우주 종말에 대한 4가지 시나리오

• 기자명 정현섭 기자
• 입력 2020.09.11 00:17
• 수정 2020.12.23 10:37

 

우주의 시작은 빅뱅으로 알려져 있다. 그렇다면 우주의 종말은 어떤 과정을 거쳐서 일어나게 될까? 과학적 상상력을 총 동원하여 우주의 미래를 예측해보자.

우주의 정체를 파악하는 것도 힘들지만, 우주 종말을 예측하는 것은 더 힘들다. 세상에 영원한 것이 있을까? 우주는 어디를 향해 나아가고 있을까?

 

우주의 마지막은 언제쯤일까?

 

결론부터 말하면, 수십 억 년 안에 우주가 종말할 일은 없다. 가설에 따라 다르지만, 우리가 우주를 영위할 시간은 앞으로도 200~1,000억 년 정도 더 남았다. 어차피 지구는 수십 억 년 안에 인간이 살 수 없는 행성이 될 것이고, 우주가 끝 날 때쯤이면 인간도 사라지고 없을 것이다.

우주가 영속할 수 없다는 생각은 열역학 제2 법칙에서 나왔다. 만물은 가만히 내버려 두면 모 두 무질서한 상태로 나아간다는 법칙이다. 이 법칙은 열의 움직임을 설명하려고 고안됐다. 열 은 우리가 막지 않으면 항상 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 이동한다(그래서 냉장고는 차가운 내부에 열이 쌓이지 않도록 전력을 사용해서 열을 밖으로 내보낸다). 즉, 만물은 결국 균등한 상태로 나아가서 아무 것도 없는 ‘무(無)’의 상태에 도달한다는 뜻이다.

 

시간이 흐를수록 무질서는 자연히 증가한다. 질서를 정립하기 위한 에너지가 끊임없이 투입되지 않는다면 만물은 결국 무질서해질 수밖에 없다. 그렇게 완벽한 무질서 상태가 되면 별도, 행성도, 생명도 사라진다.

우리는 안드로메다은하의 250만 년 전 모습을 본다. 안드로메다은하의 빛이 지구에 도달하는 데 250만 년이 걸리기 때문이다.

 

우주의 나이는?

우주는 일종의 시간 터널이다. 그래서 과거를 되돌아보는 것은 미래를 예측하는 것만큼 어렵 진 않다. 빛이 지구에 도달하려면 시간이 걸리므로 우주의 먼 곳을 내다보면 과거를 볼 수 있다. 예를 들어서 우리가 지금 안드로메다은하( 우리 은하 근처의 은하 중에서 가장 큰)를 보면 250만 년 전의 모습이 보인다. 안드로메다은하 의 빛이 지구까지 도달하는 데 250만 년이 걸리기 때문이다. 현대 망원경을 사용하면 수십 억 년 전을 들여다볼 수 있다.

우주가 팽창하고 있다는 사실이 1930년대에 밝혀진 것도 우주의 기원에 대한 우리의 생각 에 커다란 영향을 미쳤다. 아무리 우주 먼 곳을 내다봐도(즉, 아무리 먼 과거를 되돌아봐도) 우주는 계속 팽창해 왔다. 이를 근거로 계산해 보면 우리가 지금 보는 우주는 138억 년 전에 만들어졌고, 빅뱅과 함께 팽창을 시작한 것으로 보인다. 우주가 팽창을 시작한 자세한 원인이나 빅뱅 이전에 무엇이 있는지에 대해서는 그저 추측할 수밖에 없다. 수많은 가능성이 있지만, 우주가 지난 138억 년 동안 계속 팽창해 왔다는 사실만큼은 분명하다.

‘빅 바운스’는 우주가 수축했다가 튀어나가며 다시 팽창해 동일한 우주가 된다는 가설이다.

 

우주 끝을 예측한 4가지 시나리오

 

여기서부터는 추리력을 발휘할 수밖에 없다. 수많은 가설을 세울 수는 있지만 지금까지 학자들의 지지를 가장 많이 받은 가설은 4가지다.

 

그중 두 가설인 ‘빅프리즈’와 ‘빅립’ 가설은 우주가 계속 팽창하면서 뿔뿔이 흩어지고, 우주의 밀도가 낮아질 것이라고 예측한다. 물론 두 가설이 예상하는 최종결과는 아주 다르다. ‘빅 프리즈’ 가설은 열역학 법칙과 크게 다르지 않다. 모든 것이 결국 뿔뿔이 흩어져 우주에서 아무 일도 일어나지 않게 된다는 것이다. ‘빅립’ 가설은 이보다 조금 더 충격적이다. ‘빅립’은 우주가 단순히 팽창하는 것에서 그치지 않고 팽창 속도가 가속되고 있다는 사실에서 착안한 가설이다. 팽창 속도가 계속해서 빨라지면 ‘빅립’ 현상이 발생해 우주의 모든 물질과 행성, 은하, 입자, 시공간이 갈가리 찢어지고, 팽창은 무한을 향해 나아간다.

 

반면, 나머지 두 가지 가설인 ‘빅 크런치’와 ‘빅 바운스’는 우주가 팽창하다가 결국 방향을 바꿔 수축할 것이라고 예측한다. ‘빅 크런치’ 가설에 따르면, 지금까지 우리가 경험한 모든 일들이 처음으로 되감아져서 밀도가 무한히 큰 하나의 점, 즉 ‘특이점’으로 돌아간다. 이후에 새로운 빅뱅이 발생하고 새로운 우주가 탄생한다. 즉, 우주가 순환할 수도 있다는 뜻이다.

이와는 약간 다른 ‘빅 바운스’ 가설도 우주의 크기가 최대로 팽창했다가 다시 수축할 것이라는 데에는 동의한다. 하지만, 우주가 특이점에 도달하기 전에 튀어나가 다시 팽창할 것이라고 예측한 점에서 차이가 있다. 또한, 이전 우주의 특징들이 일정 부분 다음 우주로 넘어간다고 예측한 점도 다르다. 요약하자면, ‘빅 크런치’는 새로운 우주의 탄생을 예측하고 있으며, ‘빅 바운스’는 동일한 우주가 팽창과 수축을 반복한다는 가설이다.

4가지 시나리오에 대한 근거는?

 

이런 가설들은 지금까지 관찰한 우주의 특성을 일반상대성이론 같은 물리학 법칙에 대입해 미래를 예측하는 방식으로 만들어졌다. 아인슈타인이 물질과 중력, 시공간의 관계에 대해 설명한 일반상대성이론을 활용하면 대략적인 우주의 모델을 만들 수 있다. 우주의 미래를 예측할 때 사용할 수 있는 인자 중에서 그나마 믿을만한 것은 우주가 팽창한다는 사실이다. 우주가 팽창한다는 사실은 1998년에 처음 발견됐는데, 우리는 이제 우주가 팽창하는 속도까지 알게 됐다. 바로 73km/s/Mpc다(s는 초, Mpc는 메가파섹을 뜻하며, 1메가파섹은 326만 광년이다). 하지만 이러한 사실을 근거로 우주의 미래를 예측하는 것은 한층 까다로운 문제다. 실험실로 우주를 들여와 여러 가설을 시험해 볼 수 는 없다. 우리는 과거에 일어났던 일들만 알 뿐이다. 미래가 과거와 똑같을 것이라는 보장은 어디에도 없다. 모든 것이 그저 가정일 뿐이 다. 주식 시장을 예측하는 것과 비슷하다고 보면 된다. 큰 시각으로 보면 시장의 흐름이 보이 기는 하지만 투자자들은 항상 돌발 상황에 발목을 잡히곤 한다.

그중에서도 가장 의심스러운 것은 일반상대성 이론이다. 물론 일반상대성 이론이 중력의 영향을 예측하는 데에는 놀라운 위력을 발휘했지만 퀀텀 입자에는 일반 상대성이론이 적용되지 않는다. 그런데 퀀텀 입자 없이 우주의 종말을 논하기란 힘들다. 또한 일반상대성이론으로 우주 모델을 만들려면 이론을 엄청나게 단순화해야 하는데, 그러면 우주 모델과 실제 우주 사이에 큰 차이가 생길 수밖에 없다.

사진에 보이는 암흑에너지가 우주의 팽창을 가속하고 있다.

 

우주론자들에게 가장 인기 있는 가설은?

누구에게 물어보느냐에 따라 다르다. 다양한 우주 모델을 분석해 봤을 때 ‘빅 크런치’나 ‘빅 바운스’ 같은 가설에는 문제점이 있다는 사실을 알 수 있다. 외부에서 새로운 에너지가 투입되지 않으면 재순환을 끊임없이 계속할 수는 없다는 점이다. 그래서 ‘빅 바운스’ 가설의 지지 자들은 ‘에크파이로틱(ekpyrotic)’ 이론을 제시했다. 끈 이론을 발전시켜서 양자론과 일반상대성 이론을 결합하려는 시도인데, 아직까지 타당성이 입증되지는 않았다. 이 이론에 따르면 우리 우주는 시공연속체 속을 떠다니는 4차원의 ‘막’이다(3개 차원은 공간, 1개 차원은 시간). 그리고 ‘빅 바운스’는 이런 막 2개가 충돌 했을 때 새로운 에너지가 투입되면서 발생한다.

우주론자들에게 가장 오랜 시간 인기를 끌었던 가설은 ‘빅 프리즈’였다. 천 억 년 뒤에는 만물 의 에너지가 소진돼 더 이상 새로운 별이 형성되지 않는 가설이다. 하지만 최근 들어서는 ‘빅 립’ 가설이 가장 큰 지지를 받고 있다. 암흑에너지(우주의 팽창에 속도를 붙이는 물질)가 우주 의 크기에 영향을 받는 것처럼 보이기 때문이다. 즉, 우주가 커질수록 암흑에너지의 힘은 더 강해진다. 무한한 피드백 루프인 셈이다. ‘빅 립’ 가설에 따르면 우주는 아직 200억 년을 더 살 수 있지만 이것 역시 추측에 불과하다. 우리는 암흑에너지가 앞으로도 우주에 지금 같은 영향을 미칠지조차 확신할 수 없다.

키워드#우주종말 #빅바운스 #우주팽창 #암흑물질 #상대성이론

정현섭 기자 jhs3576@naver.com