리가 조금 움직인 다음에 그림자는 여기 있잖아요.
그러니까 파리는 느리게 움직여도 그림자는 빨리 움직이잖아요.
그러면 파리 그림자의 속도는 빛보다 빠를 수 있을까?
당연히 그래야 되겠죠.
어떻게 생각하세요? 이거 재미있다. 재미있는 질문.
예를 들어 이게 이제 한 500광년이라 그냥 예를 들어 하고 빛이 가운데에 있고 파리가 그 바로 밑을 지나가요.
바로 밑에
아주 짧은
바로 밑에 있고 거기서 아주 느린 속도로만 움직여도 그림자는 엄청 많이 가잖아요.
그림자의 속도는 빛보다 빠를 수 있을
그림 당연히 빨라야겠죠.
그게 상대성 이론에 모순되느냐 그게 많은 분들이 오해하는 게 모든 게 빛보다 빠를 수 없다는 건 아니에요.
빠를 수 없는 것은 정보를 실어나르는 것들만 빛보다 빠를 수 없어.
그런데 파리 그림자에 편지를 실어서 보낼 수 없잖아요.
그러니까 파리 그림자는 빛보다 빨라도 아무런 문제가 없다는 거예요.
그런데
저도 지금 확실치 않은데 맞아요. 정확하게 이게 빛 메아리라는 현상이랑 똑같아요.
빛 메아리. 별 주변에 가스 구름 같은 게 이제 쭉 덮고 있는데 별이 방출한 빛이 우리 지구와 별 사이를 가로막고 있는 가스 구름에 퍼지거든요.
근데 그 빛이 퍼지는 속도가 광속보다 빠른 것처럼 관측이 돼요.
비슷한 것 같아요. 그때의 속도는 이쪽 방향인 거죠 네 이쪽 이 방향으로 레이디얼한 방향이 아니라
가니까 가장 처음에 보는 가운데 빛은 코앞에 있는 가장 가까운 가스 거고 이제 별빛이 둥글게 퍼져나가니까 사선으로 퍼져나간 빛이 멀찍이 있던 가스 구름 벽을 때리고 그때 지구에서 관측이 되거든요.
삼각형에 따라서 쭉 퍼져나가니까 빗 메아리라고 하는데 정확하게 그거랑 같네요.
갑자기 얘기하고 나니까 이게 정말 맞는 건가 갑자기 고민되는데
근데 그 우주는 지금도 계속 커지고 있다는데 그건 맞는 얘기예요
네 그거는 모두 동의하고 있습니다. 천문학자들은
주가 커지고 있으면 태양과 지구의 거리도 멀어집니까?
너무 좋은 질문인데요. 그런 걱정이 될 수 있죠.
갑자기 태양과 지구가 이별해서 내가 춥게 살면 어떡할까 이런 걱정이 들 수 있지만 사실 우주 팽창은 느려요.
이게 많은 분들이 우주 팽창을 막 다큐멘터리에서 묘사할 때 막 뻥 터지고 하니까 진짜 엄청 빠르게 걸어준다고 생각하지만 우리가 관측하는 우주 팽창의 속도는 거리에 비례해서 빨라질 뿐
저 수업 시간에 쓰는 장난감이 있어서 제가 예전에 다른 에피소드에서 혼자 할 때 하긴 했는데 제가 한 번 수업 시간에 하는 것 좀 해볼게요.
여기 은아 세 개가 있고요. 이제 간단하게 하기 위해서 고무즈 루즈가 있습니다.
지금 제 오른손에 있는 이 은하의 제가 살고 있다고 해볼게요.
그리고 왼쪽에 있는 두 은하가 멀어지는 속도를 관측해 보겠습니다.
가까운 우주 비교적 먼 우주가 멀어지는 속도를 한번 잘 보세요.
원래 멀었던 은하가 더 빠르게 멀어져요.
우리가 실제로 관측을 해보면 은하가 놓여 있는 거리와 각 은하가 멀리 도망가는 속도가 비례해서 빨라지거든요.
그러니까 이거는 고무줄처럼 우리가 살고 있는 우주 자체가 통째로 균일하게 팽창하고 있다는 아주 명확한 증거이고 멀리 도망가는 속도 역시 거리에 비례해서 빨라질 뿐인 거예요.
그래서 우주 팽창률을 우리가 간단하게 계산해보면 허블 파라미터라고 해서 허블 변수라고 해서
그 값을 알 수 있는데 주어진 거리 대비 그 포인트가 얼마나 빠르게 멀어지고 있는가를 이야기를 해요.
그래 단위가 거리 대비 속도다 보니까 우리가 알고 있는 우주 팽창 유의 속도가 70km 퍼세크 퍼 메가파색 메가파색이면 대략 300광년 정도예요.
잠깐만요
1킬로미터 퍼세크
70km 퍼세크까지는 쉬운데 1초당 70km 네 그 속
속도가 300만 광년은 가야 그 속도가 나온다는 거예요.
300만 강
300만 광년은 떨어져 있어야 그 포인트가 우리 지구에서 멀어지는 속도가 겨우 70km 퍼시크로 관측된다는 거죠.
그래서 태양계 아니면 이백오십만 광년 떨어진 안드로메다 이 정도면 우주 팽창의 물살보다 서로 가까이 인접한 두 천체가 주고받는 인력 중력의 효과가 압도적으로 강합니다.
제가 마지막으로 간단하게 이 얘기만 드려보면 오른 손가락 5개가 가까이 모여 있는 은하 5개고요 왼 손가락 5개가 또 자기들끼리 모여 있는 은하 5개예요.
이 은하단과 은하단은 멀어요. 이건 거시적인 거리이고 얘네들끼리는 가깝습니다.
그러면 우주가 진화하면서 어떻게 변하게 되냐면 가까운 애들끼리는 중력이 압도적으로 강하니까 모이겠죠.
반면에 은하단과 은하단은 머니까? 훨씬 강한 우주 팽창 때문에 서로는 멀어질 거예요.
그래서 이런 식으로 진화합니다.
이런 식으로. 그러면 우리랑 태양은 좀 더 가까워지는 거예요
그렇진 않아요. 우리는 안정적으로 돌고 있으니까.
태양에 잡아당기는 중력이 고스란히 지구가 도는 힘으로 쓰이고 있거든요.
균형이 잘 이어.
그래서 우리는 계속 앞으로 오랫동안 예쁘게 배도를 돌고 있다.
대신 우리 은하 내의 별들은 좀
아니요. 은하 안에서도 너무 지엽적인 스케일이어서 안드로메다까지 거리도 지역적이거든요.
그러니까 가까운 은하단은 벗어나야 초은하단 정도의 스케일은 돼야 이제 우주 팽창이 유의미해지는 거죠.
약간 좀 중심 동네 좀 있습니까? 강남처럼
아 이것도 너무나 중요한 질문인데요.
다시 이걸 꺼내보겠습니다.
예를 들면 이렇게 가잖아요. 그런데 만약에 중심 동네가 여기면 얘네들이 멀어지는 거고 이 동네에 만약에 우리가 지구가 있으면 얘네들 한참 더 멀리 갈 거고 이렇습니까? 아니면 중심이라는 게 없나
지금 설명하려면 그게 하나가 더 있었으면 좋았겠어요.
그렇죠 이쪽이나 이쪽이나 똑같다.
뭐 하나 더 있다고 칠까요?
좋아요. 만약에 제가 여기 살고 있어요.
여기서 제가 다른 은하를 봐요. 저만 가만히 있고 나머지만 멀어지는 것 같겠죠 만약에 양쪽에 두 개가 더 있어서 제가 여기서 본다고 하면 저를 중심으로 양쪽에 은하가 멀어지는 것처럼 보일 거예요.
이번에는 제가 가운데로 이사를 갔어요.
여기서 똑같이 주변의 은하를 봐요. 저만 가만히 있고 양 옆에 은하만 또 멀어지고 있어요.
옆집으로 또 이사를 갔어요.
여기서 봐도 이번엔 저만 가만히 있고 나머지만 멀어지고 있어요.
그러니까 우리 기준으로 주변의 우주를 보고 있기 때문에 주변의 우주가 사방으로 멀어지는 것처럼 보일 뿐인 거지 우주 공간 자체는 중심이 없습니다.
여러분들이 꼭 알아두셔야 할 게 우주가 너무 특별해서 우주에만 중심이 없는 게 아니라 팽창이라는 것 자체는 원래 중심이 없어요.
그냥 모든 포인트가 고르게 멀어지고 있을 뿐
비슷한 질문으로 제가 받은 것 중에 하나가 빅뱅은 어디서 일어난 거예요라고 묻거든요.
근데 그것도 더 같이 설명해 주셔도 될 것 같은데 어디서? 빅뱅은 사실은 동시에 여기서 일어난 거예요.
여기서 바로 여기서 앞에 설명 좀 해주시죠.
바로 여기요.
모든 곳에서 무슨 소리예요
지금 제가 여기서 만약에 오른쪽 방향으로 1광년의 우주를 봐요.
그건 1년 전에 우주를 보는 거죠 백광년 거리 오주를 봐요.
백 년 전 100년 전을 보는 거예요.
쭉 가서 관측 가능한 우주를 봐요. 끝을 봐요.
그러면 138억 년 전에 날아온 빛을 지금 보고 있는 거죠 138억 년 전 빅뱅 직후에 처음으로 퍼진 빛을 오른쪽 방향으로 쭉 가면 저기까지 볼 수 있어요.
이번에는 머리 위쪽으로 볼게요. 1광년 거리 보면 1년 전에 우주를 보는 거고요.
100년 전에 우주를 보고요. 마찬가지로 위쪽으로 뻗어 있는 관측 가능한 우주를 보면 여기도 빅뱅 직후의 우주를 보는 그러니까 우리는 사방에 과거의 우주로 둘러싸여 있어요.
관측 가능한 세계 안에서는 그렇죠 그렇죠? 만약에 빅뱅 원점이 어디일까? 빅뱅이 벌어진 순간에 가까운 가장 근접한 모습을 보고 싶다라고 하면 어떤 특정한 방향을 봐야 하는 게 아니라 그냥 아무 거리나 먼 우주를 보면 되는 거예요.
거기도 빅뱅 지점인 거
그렇죠? 그러니까 아주 먼 과거에 많은 분들이 착각하시는 것 중에 하나가 우주가 과거의 점이었다고 할 때 그 점이 우주 전체가 점이었다는 게 아니에요.
관측 가능한 우주가 점이었다는 거예요.
관측 가능한 우주 바깥에는 옛날에도 우주가 무한하게 있었을 거예요.
다만 밀도가 압도적으로 높았다.
저 같은 사람들 이해를 돕기 위해서 예를 들어 풍선을 훅 불어요.
이렇게 커졌습니다.
선 표면에
또 별들은 있을 거고 풍선 한 가운데에도 별들은 있을 거 아니에요 지금 현재
풍선으로 비유할 때는 사실은 삼차원 공간을 이차원의 풍선의 표면으로 비유하는 거거든요.
아 그렇습니다. 그래서 이 풍선이 이렇게 있으면 사람들은 풍선의 맨 가운데에서 빅뱅이 시작된 걸로 생각하는데요.
그게 아니라 면만 봐야 해요. 그러면 우주가 팽창하기 전에는 풍선이 점점점점 줄어드는 걸로 생각해.
그래서 처음 출발할 때는 이만한 풍선에 거기 위에 바글바글하게 있던 애들이 시간이 지나면서 점점 자기들끼리 벌어지는 거죠.
그래서 과거를 거슬러 올라가면 빅뱅은 그냥 여기서도 있었고 여기서도 있었고 달에서도 있었고 동시에 일어나고
그 세계 자체가 균열하게 커져서 지금 이 우주가 된 거니까 제 자리도 모두 분들의 자리도 다 빅뱅이 벌어진 포인트가 되는 거
사람들이 이걸 이해할 때 자꾸 풍선의 바깥을 떠올리는 것 같더라구요.
근데 바깥은 우주가 아니잖아요. 풍선의 비율을 생각하실 때 내가 풍선 위에 있다고 생각하시면 그리고 밖을 볼 수 없다 나는 면을 따라서만 다른 것들을 본다라고 생각해야 돼요.
우주를 이해하는데 지금 우리에게 더 필요한 건 뛰어난 관측 기술이에요 아니면 수학 기술이에요 계산 기술 어려운 질문이
가끔 제가 옛날에 물리학과 친구들이랑 그다음에 저희 천문학과 친구들이랑 농담 삼아 이런 얘기를 한 적이 있어요.
천문학자들은 봐야 믿거든요. 관측이 되고 입증이 돼야 보이는 우주만 우리가 받아들이는 거예요.
그래서 우리가 물리학 하는 친구들한테는 야 니네는 칠판 속에 우주 연구해봤자 뭔 의미가 있냐 우리처럼 실제 관측을 통해 입증을 해야 그게 과학이지 라고 이야기를 했더니 물리학 하는 친구들이 너네는 보이는 세계만 공부하지 우린 당장 볼 수 없는 수학을 통해 이 너머의 세계를 이해를 하고 있어 라고 이야기를
그래서 사실은 둘이 경쟁 구도라기보다는 천문학자들이 관칙을 통해 발견한 우주 안에 법칙을 통해 수학을 물리학자들이 디자인을 하고 그 수학으로 쭉 연장을 하면 당장은 보이지 않지만 그럴 것 같다라고 하는 예측들을 하겠죠.
조금 더 그 예측한 것들이 정말 실제 하는지 안 하는지를 관측을 통해 입증을 하고 이런 치키타카가 계속 있는 거죠.
그래서 제 생각에는 너무 교과서 같은 답변이지만 둘 다 발전을 해야 한다 라고 요약을 해야 할 것 같습니다.
아 우주 얘기는 재미있고 항상 좀 어렵기는 어렵습니다.