시간과 공간을 초월한 빅 히스토리 코스모스 (4) 밤하늘의 유령

시간과 공간을 초월한 빅 히스토리 코스모스 (4)

 밤하늘의 유령

 

상대성 이론의 밑거름, 광속 불변의 원리

보이는 것만이 전부는 아닙니다. 감각은 우리를 속일 수 있고 별들도 마찬가지입니다. 과학이 밝혀낸 '코스모스'는 우리의 상상보다 신비롭습니다. 빛, 시간 공간, 중력이 만나 인간은 상상하기조차 힘든 현실을 만들어 냅니다. 이제 그곳을 탐험해 봅니다.

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밤하늘의 유령, 별빛

- 존재하지 않지만 볼 수 있는 빛의 마술

 

1802년 어느 날 밤 천문학자인 윌리엄 허셜은 '코스모스'를 누구보다 깊이 들여다봤던 사람입니다. 그는 빛이 시간으로 마술을 부리는 걸 보게 됩니다. 멀리 있는 별들의 빛이 지구까지 도달할 쯤 별은 이미 죽고 없다는 걸 알게 됩니다. 윌리엄 허셜은 최초로 망원경이 타임머신임을 이해한 사람입니다.

 우린 우주를 내다보면서 시간을 돌아보게 됩니다. 빛은 1초 만에 30만 킬로미터나 이동합니다. 지구와 달 사이의 거리와 비슷합니다. 달은 광속으로 1초 거리에 있다고 할 수 있습니다. 우리가 달을 올려다볼 때는 1초 전의 과거를 보는 겁니다.

 

별도 새로 태어나서 진화하다가 죽어 사라진다. 그러므로 충분히 오랫동안 기다린다면 새로운 별들이 하늘에 나타나고 늙은 별이 시야에서 사라지는 것을 목격하게 될 것이다. 하늘에 그려진 별자리들의 모양은, 그래서 아주 천천히 변하다가 결국엔 영영 사라지고 만다. 

칼 세이건, 『코스모스』 

시간의 시작

- 허블 우주 망원경이 포착한 134억 년 된 별빛

우리 은하의 중심은 지구에서 3만 광년 떨어져 있습니다. 오늘날 우리가 보는 은하계 중심의 빛은 우리 조상들이 죽음을 극복할 방법을 찾을 무렵 그곳을 떠났습니다. 지구에서 보이는 솜브레로 은하의 빛은 무려 3천만 년 전에 출발했습니다. 당시 5kg의 몸무게에 긴 꼬리 달린 우리 조상들은 나무 위에 살았습니다. 하지만 3천만 광년 떨어진 곳이라 해도 코스모스적 관점에선 우리 뒷마당에 불과합니다. 3억 2천만 광년 떨어진 머리털자리 은하단의 빛이 출발했을 당시 우리 행성은 어땠을까요?  오늘날과 같은 대륙이나 바다는 없었습니다. 우리의 먼 조상들이 물에서 육지로 나왔을 무렵입니다. 꽤 오래전이지만 훨씬 더 오래된 빛도 있습니다. 인류가 관측한 가장 오래된 빛은 허블 우주 망원경이 포착한 134억 년 전에 보낸 우주의 1세대 별들이 보낸 빛입니다. 그때 우리 행성인 지구는 존재하지도 않았습니다. 뿐만 아니라 태양이나 우리 은하계도 수십억 년이 지난 후에야 나타났습니다. 그보다 먼 우주를 내다보려고 하면 우주의 끝과 같은 것에 부딪힙니다. 사실 그건... 시간의 시작입니다.                            

 

 

공간과 시간은 서로 얽혀 있다. 시간적으로 과거를 보지 않으면 공간적으로 멀리 볼 수가 없다. 지금 이 순간에 우리가 공간적으로 멀리 떨어져 있는 어떤 천체를 들여다보고 있다면, 시간적으로 그 천체의 과거 모습을 보고 있는 것이다. (중략) 오늘날 우리가 보는 그들의 모습은 사실 우주 먼지가 뭉쳐 지구가 되기 전, 심지어 우리 은하가 만들어지기도 전의 상황이다. 

칼 세이건, 『코스모스』 

빛의 속도

- 상대성 이론의 밑거름,  광속 불변의 원리

어느 날, 아인슈타인는 빛의 속도에 대해 생각하기 시작했습니다. 우린 움직이는 사물을 볼 때 기준을 갖고 속도를 파악합니다. 움직이지 않는 뭔가가 기준이 됩니다. 그런데 문제는 우주에서 움직이지 않는 것을 찾는 겁니다. 지구는 시속 1,600km 이상으로 자전하는 동시에 시속 108,000km로 태양 주위를 돕니다. 태양은 시속 70만 킬로미터가 넘는 속도로 은하 속을 이동합니다. 또 은하는 시속 약 250만 킬로미터로 우주 속을 이동합니다. 코스모스에 고정된 장소는 없습니다. 이는 위대한 천재 과학자에게 좌절과 영감을 안겨 줍니다. 젊은 아인슈타인도 모든 상대적 움직임을 측정할 절대 기준을 찾아내기 힘들었습니다. 빛의 속도로 이동한다고 가정해 보면 도처에 모순이 나타납니다. 아인슈타인은 저명한 권위자들조차 무비판적으로 받아들인 견해의 많은 부분이 완전히 틀렸음을 깨닫고 충격을 받았습니다.

광속으로 이동할 때 반드시 따라야 하는 규칙이 있습니다. 아인슈타인은 그걸 '상대성 원리'라고 했습니다. 오토바이를 타고 지나간 젊은 여성이 우주에서 오토바이를 탄다고 가정해 볼까요? 물체가 정지해 있을 때나 움직일 때나 그 물체에서 나오는 빛의 속도는 같습니다. 오토바이가 얼마나 빨리 달리고 있든 오토바이의 빛은 여전히 광속으로 이동합니다. 자연의 명령입니다. 또한 어떤 물질도 빛의 속도로 이동하거나 그보다 빨리 이동할 수 없습니다. 광속에 가까운 속도는 물리적으로 불가능하지 않습니다. 광속의 99.9%까지는 가능합니다. 하지만 아무리 애써도 빛의 속도엔 도달할 수 없습니다.

광속의 장벽은 자연 법칙입니다. 중력 같은 겁니다. 아인슈타인은 우주의 움직임 속에서 일어나는 모든 상대적인 움직임에 대하여 확실한 체계를 세웠습니다. 물체의 속도와 관계없이 거기서 나오는 빛의 속도는 늘 같습니다. 다른 모든 것에 대하여 광속은 일정하고 무엇도 빛을 따라잡을 수 없습니다.

 

 

빛보다 빠르게 움직이는 것이 있다는 주장을 우리는 종종 듣게 된다. 예를 들면, '생각의 속도' 같은 것인데 이것은 매우 어리석은 주장이다. 왜냐하면 우리 뇌의 신경 전달 신호는 당나귀가 수레를 끄는 것과 같은 느린 속도로 뉴런 사이를 움직이기 때문이다. 인류는 상대성 이론을 궁리해 낼 정도로 영리하기는 하지만 그리 빠르게 사고하지는 못한다. 

칼 세이건, 『코스모스』 

 

빛이 없는 별, 블랙홀.

- 강한 중력으로 빛이 빠져나올 수 없는 암흑성

18세기, 잉글랜드의 과학자 미첼은 아주 거대하고 무거워서 그 중력의 영향력에서 빛조차 벗어나지 못하는 별을 상상했습니다. 미첼은 강한 중력을 통해 암흑성을 찾을 거라고 생각했습니다. 암흑성이 더 작고 빛나는 동반성 근처에 있으면 그 별은 안쪽에 아무것도 없는 궤도를 도는 것처럼 보일 겁니다. 보이진 않지만 궤도 안엔 질량이 큰 뭔가가 있습니다. 바로 암흑성, 오늘날 '블랙홀'이라고 하는 것입니다. 블랙홀은 어떤 모습이고 내부는 어떨까요?

지구의 중력은 45억 년 동안 그대로였습니다. 그걸 바꾸면 어떻게 될까요? 아인슈타인의 말처럼 중력은 시공간의 왜곡입니다. 공간은 팽창하고 수축하고 휘어질 수 있습니다. 지구의 크기나 밀도가 다르다면 중력도 달라질 겁니다. 인류는 지구의 중력인 1G에 익숙합니다. 중력을 8~9G로 올리면 어떻게 될까요? 전투기 조종사가 고속 방향 전환 시 느끼는 중력입니다. 하지만 10만 G에서는 소화전도 자신의 무게에 짓눌립니다. 수백만 G에서는 빛조차 중력에 굴복합니다. 빛의 속도는 여전히 같지만 벗어나진 못합니다. 미첼의 암흑성은 바로 블랙홀입니다.

중력이 아주 강력하면 빛조차 그 중력장의 영향에서 벗어날 수 없다. 이렇게나 강한 중력장을 동반하는 천체를 우리는 블랙홀이라고 부른다. 이것이야말로 주위 상황에 아랑곳 않는 불가해한 우주적 체셔 고양이인 것이다. 밀도가 충분히 높고 중력이 한곗값 이상으로 강해지면 블랙홀은 윙크 한 번 하고 우주에서 사라진다. 

칼 세이건, 『코스모스』 

* 더 알고 싶은 분을 위한 팁!  

키워드 : 블랙홀

레너드 서스킨드의 『블랙홀 전쟁』 

정보가 블랙홀에서 소멸한다는 호킹의 주장을 옳다고 인정하면 우리 우주의 근본적인 법칙 중 하나인 에너지 보존 법칙과 정보 보존 법칙이 깨지게 되고, 현대 물리학 전체가 무너질 위기에 처하게 되는데...

키워드 : 별과 인류

마커스 초운의 『마법의 용광로』

우리가 존재하기 위해서 수십억, 수백억, 수천억 개의 별이 죽었다. 우리 피 속의 철, 우리 뼈 속의 칼슘 그리고 우리가 숨 쉴 때마다 허파를 채우는 산소, 이 모든 것은 지구가 탄생하기 전에 소멸된 별의 용광로에서 요리되었다!

* 본 포스팅은 내셔널지오그래픽 채널의 제공으로 네이버캐스트(오늘의 과학 - 다큐사이언스)와 함께 연재되며, 사이언스북스 블로그에는 일부 내용이 추가되어 있습니다. 

'시간과 공간을 초월한 빅 히스토리, 코스모스 ' 시리즈 보기

(1) 코스모스 (클릭) 

(2) 생명의 강물 (클릭)

(3) 지식이 두려움을 정복할 때 (클릭)

글·영상/사진 제공 : 내셔널지오그래픽채널 http://www.ngckorea.com  

내셔널지오그래픽채널 “시간과 공간을 초월한 빅 히스토리, 코스모스”

2014년 3월 15일 토요일 밤 11시 첫 방송(매주 토요일 밤 11시 방송)

1980년, 전 세계 7억 5천만 명의 시청자를 열광시킨 칼 세이건의 [코스모스]. 2014년, 내셔널지오그래픽채널에서 더욱 화려하게 부활한다. 총 제작비 450억, 총 에피소드 13편, 전 세계 180개국 동시 방송! 과거에도 있었고, 현재에도 있으며, 미래에도 있을 그 모든 것!