우주의 끝은 어디일까? 팽창하는 우주의 가장자리

이제 과학자들은 우주가 점점 더 빠른 속도로 팽창하고 있다는 것을 알고 있습니다. 그렇다면 그것이 부풀어 오르고 있다면 그것은 무엇으로 성장하고 있습니까? 우주의 끝은 어디일까요? 이것을 '우주 너머'로 정의하는 것은 우주에 가장자리가 있다는 것을 의미합니다. 과학자들은 그러한 감소가 존재하는지 확실하지 않기 때문에 상황이 까다로워집니다. 대답은 '질문을 어떻게 보는가?'에 따라 달라집니다.

 

절벽걸이

질문의 한 형태는 "절벽 가장자리 너머를 들여다보거나 건물 외부를 보기 위해 창밖을 내다보는 것과 같이 '우주 너머'를 볼 수 있는 곳으로 갈 수 있습니까?"라고 묻는 것입니다. 해당 질문에 대한 대답은 "아마도 그렇지 않을 것이다"입니다. 한 가지 이유에 대해서 시카고 로욜라 대학교 물리학과 부교수인 로버트 맥니스는 '우주론적 원리'와 관련이 있다고 말했습니다. 우주론적 원리에 따르면 우주의 어느 부분에서나 물질의 분포는 어느 방향을 보든 관계없이 다른 부분과 거의 동일하게 보입니다.

 

과학자들의 관점에서 우주는 등방성입니다. 우주론적 원리는 부분적으로 물리학 법칙이 모든 곳에서 동일하다는 생각의 결과로 맥니스는 이메일을 통해 과학 학술지에 "별, 은하, 성단 등 다양한 지역적 변화가 있지만, 큰 공간 덩어리에 대한 평균을 낸 것이므로 실제로 다른 곳과 크게 다른 곳은 없다"라고 말했습니다. 그러나 이것이 의미하는 것은 '가장자리'가 없다는 것입니다. 우주가 막 끝나는 곳에는 갈 곳이 없으며 어떤 방향을 바라보고 그 너머에 무엇이 있는지 볼 수 있습니다.

 

이러한 끝없는 우주를 설명하는 데 자주 사용되는 비유 중 하나는 풍선 표면입니다. 이러한 표면 위의 개미는 어느 방향으로든 걸을 수 있으며, 표면이 '무제한'인 것처럼 보입니다. 즉, 개미가 시작한 곳으로 돌아올 수 있지만 여행은 끝이 없습니다. 따라서 풍선의 표면은 유한한 수의 정사각형 단위이지만 가장자리나 경계가 없습니다. 한 방향으로 영원히 갈 수 있기 때문입니다. 또한 '중심'이 없으므로 풍선의 구형 표면에는 선호되는 점이 없습니다. 우주는 풍선 피부의 3차원 버전입니다.

 

열기구 우주

하지만 우주에 끝이나 가장자리가 없다면, 어떻게 우주가 팽창할 수 있을까요? 풍선 비유를 다시 사용하면, 풍선에 공기를 더 추가하면 개미는 풍선 표면의 다른 물체가 멀어지는 것을 관찰할 것입니다. 그리고 개미와 어떤 물체 사이의 거리가 멀수록 그 물체는 더 빨리 멀어집니다. 그러나 개미가 어디로 날아가든 그 물체가 후퇴하는 속도는 동일한 관계를 따를 것입니다. 개미가 가장 멀리 있는 물체가 얼마나 빨리 후퇴하는지 설명하는 방정식을 생각해 낸다면 풍선 표면의 어느 곳에서나 동일한 방식으로 작동할 것입니다.

 

그러나 풍선은 불면 3차원 공간으로 팽창합니다. 문제는 이것이 우주에는 적용되지 않는다는 것입니다. 정의에 따르면 우주에는 모든 것이 포함되어 있으므로 '외부'는 없습니다. 물리학자 스티븐 호킹은 전체 질문이 의미가 없다고 자주 말해왔습니다. 왜냐하면 우주가 무(無)에서 생겨나 모든 것을 존재하게 했다면 우주 너머에 무엇이 있는지 묻는 것은 북극의 북쪽이 어디인지 묻는 것과 같기 때문입니다.

 

호주 멜버른 대학교의 이론 천체 물리학자인 케이티 맥 박사는 과학 학술지와의 인터뷰에서 "우주가 팽창하는 것보다 밀도가 낮아지는 것으로 생각하는 것이 더 유용할 수 있다"라고 말했습니다. 그녀는 "우주가 팽창함에 따라 우주의 물질 농도가 감소하고 있다"라고 말했습니다. 또 그 이유로는 "은하들이 우주를 통해 서로 멀어지는 것이 아니며, 점점 커지고 있는 것은 공간 자체"라고 말했습니다. 따라서 인간이 보는 은하계의 모든 외계인은 모두 지구인이 하는 것과 동일한 결론에 도달하게 됩니다. 다른 모든 것은 모든 방향으로 움직이고 있으며 지역 은하계는 정지 상태에 있습니다.

 

우주가 팽창하고 있기 때문에 상대성 이론을 위반하지 않고도 은하가 빛보다 빠르게 움직이는 것처럼 보일 수 있습니다. 이는 진공에서 빛보다 빠른 것은 아무것도 없다는 것을 의미합니다. 맥은 "관측 가능한 우주의 실제 크기는 어느 방향으로든 460억 광년이다. 비록 우주가 불과 138억 년 전에 시작되었음에도 불구하고"라고 말했습니다.

 

그러나 그것은 여전히 인간이 볼 수 있는 관측 가능한 우주라고 불리는 우주의 크기에 한계를 설정합니다. 460억 광년이라는 반경 밖에 있는 것은 지구인의 눈에 보이지 않으며 앞으로도 그럴 것입니다. 그 이유는 우주의 물체 사이의 거리가 광선이 지구에 도달할 수 있는 것보다 빠른 속도로 계속 커지고 있기 때문입니다. 게다가 확장 속도도 일정하지 않았습니다.

 

빅뱅 이후 아주 짧은 순간 동안, 인플레이션이라고 불리는 가속팽창 기간이 있었는데, 이 기간 동안 우주는 지금 성장하는 것보다 훨씬 빠른 속도로 성장했습니다. 그런 이유로 우주의 전체 영역은 지구에서 결코 관찰할 수 없습니다. 맥은 "인플레이션이 발생한다고 가정하면 우주는 실제로 인간이 볼 수 있는 460억 광년보다 1023배 더 크다"라고 지적했습니다. 따라서 우주에 가장자리가 있다면 너무 멀리 떨어져 있어 지구인들이 볼 수도 없고 앞으로도 볼 수 없을 것입니다.

 

무한한 공간

한편 우주가 우주에서 처음부터 무한한지에 대한 문제가 있는데, 맥는 "이것이 여전히 공개적인 질문"이라고 말했습니다. 그녀는 "구의 2D 표면이 3차원에서 자신을 감싸는 것과 같은 방식으로 우주가 더 높은 차원에서 자신을 감싸게 될 수도 있다"라고 말했습니다. 추가적인 요인은 우주가 진공 상태에서 작은 변동을 통해 무에서 생겨났는지, 아니면 호킹과 제임스 하틀이 제안한 것처럼 시간과 공간이 처음에 가깝게 바뀔 수 있는지입니다. 둘 중 하나라도 해당된다면, 우주 이전에 무엇이 있었고 우주 밖에 무엇이 있었는지 묻는 것은 말이 되지 않습니다.

 

맥은 "우주가 구형과 같아서 한 방향으로 여행하면 결국 출발점으로 돌아갈 수 있도록 스스로 구부러지는 구체와 같은지에 대한 질문을 해결하려는 시도가 진행 중이다"라고 말했습니다. 그녀는 "우리는 하늘에서 반복되는 지점을 찾는다"라고 말하며, "우주가 유한하다는 증거를 찾을 때 사람들이 찾는 우리 공간은 4차원 공간에 내장된 3D 공간일 수 있다"라고 덧붙였습니다. 우주에는 인간이 상호 작용하는 4차원, 즉 3차원은 공간, 1차원은 시간이 있지만, 이는 추가적인 4차 공간 차원이 있음을 의미합니다.

 

만약 천문학자들이 하늘의 반대편에서 정확히 동일한 두 장소를 발견했다면, 그것은 우주가 그런 식으로 휘어져 있다는 강력한 증거가 될 것입니다. 그러나 보장은 없습니다. 끈 이론과 같은 일부 우주론 이론은 더 높은 차원을 가정하지만, 그중 대부분은 말린 작은 반면, 곡선 우주의 추가 공간 차원은 커야 한다고 주장합니다. 이 모든 것은 우주에 끝이 있다면 인간은 결코 그것을 볼 수 없을 것이며, 실제로 우주가 애초에 경계를 가질 수 없도록 형성되어 있을 가능성이 있다는 것을 의미합니다.