우주의 신비를 관찰하다

밤하늘의 별을 관찰하고, 바다를 항해하면서 먼 육지를 찾아 살펴볼 수 있게 하는 것. 망원경은 언제 누가 만들었을까요? 이번에는 망원경의 기원에 대해 알아볼까요? 우리 주변에 있는 유리 제품을 찾아볼까요? 흔하디흔하다고요? 유리로 된 병, 안경, 구슬, 창문, 돋보기 등등. 아마 그 수를 다 헤아리기도 힘이 들 것입니다. 그중 물건을 크게 확대해서 보거나 태양의 빛을 한 점으로 모을 때 쓰는 돋보기의 원리는 여러 가지로 응용되었는데, 그 대표적인 것이 망원경입니다. 1609년 갈리렐리는 멀리 있는 물체를 바로 앞에 있는 것처럼 확대해서 볼 수 있는 '망원경' 이 네덜란드 미델부르크의 어느 안경 기술자에 의해 만들어졌다는 소문을 들었습니다. 한스 리퍼셰라는 사람은 자신이 가진 기술로 멀리 있는 것을 가까이에 있는 것처럼 볼 수 있는 장치를 만들어 이것을 '망원경'이라 이름 붙여 공식적인 발명특허권을 얻었습니다. 갈릴레이는 한스 리퍼셰가 만든 장치의 원리를 이용하여 자신에게 필요한 것을 만들기 시작했습니다. 그는 렌즈를 다양하게 조합하여 실험해 보았습니다. 바다 멀리 까지 볼 수 있도록 보다 선명하게 만들기 위해 렌즈의 광학적인 성질을 연구하기도 했습니다. 마침내 그는 자신의 연구실에서 몇 가지 개량 망원경을 만드는 데 성공했습니다. 그것으로 그동안 자신이 궁금해하던 하늘을 관찰하기 시작했습니다. 그가 망원경으로 관찰한 천체는, 옛날부터 내려오던 전통적 아리스톨레스주의자들이 주장한 것들과는 많은 차이가 있었습니다. 그곳은 인간이 살고 있는 지구보다 완전하거나 뛰어난 곳이 아니었습니다. 우리가 맨눈으로 보는 것과는 달리 표면에는 반점들이 있었고, 매끈할 것이라고 예상했던 달에는 높은 산이 있어서 지구와 비슷했습니다. 갈리레이는 달에 있는 언덕의 그림자 길이로 그 높이를 추산하기도 했습니다. 그리고 달이 초승달에서 보름달로 바뀌듯이 금성도 그 모양이 변하고 있다는 것을 확인했으며, 태양에서 더 멀리 떨어져 있는 목성에는 네 개의 위성이 그 주위를 돌고 있다는 것까지 알아냈습니다. 그는 그 모든 것들이 코페르나쿠스가 주장한 행성의 움직임에 대한 규칙의 작은 축소판이라고 생각했습니다. 사실 코페르니쿠스의 학설은 16세기만 해도 널리 인정받지 못했습니다. 코페르니쿠스가 주장한 학설이 행성의 위치에 대해 프톨레마이오스의 체계보다 정확한 근거를 제시해 주는 것도 아니었고, 전통적 역학이나 당시의 종교적 입장에서 볼 때도 옳지 않다고 생각하는 사람이 대부분이었기 때문이었죠. 이후 천문학에 대한 관심이 높아지고 그 연구 결과가 점차 쌓이고 발전하면서 코페르니쿠스가 주장한 학설도 차츰 힘을 얻게 되어, 망원경을 통한 갈릴레이의 여러 가지 발견이 옳았음을 증명해 주었답니다. 

♠ 우주의 대폭발

오랫동안 사람들은 우주를 질서정연하고 안정된 존재라고 생각했습니다. 아득한 고대부터 지금까지 별들은 늘 그 자리에 그 모습대로 있었고, 앞으로도 그러할 것이라는 믿음이었습니다. 그러한 믿음은 너무나 강해서 알버트 아인슈타인 같은 물리학자도 '우주상수'를 도입하는 실수를 할 정도였습니다. 그는 일반 상대성이론을 바탕으로 한 우주론에서 우주가 팽창한다는 결론이 나오자, 그럴 리라 없다며 우주가 팽창하지 않도록 우주상수를 도입했습니다. 그러나 다른 많은 학자들은 팽창우주론을 주장했습니다. 마침내 1929년 에드윈 허블이 관측을 통해 명백한 증거를 찾아내자 아인슈타인도 자신의 실수를 인정해야만 했습니다. 빅뱅(Big Bang. 우리말로는 대폭발 이론이라고 한다)은 천문학 또는 물리학에서 우주의 시초를 설명하는 우주론 모형입니다. 빅뱅 이론에 의하면 태초의 우주는 엄청나게 높은 에너지와 미세한 크기로 시작되었다고 합니다. 2001년 발사된 우주배경복사탐사선(WMAP)이 수집한 자료를 분석한 결과에 따르면 "우주는 137억년 전에 대폭발, 즉 빅뱅이 있었고 수천 억조 분의 1초도 안 되는 짧은 시간에 엄청난 팽창을 일으켰다"고 결론지었습니다. 우주론에서 빅뱅은 표준 모형의 중요한 요소입니다. 현재 별에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 조사해 보면 적색편이가 보이는데, 이는 우주가 팽창하고 있다는 이론을 뒷받침하는 증거입니다. 허블의 법칙은 이를 정량화한 것으로, 우주가 팽창하는 속도는 거리에 비례한다는 것을 수식을 통해 정리했습니다. 허블의 법칙을 통해 시간을 거꾸로 거슬러 올라가면 우주의 크기가 아주 작았다는 것을 추론할 수 있습니다. 이러한 이론에 반대하여 1948년에 허만 본디, 토머스 골디, 프레드 호일은 우주가 시간에 따라 변하지 않는다는 정상 우주론을 주장하였습니다. 이들은 빅뱅 우주론에서 예측되는 초기의 극고밀도와 초고온의 우주를 부정하면서 시간이 진행함에 따라 새로운 물질이 생성된다고 주장하였습니다. 그러나 1950년대에 들어서서 정상 우주론에 문제를 제기하는 관측 결과들이 나타나면서 이 이론의 입지는 좁아졌습니다. 이러한 논란에 결정적으로 종지부를 찍은 것은 우주 배경 복사의 발견이었습니다. 빅뱅을 가정하여 기모프가 예언한 우주 배경 복사는 1965년 아르노펜지아스와 로버트 윌슨에 의해 관측되었으며, 예측과 정확히 일치하였습니다. 우주 배경 복사의 발견은 초기 우주가 엄청난 고온임을 입증하는 것입니다. 빅뱅의 가장 큰 성과를 꼽는다면 이를 통해 원자핵의 생성을 설명할 수 있기 때문입니다. 실제로 헬륨의 밀도 분포는 관측 결과와 거의 일치합니다. 최근에는 기존의 빅뱅 표준 모형의 부족한 점을 급팽창 이론이 보충해주고 있습니다.