우주의 끝에는 무엇이 있는가 — 우주의 경계를 탐구하다
🌌 미스터리 과학 탐험 시리즈 · 8편
먼저 구분해야 할 것 — 관측 가능한 우주와 전체 우주
우주의 끝을 이야기하기 전에 반드시 짚어야 할 개념이 있습니다. 우리가 볼 수 있는 우주와 실제로 존재하는 우주는 다를 수 있다는 것입니다.
즉 우주론적 지평선은 우주의 실제 끝이 아닙니다. 우리가 원칙적으로 관측할 수 있는 한계입니다. 그 너머에 무엇이 있는지는, 빛이 도달하지 못하기 때문에 원칙적으로 알 수 없습니다. 이것은 지식의 한계이지, 존재의 한계가 아닐 수 있습니다.
우주의 실제 크기 — 우리는 아무것도 모른다
관측 가능한 우주 너머의 전체 우주가 얼마나 큰지에 대해 현재 과학이 줄 수 있는 가장 정직한 답은 이렇습니다. 모른다. 그리고 알 수 없을 수도 있다.
우주 마이크로파 배경 복사 데이터를 분석한 일부 연구에 따르면, 전체 우주의 크기는 관측 가능한 우주보다 최소 수백 배에서 수천 배 이상 클 수 있습니다. 어떤 인플레이션 모델에서는 전체 우주가 사실상 무한히 크다는 결론이 나오기도 합니다. 그러나 이것은 어디까지나 간접적인 추론입니다. 직접 확인할 방법이 없습니다. 우리가 아는 우주는 465억 광년 반경의 거품 하나일 뿐이고, 그 거품 밖이 어떤지는 원칙적으로 관측이 불가능합니다.
우주의 형태 — 평탄한가, 휘어 있는가
우주의 끝 문제는 우주의 형태 문제와 깊이 연결되어 있습니다. 일반상대성이론에 따르면 우주 공간 자체가 휘어질 수 있습니다. 물질과 에너지의 총량에 따라 우주의 전체적인 기하학이 결정됩니다.
세 가지 가능한 우주의 형태
우주의 에너지 밀도가 임계값과 정확히 일치하는 경우입니다. 이 경우 우주의 기하학은 유클리드 기하학을 따릅니다. 평행선은 영원히 만나지 않고, 삼각형 내각의 합은 정확히 180도입니다. 현재 관측 데이터는 우리 우주가 놀라울 정도로 평탄하다는 것을 보여줍니다. 오차 범위 내에서 우주의 곡률은 0에 매우 가깝습니다. 평탄한 우주는 무한히 이어질 수 있습니다.
에너지 밀도가 임계값보다 높으면 우주는 양의 곡률을 가집니다. 3차원으로 상상하기 어렵지만, 2차원 비유로는 구의 표면과 같습니다. 구의 표면에서 한 방향으로 계속 걸어가면 결국 출발점으로 돌아옵니다. 닫힌 우주도 마찬가지입니다. 경계가 없지만 유한합니다. 한 방향으로 충분히 멀리 가면 출발점으로 돌아옵니다. 이론적으로 가능하지만, 현재 관측은 이 가능성을 상당히 제한합니다.
에너지 밀도가 임계값보다 낮으면 우주는 음의 곡률을 가집니다. 2차원 비유로는 말안장 모양과 같습니다. 이 경우 평행선은 결국 벌어지고, 삼각형 내각의 합은 180도보다 작습니다. 열린 우주 역시 무한히 이어집니다. 현재 관측 데이터의 오차 범위 안에서 평탄한 우주와 열린 우주 모두 가능합니다.
경계가 없지만 유한할 수 있다 — 가장 이상한 가능성
우주 지평선의 종류 — 하나가 아니다
우주에는 사실 여러 종류의 지평선이 있습니다. 이것을 구분하면 우주의 끝 문제가 더 명확해집니다.
| 지평선 종류 | 의미 | 현재 크기 (반지름) |
|---|---|---|
| 입자 지평선 | 빅뱅 이후 빛이 도달할 수 있었던 최대 거리. 관측 가능한 우주의 경계. | 약 465억 광년 |
| 허블 지평선 | 공간 팽창 속도가 빛의 속도와 같아지는 경계. 이 너머는 우리에게서 빛보다 빠르게 멀어지고 있다. | 약 141억 광년 |
| 사건 지평선 | 지금 출발한 빛이 미래에 영원히 도달할 수 없는 경계. 암흑에너지 때문에 존재한다. | 약 160억 광년 |
특히 사건 지평선은 암흑에너지로 인한 가속 팽창 때문에 생겨납니다. 지금 이 순간 사건 지평선 너머에 있는 은하들은 우리가 아무리 기다려도 영원히 관측할 수 없습니다. 그 은하들에서 출발한 빛은 공간의 팽창 속도를 이겨낼 수 없어서 영원히 우리에게 도달하지 못합니다. 지금 관측 가능한 은하들도 수천억 년 후에는 사건 지평선 너머로 사라져 보이지 않게 됩니다.
먼 미래의 우주 — 관측 가능한 것이 점점 줄어든다
암흑에너지로 인한 가속 팽창이 계속된다면, 먼 미래의 우주는 지금보다 훨씬 외롭습니다. 수조 년 후 지구가 존재한다면, 그 밤하늘에서 볼 수 있는 다른 은하는 하나도 없을 것입니다. 우리 은하와 중력으로 묶인 국부 은하군만 남고, 나머지 모든 은하는 사건 지평선 너머로 영원히 사라집니다. 만약 그 시대에 지적 문명이 있다면, 그들은 우주에 다른 은하가 있다는 사실 자체를 관측으로는 알아낼 수 없을 것입니다. 우주론이라는 학문 자체가 성립하기 어렵습니다. 우리가 지금 우주를 관측할 수 있다는 것은, 우주의 역사에서 매우 특별한 시기에 태어났기 때문일 수 있습니다.
우주의 끝이라는 질문이 의미를 잃는 곳
우주 밖에는 무엇이 있느냐는 질문으로 돌아와 봅시다. 만약 우주가 무한하다면, 끝이 없으므로 밖이라는 개념 자체가 없습니다. 만약 우주가 닫혀 있어 유한하지만 경계가 없다면, 역시 밖이라는 개념이 성립하지 않습니다. 구의 표면에 사는 2차원 존재에게 구 바깥이 어디냐고 물어봐도, 그들이 인식하는 차원 안에서는 답이 없는 것처럼.
만약 우주가 다중우주의 일부라면, 우리 우주의 밖은 다른 우주들이 존재하는 공간일 수 있습니다. 그러나 그 공간 역시 어떤 더 큰 구조의 일부일 것이고, 그렇다면 그 구조의 밖은 또 무엇인가라는 질문이 끝없이 이어집니다.
우주의 끝은 어디인가. 이 질문은 답이 없는 것이 아닙니다. 답이 우리의 상상과 전혀 다른 형태로 존재할 가능성이 높습니다. 경계 없는 유한함, 무한한 평탄함, 혹은 무수한 거품 우주들 사이 어딘가. 어느 쪽이든, 우주는 우리가 기대하는 것보다 훨씬 더 이상하고 광대합니다.
- 관측 가능한 우주의 반지름은 약 465억 광년이며, 이것은 존재의 한계가 아니라 관측의 한계입니다.
- 전체 우주의 크기는 알 수 없으며, 무한할 가능성도 있습니다.
- 우주의 형태는 평탄, 닫힘, 열림 세 가지 가능성이 있으며, 현재 관측은 평탄에 가장 가깝습니다.
- 닫힌 우주는 경계 없이 유한합니다. 한 방향으로 계속 가면 출발점으로 돌아옵니다.
- 암흑에너지로 인한 가속 팽창 때문에 사건 지평선이 존재하며, 그 너머 은하들은 영원히 관측 불가합니다.
- 우주 밖이라는 질문은 우주의 구조에 따라 개념 자체가 성립하지 않을 수 있습니다.