우주는 왜 빛보다 빨리 팽창할까

우주는 왜 빛보다 빨리 팽창할까

우리 모두가 물리학에서 배우는 근본적인 규칙 중 하나는 - 100년 이상 전에 아인슈타인이 정리한 - 우주의 모든 것이 따라야 하는 궁극적인 속도 제한이 있다는 것입니다. 바로 빛의 속도입니다. 이 기본 속도인 299,792,458 m/s는 모든 질량이 없는 입자들이 우주의 진공을 통과해야 하는 속도이다. 만약 여러분이 질량을 가지고 있다면, 여러분은 그 속도에 접근할 수 있을 뿐이고, 진공 대신 매체를 통해 이동한다면, 여러분은 그 궁극적인 우주 한계보다 더 느리게 이동할 수 있을 뿐입니다. 하지만 그게 사실이라면, 어떻게 138억년 전 빅뱅으로 시작된 우주에서 460억 광년 떨어진 물체를 볼 수 있을까요? 이것이 로버트 리핀스키의 질문의 핵심입니다. "왜 시공간 구조가 빛의 속도보다 더 빨리 확장되는가?" 이것은 물리학에서 가장 이해하기 어려운 개념 중 하나이지만, 우리는 그 도전에 직면해 있습니다. 어디 한번 봅시다. 아인슈타인이 1905년 특수상대성이론의 개념을 제시했을 때, 그것은 혁명적인 것만큼이나 간단했다. 그것은 우리 모두가 상호작용했던 광파를 고려하면서 시작되었습니다. 수십 년 동안 아인슈타인과 그의 동시대인은 빛이 전자기파라는 것을 알고 있었다. 진공상태에서, 그것은 항상 같은 속도로 움직였습니다. 빛의 속도였죠. 이 마지막 부분은 과학자들에게 가장 골칫거리였다. 만약 여러분이 시속 100마일(161km/h)로 움직이는 기차에서 야구공을 전방 방향으로 100마일(161km/h)로 던진다면, 그 공은 단단한 지상의 누군가의 관점에서 시속 200마일(322km/h)로 움직일 것입니다. 하지만 빛은 그런 식으로 작용하지 않았습니다. 빛은 항상 같은 속도로 빈 공간의 진공 속을 움직입니다. 상상할 수 있는 모든 관점에서 말이죠. 이것은 1880년대에 과학자 앨버트 미셸슨과 그의 조수 에드워드 몰리에 의해 매우 정확하게 증명되었다. 실험에서, 그들은 (같은 파장의) 간섭성 빛의 빔을 가져와서 빔 스플리터를 통과시켰다. 그리고 나서 그 빛은 거울에 부딪혀 반사되고, 다시 결합되어 간섭 패턴을 만들 때까지 같은 길이의 두 경로를 따라 이동합니다. 여기서 중요한 점은 한 경로가 다른 경로보다 짧거나 빛이 다른 방향으로 더 빨리(또는 더 느리게) 이동하면 간섭 패턴이 이동한다는 것입니다. 이것은 LIGO와 처녀자리 중력파 검출기에서 엄청난 정밀도로 일어나는데, 여기서 지나가는 중력파가 두 다른 방향의 경로 길이를 변화시킨다. 그러나, 30 km/s의 태양에 대한 지구의 움직임에도 불구하고, 마이클슨-몰리 실험에서 보이는 간섭 패턴은 결코 변하지 않았다. 이것은 우리에게 믿을 수 없을 정도로 중요한 것을 가르쳐 주었습니다. 빛의 속도는 공간을 통한 상대적인 움직임과 무관합니다. 여러분이 누구이든, 어디에 있든, 얼마나 빨리 혹은 어느 방향으로 우주를 여행하든, 여러분은 항상 같은 보편적인 속도 제한, 즉 진공 속의 빛의 속도로 우주를 여행하는 모든 빛의 파동을 관찰할 것입니다. 만약 여러분과 광원이 서로 멀어진다면, 빛의 파장은 적색편이 되고, 만약 여러분이 서로 다른 쪽으로 움직인다면, 파장은 청색편이 됩니다. 하지만 빛의 속도 자체는 우주의 진공을 통해 절대 변하지 않습니다. 이 아이디어는 아인슈타인이 제안했을 때 혁명적이었고, 많은 전문 물리학자들이 수십 년 동안 그것에 저항했다. 그러나 야당은 이에 못지 않게 진실로 만들었다. 하지만 가장 큰 상은 여전히 남아 있었습니다. 중력을 방정식에 포함시키는 것입니다. 아인슈타인 이전에 중력은 뉴턴의 현상이었다. 뉴턴에 따르면, 공간과 시간은 상대적인 실체라기보다는 절대적인 실체였다. 두 질량 사이의 인력력은 빛의 속도에 의해 제한되는 것이 아니라 무한히 빠르게 전파되어야 했다. 아인슈타인이 물리학에 가져온 더 큰 혁명은 이 중력 그림의 전복이었습니다. 물론, 거의 모든 조건에서 뉴턴의 중력을 매우 좋은 근사치로 사용할 수 있지만, 물질이나 에너지가 큰 질량에 가깝게 지나가는 상황에서는 뉴턴이 정답을 알려주지 않을 것이다. 수성의 궤도는 뉴턴이 예측한 것보다 더 빨리 움직였다. 뉴턴이 설명할 수 있는 양보다 더 많이 휘어진 일식 동안 태양 근처를 지나가는 빛. 아인슈타인의 일반상대성이론은 질량과 에너지의 굴곡공간과 그 굴곡공간이 질량과 에너지의 운동을 결정한다는 것을 분명히 보여주었다. 중력과 시공간 구조에 대한 이 새로운 개념화는 그것과 함께 또 다른 계시를 가져왔습니다. 우주의 구조가, 어디서나 대략 같은 양의 물질과 에너지로 가득 차 있다면, 정적이고 변하지 않을 수 없다는 사실 말입니다. 대신, 1920년대 초의 관측 결과에서 확실히 나타나기 시작함에 따라, 물체가 우리로부터 떨어져 있는 거리와 물체의 빛이 적색편이 되는 것으로 관측되는 양 사이에는 체계적인 관계가 있었다. 물론, 은하는 서로 상대적인 공간을 통해 움직이지만, 최대 수천 km/s의 속도로만 움직입니다. 하지만 우리가 멀리 있는 은하의 실제 적색편이를 볼 때, 그것들은 그 값보다 훨씬 더 큰 쇠퇴 속도에 해당합니다. 과학자들이 빠르게 깨달았듯이, 우리가 이러한 우주의 적색편이를 거리에 따라 확장되는 것을 보는 이유는 우주의 구조가 확장되고 있기 때문입니다. 건포도 빵 반죽의 팽창하는 건포도처럼, 우주의 모든 은하들은 다른 은하들이 그들로부터 멀어지는 것을 보고, 더 먼 건포도(또는 은하)들은 더 빠른 속도로 멀어지는 것처럼 보인다. 왜 그럴까요? 건포도가 반죽에 비해 상대적으로 움직이기 때문도 아니고, 각각의 은하들이 우주의 구조를 통해 움직이기 때문도 아닙니다. 오히려, 그것은 우주의 직물과 마찬가지로 반죽 자체가 팽창하고 있고, 건포도(또는 은하)가 단지 타기 위해 따라다닌다는 사실 때문입니다. 한편, 이 물체들은 은하이기 때문에, 빛을 내는 별들로 가득 차 있습니다. 이들은 처음 켜지는 순간부터 지속적으로 빛을 내지만, 우리는 우주를 여행한 뒤 빛이 우리 눈에 처음 도착하는 순간부터 관찰할 수 있을 뿐이다. 뉴턴의 우주가 아니라, 아인슈타인의 우주가 팽창하고 있다는 것을 기억하세요. 이것은 130억년 이상 우주를 여행한 후 처음으로 지구에 도달한 빛을 가진 은하들이 존재한다는 것을 의미합니다. 최초의 별과 은하는 빅뱅으로부터 불과 수억년 후에 형성되었습니다. 그리고 우리는 우주가 현 시대의 3%에 불과했을 때 까지의 은하를 발견했습니다. 그럼에도 불구하고, 그 빛은 팽창하는 우주에 의해 너무 심하게 빨갛게 바뀌어서 방출되었을 때는 자외선이었지만, 우리가 그것을 관찰할 수 있을 때는 이미 적외선 속으로 멀리 떨어져 있었습니다. 만약 우리의 관점에서 이것이 우리가 지금 관측하고 있는 이 먼 은하계의 속도에 대해 무엇을 의미하는지 묻는다면, 우리는 이 은하가 빛의 속도보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있다고 결론지을 것입니다. 하지만 실제로는 은하계가 상대적으로 불가능한 속도로 우주를 통과하지 못하고 있을 뿐만 아니라 거의 움직이지 않고 있습니다! 이 은하들은 299,792 km/s(진공 속 빛의 속도)를 초과하는 속도 대신에, 빛의 속도의 2% 이하의 속도로 우주를 통과하고 있다. 하지만 공간 자체가 팽창하고 있습니다. 그리고 그것은 우리가 보는 적색편이의 압도적 다수를 차지합니다. 그리고 공간은 빠른 속도로 팽창하지 않습니다. 단위 거리당 속도로 팽창합니다. 아주 다른 종류의 속도죠. 67 km/s/Mpc 또는 73 km/s/Mpc (우주론자들이 측정하는 가장 일반적인 두 값)와 같은 수치를 볼 때, 이것들은 단위 거리(Mpc 또는 약 330만 광년)당 속도(km/s)입니다. "어떤 것도 빛보다 빨리 움직일 수 없다"는 제한은 공간을 통과하는 물체의 움직임에만 적용된다. 공간 자체가 팽창하는 속도(단위 거리당 속도)는 상한에 물리적 한계가 없습니다. 이것이 암시하는 모든 것을 고려하는 것은 이상하게 보일 수 있다. 우리가 암흑 에너지를 가지고 있기 때문에, 팽창률은 결코 0으로 떨어지지 않을 것이고, 그것은 긍정적이고 유한한 값으로 유지될 것이다. 빅뱅 이후 138억 년밖에 지나지 않았지만 이미 461억 광년 떨어진 물체에서 빛을 관측할 수 있다는 뜻이다. 그리고 그것은 그 거리의 극히 일부인 약 180억 광년 이상에서 오늘날 지구에서 발사된 어떤 물체도 그 거리에 도달할 수 없다는 것을 의미합니다. 하지만 실제로 어떤 물체도 빛의 속도보다 더 빠르게 우주를 통과하지 못하고 있습니다. 우주는 팽창하고 있지만, 팽창은 속도를 가지고 있지 않습니다. 그것은 주파수와 같은, 또는 역시간인 단위 거리당 속도를 가지고 있습니다. 우주에 대한 가장 놀라운 사실들 중 하나는 만약 여러분이 변환을 하고 팽창율의 역수를 취한다면, 여러분이 나오는 "시간"을 계산할 수 있다는 것입니다. 정답은? 대략 138억 년 정도 됩니다. 우주의 나이입니다. 그 사실에는 근본적인 이유가 없습니다. 단지 매혹적인 우주의 우연일 뿐입니다.