1924년 에드윈 허블이 안드로메다가 별개의 은하임을 밝혀낸 이후, 인류는 우주를 바라보는 시각을 근본적으로 확장했습니다. 허블의 법칙은 우주가 팽창한다는 강력한 증거로 받아들여졌지만, 과연 우리가 관측하는 것이 진정한 우주 공간의 팽창일까요? 이 글에서는 우주 팽창 이론의 과학적 근거와 함께, 현대 관측 기술의 한계를 비판적으로 검토합니다.
관측한계: 우주를 보는 인간의 시각적 제약
우주 팽창 이론은 현재 우주론의 핵심을 이루고 있지만, 근본적인 관측의 한계를 간과할 수 없습니다. 우리가 지구에서 관측할 수 있는 대상은 빛의 영향을 받는 성운, 은하, 성좌와 같은 천체들뿐입니다. 더욱 중요한 점은 우리의 관측이 본질적으로 2차원적 시각에 제한된다는 사실입니다.
허블이 발견한 적색 편이는 도플러 효과를 통해 은하들이 멀어지고 있다는 것을 의미합니다. 도플러 효과는 파동의 원천과 관찰자 사이의 거리 변화에 따라 파동의 진동수가 변하는 현상으로, 음파의 경우 다가오는 소리는 높은 음으로, 멀어지는 소리는 낮은 음으로 들립니다. 이 원리는 빛에도 적용되어, 광원이 접근하면 청색 편이가, 멀어지면 적색 편이가 나타납니다. 안드로메다 은하는 지구로 다가오고 있어 청색 편이를 보이며, 대부분의 멀리 있는 은하들은 적색 편이를 보입니다.
그러나 여기서 간과되는 중요한 사실이 있습니다. 우리가 측정하는 것은 성운과 성운 간의 거리, 성단과 은하 간의 거리입니다. 우주 공간 그 자체를 측정한 것이 아닙니다. 색이나 파장의 변화를 통해 측정한 것은 어디까지나 천체와 천체 사이의 상대적 거리 변화일 뿐, 공간과 공간 사이를 직접 측정했다는 증거는 존재하지 않습니다. 예를 들어 A라는 성운과 B라는 성단이 있을 때, B가 빠른 속도로 멀어지고 A가 느린 속도로 움직인다면, 이것이 공간이 늘어난 것인지 아니면 눈에 보이지 않는 거대한 블랙홀의 중력 영향인지 명확히 구분할 수 없습니다. 인류가 우주의 10000분의 1도 모르는 상태에서 세운 가설이 절대적 진리로 받아들여지는 것은 과학적 겸손함의 결여일 수 있습니다.
허블법칙: 우주팽창의 증거인가 해석의 산물인가
1931년 허블이 발표한 허블의 법칙은 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다는 내용으로, 우주가 팽창한다는 강력한 증거로 제시되었습니다. 허블 상수의 기울기는 우주가 빠르게 팽창한다는 것을 의미하며, 허블 상수의 역수로 우주의 나이를 추정할 수 있습니다. 이 법칙은 우주의 팽창을 거꾸로 돌려보면 하나의 점이 되는 빅뱅 이론을 강력히 지지하는 증거가 되었습니다.
허블은 허블 상수를 이용하여 우주의 나이를 처음에는 50억 년, 후에는 30억 년으로 예측했으나 이는 지구의 나이보다 어린 모순을 보였습니다. 이 오류는 세페이드 변광성을 이용한 거리 측정의 문제 때문이었으며, 현대에는 우주의 나이를 약 137억 8천만 년으로 추정합니다.
그러나 우주 팽창 이론에는 숨겨진 과학자들의 기여가 있었습니다. 러시아의 수학자 알렉산드르 프리드만은 허블보다 7년 빠른 1922년 상대성 이론을 기반으로 우주의 팽창 가능성을 제시했으나, 아인슈타인의 외면과 프리드만의 이른 죽음으로 널리 알려지지 못했습니다. 조르주 르메트르는 허블보다 2년 빠른 1927년 우주 팽창을 주장했으나, 프랑스어로 발표했고 아인슈타인의 비판을 받았으며, 성직자라는 배경과 함께 논문 번역 시 본인이 직접 핵심 내용을 삭제하여 뒤늦게 인정받았습니다. 2018년 국제천문연맹 총회에서 전자투표를 통해 허블의 법칙이 '허블-르메트르의 법칙'으로 변경되며 르메트르의 공적이 인정되었습니다.
미국의 천문학자 밀턴 휴메이슨은 허블과 함께 은하들의 분광 연구를 통해 은하들이 멀어지는 속도를 측정하는 등 중요한 기여를 했으나, 정식 교육을 받지 않았다는 이유로 이름이 논문에 실리지 못해 잘 알려지지 않았습니다. 미국의 천문학자 베스토 슬라이퍼는 1912년 안드로메다의 청색 편이를 통해 다가옴을, 그리고 다른 은하들의 적색 편이를 통해 멀어짐을 최초로 발견했으나, 그의 연구는 널리 알려지지 않았고 허블이 그의 데이터를 사용하여 논문을 발표하면서 모든 영광을 독차지하게 되었습니다.
공간측정: 우주론의 근본적 맹점
허블-르메트르 법칙 발표 이전에는 아인슈타인의 정적 우주론이 대세였으며, 아인슈타인은 우주가 영원불변하다고 주장하며 '우주 상수 람다'를 도입했습니다. 허블의 법칙 발표로 아인슈타인의 정적 우주론은 틀린 것으로 판명되었고, 아인슈타인은 1931년 자신의 실수를 인정하고 우주 상수 람다와 정적 우주론을 철회했습니다.
아인슈타인의 정적 우주론 폐기 후, 우주 팽창을 설명하기 위한 이론으로 조지 가모프의 빅뱅 우주론과 프레드 호일의 정상 우주론이 대립했습니다. 빅뱅 우주론은 우주가 한 점에서 대폭발로 시작하여 계속 팽창한다는 이론이며, 정상 우주론은 우주가 팽창해도 새로운 물질이 생성되어 밀도가 유지된다는 이론입니다. 프레드 호일은 빅뱅 이론이 종교적 색채가 강하다는 이유로 반대하며 정상 우주론을 주장했습니다. 결국 우주 배경 복사 발견으로 빅뱅 우주론이 우주의 시작과 팽창을 가장 잘 설명하는 이론으로 자리 잡았습니다.
하지만 근본적인 질문으로 돌아가야 합니다. 우주 팽창이 의미하는 것은 우주 공간 자체가 팽창한다는 것입니다. 그런데 우주 공간을 직접 측정한 사례는 존재하지 않습니다. 우리가 가진 모든 데이터는 천체 간의 거리 변화이지, 공간 그 자체의 성질 변화를 측정한 것이 아닙니다. 더 나아가 우리는 3차원 공간에 존재하는 우주를 2차원 평면에 투영된 이미지로만 관측할 수 있습니다. 이는 마치 평면 위의 그림자만 보고 입체 도형의 실제 형태를 추론하는 것과 같습니다.
천체들의 움직임이 실제로 공간의 팽창 때문인지, 아니면 우리가 아직 발견하지 못한 거대한 중력원이나 암흑물질의 분포 때문인지 명확히 구분할 방법이 없습니다. 현대 우주론은 관측 가능한 현상들을 가장 그럴듯하게 설명하는 모델을 채택한 것일 뿐, 절대적 진리를 발견한 것은 아닙니다. 과학은 끊임없이 수정되고 발전하는 과정이며, 오늘날의 정설이 내일의 오류가 될 수 있음을 겸허히 인정해야 합니다.
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우주 팽창 이론은 현대 천문학의 핵심이지만, 관측 기술의 본질적 한계를 인정해야 합니다. 우리는 천체 간 거리만 측정할 뿐 공간 자체를 측정하지 못하며, 2차원적 시각의 제약 속에서 우주를 이해하려 합니다. 인류가 우주의 극히 일부만 알고 있다는 사실을 기억하며, 현재의 가설들을 절대적 진리가 아닌 잠정적 설명으로 받아들이는 과학적 겸손함이 필요합니다.
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**[출처]**
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=Fnflwviiq4s&t=97s