[우리나라의 우주 개발이 속도를 내고 있습니다. 올해 6월 한국 최초의 우주발사체 '누리호' 발사가 성공했고, 지난 8월 쏘아올린 달 궤도선 '다누리호'는 우주에서 영상과 사진, 문자를 보내오고 있습니다. 우주에 관한 높아진 관심과 호기심을 풀어주기 위해 경제관료 출신 이철환씨가 최근 출간한 <우주패권의 시대,4차원의 우주이야기>중 일부를 저자와 협의해 칼럼 형식으로 게재합니다]  

우주란 지구를 포함한 모든 별이 있는 끝없이 넓은 곳을 뜻한다. 무한한 시간과 온갖 사물을 포괄하는 공간을 뜻하기도 한다. 한자로는 집 '우(宇)', 집 '주(宇)'가 합해져 우주(宇宙)가 되었다. 영어에서는 Universe, Space, Cosmos가 모두 '우주'를 표현하지만, 그 개념은 명확하게 나뉜다.

'Universe'란 모든 천체를 포함한 우주 전체를 가리킬 때 쓰는데, 즉 대우주를 뜻한다. 이 세상 삼라만상을 의미하므로 인간 또한 우주의 일부가 된다. 'Space'는 Universe보다는 그 의미가 다소 한정적인데, 보통은 지구 대기권 바깥의 천체와 천체 사이의 공간을 말한다. 이 지구 대기권과 우주의 경계선은 국제항공연맹(FAI)에 의해 설정되었으며, 흔히 '카르만 라인(Karman line)'이라고 한다. 천문학이나 항공우주공학에서 우주라 하면 보통 이 Space를 의미하며, 특히 지구궤도 근처나 태양계 내의 우주공간을 주로 연구대상으로 삼고 있다.
'Cosmos'는 혼돈(chaos)에 대비되는 질서 있는 통일체로서의 세계를 가리키는데, 철학적· 관념적인 의미를 내포하고 있다. 일반적으로 작은 지구와 대비되는 광대하고 신비로운 우주라는 뉘앙스를 지닌다.

이처럼 우주는 드넓은 공간이다. 그러나 대부분은 인간이 살아가기 힘든 척박한 환경을 지니고 있다. 그러면 인류가 살아가고 있는 지구란 어떤 존재일까? 사실 방대한 우주 속에서 차지하는 지구의 위상은 너무나 미미할 따름이다. 그러나 우리 인류에게는 거의 전부라 할 만큼 중요한 존재이다. 인류가 생명체로서 태어나 숨을 쉬면서 먹고 마시며 행복하게 살아갈 수 있는 터전이 되고 있기 때문이다. 현재 생물이 살아갈 만한 행성 중에서 유일하게 생명체의 존재가 확실하게 알려진 행성이다.

이처럼 지구가 인류에 살기에 적합한 조건을 갖춘 천체라는 점에서 탄생에 대한 논란이 오랫동안 이어져 오고 있다. 이는 큰 틀에서 창조론 vs 진화론과 우주론의 대립으로 간주될 수도 있다. 우선 창조론자들은 지구의 존재는 마치 기적처럼 느껴지고 있다는 주장을 펴고 있다. 즉 우주를 이루고 있는 기본적인 물질과 천체 구조들, 그리고 생명체들은 우주의 기초적인 상수들이 아주 좁은 범위에 있어야만 존재할 수 있게 된다. 그런데 이 모든 조건이 우연히 만족되었을 가능성은 극히 낮으며 누군가에 의해 미세하게 조정되었다는 것이다. 그리고 조정자는 바로 창조주라고 주장한다.

그러나 과학이 발전하면서 이에 대한 반론이 형성되고 있다. 이에 의하면 조정자를 가정하지 않아도 우연적으로 적당한 상수를 갖는 우주와 지구가 생길 수 있다는 결론에 도달한다. 즉 시행횟수가 매우 많아진다면 우연히 조정된 우주와 지구가 탄생할 수 있다는 것이다. 우주론과 진화론은 이 주장의 범주에 속한다.

우주가 어떻게 생겨났는가를 설명하는 이론이 우주 기원설이다. 그동안 지구나 태양계의 탄생 과정을 밝히려 했던 이론은 상당히 많이 있었다, 그러나 사실 이들 모두가 만족할 만한 수준의 것들은 아니었다. 그런데 우주의 탄생 과정을 밝혀내는 과제는 지구나 태양계 등의 탄생 과정을 설명하는 것과는 비교할 수 없을 정도로 어렵다. 그것은 우주에 관해 밝혀진 사실이라고는 극히 미미해서 아직도 모르는 부분이 너무나 많기 때문이다. 그나마 이제까지 알려진 가장 타당성이 높다고 생각되는 이론은 대폭발설(大爆發說) 즉 '빅뱅(Big Bang)' 이론이다.

이는 옛날 조그마한 덩어리였던 우주가 초신성(超新星, supernova)의 대폭발을 하여 오늘날과 같은 우주로 되었다고 하는 주장이다. 즉 초고온· 초고압의 상태로 밀도가 높은 하나의 점인 특이점(特異點, singularity)이 폭발함으로써 우주가 시작되었다는 것이다. 그리고 우주공간의 대다수 별들이 거의 비슷한 시기에 생겨났으며, 지구 가까운 곳에서는 늙은 별이 관측되고 멀리 떨어진 곳일수록 젊은 별이 관측된다고 주장한다.

아울러 대폭발로 태어난 우주는 팽창해 나가면서 공간의 밀도와 온도가 점차 낮아지는 방향으로 진화한다. 우주의 총 질량은 일정하고 크기는 계속 증가하므로, 시간이 지남에 따라 우주의 평균 밀도는 점점 작아진다. 그러면서 우주공간에서는 별들이 탄생하였다가 사라지는 과정이 끊임없이 되풀이된다. 이처럼 시작과 끝이 있기에 대폭발설을 '진화 우주론(evolutionary cosmology)'이라고도 부른다.

현재까지 대세를 이루고 있는 이 대폭발설은 사실상 허블의 연구로부터 시작되었다. 그리고 대폭발설은 은하계의 후퇴, 우주배경복사(宇宙背景輻射), 우주의 물질 분포라는 경험적 증거와 함께 다양한 가설을 통해 타당성을 얻게 된다. 물론 아직까지 해결하지 못한 문제가 많이 있고 모형 일부에 대한 반론도 제기되고 있지만, 여전히 견고한 지지를 받고 있다. 그 논리적 근거는 다음과 같다.

첫째, 우주가 팽창하고 있다는 사실이다. 1929년 허블은 외부은하들의 스펙트럼에서 공통으로 적색편이가 나타난다는 관찰을 통해, 외부은하들이 우리 은하로부터 빠른 속도로 후퇴하며, 후퇴 속도는 외부은하까지의 거리에 비례한다는 사실을 발견했다. 이는 바꾸어 말하면 우주 자체가 팽창하는 것을 뜻한다. 관측자로부터 먼 물체일수록 더 빨리 멀어지는 것으로 보이는 것은 우주 전체가 팽창하므로 당연한 일이다. 현재 관측되는 우주팽창 속도는 허블 상수, 즉 1메가파섹 당 초속 72.1±2.0km이다.

둘째, 빅뱅 이론의 가장 유용한 증거가 되고 있는 우주배경복사(宇宙背景輻射, Cosmic Background Radiation)이다. 빅뱅 직후 초기 우주는 굉장히 초고온 초고밀도의 상황이었다. 하지만 이렇게 초고온의 상태에서는 원자핵과 전자가 결합할 수 없다. 그래서 원자핵과 결합하지 못한 전자는 마음대로 떠돌아다니게 된다. 이들 자유전자들에 의해서 빛은 직진하지 못하고 산란하게 된다. 빛이 전자의 방해로 똑바로 나아가지 못하니 우주가 불투명해지게 되었다.

그러던 중 빅뱅 후 약 38만 년이 지나 우주 온도가 3,000K까지 충분히 식었을 때, 드디어 원자핵과 전자가 결합할 수 있게 되었다. 이후 빛이 자유롭게 직진해서 나아갈 수 있게 되었고 결과적으로 투명한 우주가 되었다. 우주가 투명해 지면서 방출된 빛과 에너지가 바로 우주배경복사인데, 우주가 식으면서 점차 더 낮아지고 있다. 그런데 1964년 우주 전반에서 관측되는 2.7K 정도의 우주배경복사가 실제로 관측되면서 빅뱅우주론은 더욱 탄력을 받게 되었다.

셋째, 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비다. 빅뱅 당시 형성된 양성자의 개수는 중성자의 약 7배에 달했다. 하지만 빅뱅 직후 양성자와 중성자의 결합 과정에서 수소 원자핵과 헬륨 원자핵이 만들어졌다. 즉 양성자 1개는 수소 원자핵이 되었고, 양성자 2개와 중성자 2개가 결합하면서 헬륨 원자핵이 되었다. 그 결과 수소와 헬륨의 구성비는 개수 면에서 수소가 12배, 질량 면에서 수소가 3배가 되었다. 그런데 현재 우주에 존재하는 대부분의 별들과 가스에서 발견되는 수소와 헬륨의 질량 비율이 3:1로, 이는 빅뱅 초기에 형성된 원소의 비율과 일치한다.

그러나 여전히 폭발이 일어난 원인을 비롯해 빅뱅이라는 개념만으로 우주의 시작을 설명하기에는 너무나 불확실한 것들이 많다. 더욱이 빅뱅 이전의 우주 상태에 대해서는 설득력 있는 입증 자료와 논리가 전혀 없는 상황이다. 다만, 빅뱅 초기에 일어났던 현상을 보완적으로 설명하는 가설들은 여러 가지가 나와 있다. 그중 대표적인 하나가 '인플레이션 우주론(inflationary universe)'이다. 인플레이션 이론은 대폭발설과 유사하나, 원시 폭발이 일어난 뒤 대략 10^−30초 동안에 거의 모든 것이 결정되었다는 점을 강조한다. 즉 우주는 기구가 부풀어 오르는 것처럼 짧은 기간 동안 빠르게 팽창되었고, 우주의 모든 물질과 에너지가 거의 무(無)로부터 창조되었다고 주장한다.

우주에는 시작이 있었듯이 끝 또한 존재할 것이다. 우주가 영원히 팽창하게 될지 아니면 팽창을 멈추게 될지에 대해서는 우주 내부에 있는 물질의 에너지양과 밀도에 따라 결정된다. 물질의 에너지 밀도가 임계밀도보다 작으면, 우주는 지금처럼 계속하여 영원히 팽창하는 열린 우주가 된다.

또 물질의 에너지 밀도가 임계밀도보다 크면 유한한, 즉 닫힌 우주가 된다. 그리고 물질의 에너지 밀도가 우주의 임계밀도와 동일하다면 무한하면서도 서서히 팽창하는 평탄 우주가 될 것이다. 여기서 임계밀도(臨界密度)란 우주의 질량에 의한 중력으로, 팽창하는 우주를 저지하는 평탄 우주가 되는 우주의 밀도를 말한다.

열린 우주와 평탄 우주에서는 문제가 없다. 그러나 우주의 밀도가 임계밀도 1보다 큰 닫힌 우주에서는 물체들이 행사하는 중력이 충분히 커서, 우주는 어느 시점에 팽창을 멈추고 수축되기 시작한다. 이렇게 되면 우주의 온도는 다시 올라가고 별과 은하들은 서로 가까워진다. 한마디로 우주가 수축한다는 뜻이다. 이런 식으로 수축이 계속되면 결국 우주는 초고온 상태가 되고 이른바 '빅 크런치(big crunch)'라 불리는 커다란 파국을 맞이하게 되면서 모든 생명체가 사라지게 될 것이다.

그런데 은하들의 질량을 바탕으로 측정한 현재의 우주밀도는 10^-30g/cm3 이하 수준으로, 임계밀도 10^-29g/cm3 보다도 작은 상황이다. 따라서 우리가 살고 있는 우주는 열린 우주이며, 시간이 흐름에 따라 무한히 팽창할 것이라는 추측이 가능하다. 그러나 우주가 앞으로도 계속 팽창할 것인지, 아니면 다시 수축할 것인지는 단언하기 어렵다. 이는 우주 내에는 아직도 찾아내지 못한 물질들이 엄청나게 많이 있을 수 있기 때문이다.

우주에는 신비한 종류의 입자와 물질들이 무척 많이 있다. 이들은 어떤 뚜렷한 형태를 지니고 있는 것이 아니다. 눈에 보이지 않는 것은 제쳐두고라도, 감마(γ)선· 엑스(X)선· 전파 따위도 방출하지 않는 것도 있어 좀처럼 발견하기 어렵다. 다만, 이러한 종류의 천체들도 질량을 지니고 있기에 관측되는 중력을 통해서만 그 존재를 인식할 수 있을 뿐이다. 이처럼 지금까지 발견해 내지 못한 많은 종류의 물질들을 통틀어 암흑물질이라고 부른다.
이 암흑물질들이 많으면 많을수록 우주의 평균 밀도가 높아지는 것은 물론이다. 그러므로 이 암흑물질의 질량이 어느 정도인가에 따라서 우주가 계속 팽창할 것인지 또는 수축할 것인지가 밝혀질 수도 있는 일이다.

결국 앞으로 우주가 종말을 맞을 것인지 여부에 대해서는 결론을 내리기 어렵다는 것이다.