1. 블랙홀
사람이 블랙홀에 빨려들게 되면 실제로는 그 사람은 이미 빨려들어가 소멸되었음에도, 바깥에서 지켜보고 있는 사람에게는 여전히 그 자리에 있는 것처럼 보여진다고 합니다. 그러면 빨려들어간 사람은 과연 어떤 광경을 접하게 되는 것일까요? 블랙홀의 안쪽은 중력에 의해서 빛이 왜곡되고 마구 휘어져 있기 때문에 똑바로 자신의 앞에 있는 것만 보이는 것이 아니라 자신의 등이나 뒷통수 또는 머리 위의 것들도 보게 되는 기이한 경험을 하게 된다고 합니다. 블랙홀의 연구는 오랜기간 이루어지고 있지만 여전히 확실한 해명은 되지 않고 있으며 많은 수수께끼가 존재합니다.
블랙홀의 영향은 빛을 포함한 주위의 모든 것을 빨아들이는 데서 그치지 않습니다. 지극히 작은 블랙홀이 태양계에 있는 천체 근처를 지나갔다고 가정을 했을 경우, 블랙홀의 강력한 중력에 의해 행성의 궤도가 틀어져버릴 가능성도 존재합니다. 이것은 결과적으로 태양계 행성 전체의 중력 밸런스를 붕괴시키게 됩니다.
만약 지구의 궤도가 바뀌게 된다면 어떤 일이 일어날까요? 태양이 있는 방향으로 향하게 된다면 작렬하는 행성이 되어 생명체가 소멸하고 이윽고 태양에 흡수 될 것입니다. 태양의 반대편으로 멀어지게 된다면 지구는 극한의 얼어붙은 행성이 되며 태양빛이 닿지 않는 암흑 세계로 떠밀리게 될 것입니다. 어느 쪽도 지구의 생명체로서는 파멸 이외에는 선택지가 남겨지지 않습니다.
그러면 블랙홀이 지구 코앞까지 와서 사람들을 빨아들이고 있는 광경을 땅 위에 있는 사람들이 목격하게 된다면 어떻게 보여질까요? 정답은 블랙홀에 빨려들기 직전 정지한 것처럼 보인다 입니다. 블랙홀의 주위는 우리가 알고 있는 물리법칙이 무용지물이 되기 때문에 지구에서 생각하는 당연한 현상은 일어나지 않습니다. 이 때에 정지한 듯 보여지는 사람들은 사실은 이미 블랙홀에 들어가 소멸된 것이며 밖에서 아직 빨려들지 않은 사람이 보기에만 착시가 일어나는 것입니다. 블랙홀에 빨려들어가 과거나 미래로 간다고 하는 말도 있지만 그 이전에 이미 살아남을 가능성은 제로 이하입니다.
2. 암흑물질
우주가 무엇으로 구성되어 있는지 조사를 하며 알아낸 바로는 양자나 중성자 등 ‘눈에 보이는’ 물질은 전체의 약 5퍼센트에 지나지 않는다는 것입니다. 관측할 수 없는 미지의 물질은 그 이외의 부분을 꽉 채우고 있습니다. 그리고 이 중에는 다크에너지라고 불리우는 정체불명의 물질도 포함됩니다.
지금까지 우주의 관찰에 사용되어 오던 것은 주로 빛이나 X선, 적외선 등의 전자파였는데, 암흑물질이라는 것은 전자파로는 관측이 되지 않기 때문에 암흑 즉 영어로 다크라는 이름이 붙게 되었습니다. 암흑물질 즉 다크마타를 증명하는 몇 가지 증거가 있습니다. 여지껏 많은 관찰방법에 의해 그 존재가 시사되고 있는 것입니다.
1970년대 후반에 소용돌이 은하의 회전속도 분포를 관측하였는데 은하 내의 밝은 별과 성간가스가 아닌, 빛으로는 관측할 수 없는 중력을 지닌 물질의 존재를 입증해 내게 됩니다. 또한 매우 무거운 물질의 주위에서는 빛이 휘어진다는 중력렌즈 효과에 근거해서도 다크마타의 존재를 나타내는 증거들이 포착되고 있습니다. 우주의 형성과 밀접한 관계가 있을 것이라 여겨지는 다크마타는 현재의 우주와 은하, 은하단 사이에 텅빈 공간이라고 여겨지던 곳을 복잡하게 연결짓는 대규모의 구조를 형성하고 있을 것이란 설이 유력합니다. 이것으로 생각해 보면 초기의 우주에서 발생한 작은 균열이 다크마타의 밀도에 차이를 만들어 내었고, 밀도가 높은 곳은 중력에 의해 다크마타를 끌어들이고 차츰 눈에 보이는 먼지나 가스 등이 모여서 별과 은하가 형성되게 되었고 생각할 수 있겠습니다. 다크마타의 정체는 아직까지 확실하다고 할 수 없지만 지금까지의 관측으로 그 성질을 추측해보면 다음과 같은 점들을 들 수 있습니다.
전하를 띄지 않는다는 점, 무게가 있다는 점, 안정되어 있다는 점입니다. 이런 물질은 우리가 알고 있는 소립자로는 설명할 수 없는 부분입니다. 그래서 과학자들은 새로운 이론을 만들어 내고 미지의 새로운 소립자의 개념을 만들어 내게 됩니다. 그 유력 후보중에 하나가 뉴트랄리노(neutralino)라는 초중성입자입니다. 뉴트랄리노는 약한 상호작용을 하는 무게가 있는 입자로 Weakly Interacting Massive Particles의 일종이며, 그 중에서도 이론적으로 존재가 가장 기대되는 입자이기도 합니다. 우리들 주변에도 다크마타는 1리터당 약 1개 정도가 존재할 것이라 추측되고 있습니다. 하지만 이것은 이론이며 아직 실증된 것은 없습니다. 이것의 관찰이야 말로 우주물리학의 커다란 과제로 제기되고 있습니다. 이것이 관찰 가능하게 되는 날 우주의 수수께끼에 크게 다가가게 될 것이라 믿어 의심치 않습니다.
3. 다중우주론
다중우주론은 복수의 우주가 존재할 것이라는 가설입니다. 멀티버스라고도 합니다. 무한히 드넓은 우주, 시공의 형태가 어떤 것이냐에 대해서는 그 누구도 명확히 답할 수 없습니다. 하지만 시공은 구형이나 도넛 모양과 비교하자면 플랫한 것이며 무한히 펼쳐져 있을 가능성이 높습니다.
만일 시공이 영원히 그렇게 끝이 없다면 어떤 시점에서 ‘반복’되어야만 한다는 주장이 있는데 이것은 시공이 입자의 조합으로 이루어지는 데에도 한계가 있을 것이란 사고에서 기인합니다. 따라서 이 우주에는 무수한 버전이 존재하고 그 수는 모든 입자의 조합 가능한 경우의 수와 중복 된 수이므로 사실상 무한대가 됩니다.
우리가 관찰 가능한 우주는 빅뱅으로부터 38만년 이후 138억년에 걸쳐 확대되어 온 우주 마이크로파 배경복사라는 빛을 실마리로 관찰 가능한 우주를 말합니다. 이 138억광년이라는 거리 너머의 시공이 어쩌면 또 다른 우주의 시작일는지도 모릅니다. 그리고 시공이 평평하다고 한다면 모든 우주는 퍼즐과 같이 서로 인접한 곳에 끊임없이 연결되어 있을 수 있는 것입니다.
4. 우주는 계속 팽창하고 있다.
현재에도 우주는 팽창하고 있습니다. 하지만 20세기 초 사람들은 우주가 정적인 것이라 못 박았었습니다. 1915년 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표하고 에너지와 시공의 곡률간의 관계를 기술하는 중력장방정식도 발표되었습니다. 이 이론은 너무 난해해서 특별한 가설을 만들지 않으면 이해하기 힘들지만 일단 우주는 일정한 상수를 써서 시공을 계산할 수 있다고 보았습니다.
그리고 추후 프리드만이나 루멜트가 그 해를 내 놓았지만 모두 시간과 함께 우주가 팽창 또는 수축을 한다는 결론이었습니다. 1929년에는 허블이 머나먼 은하의 후퇴속도를 관측하고 거리가 먼 은하일수록 빠른 속도로 지구로부터 멀어지고 있다는 것을 발견했습니다. 즉, 허블은 실제로 우주가 팽창한다는 사실을 발견한 것입니다.
우주는 반경 약 470억광년의 커다란 원이라고 생각되기도 했지만 그것은 인정되지 못했습니다. 우주는 약 138억년 전에 탄생했다고 하는데 빛의 속도를 넘어선 속도로 팽창을 계속하고 있고 관측 가능한 우주는 지구를 중심으로 반경 약 470억광년의 범위라고 추정되고 있습니다. 이것도 그나마 빅뱅 이후에 진정된 영역이 이것이란 것이고 정확한 수치는 아닙니다.
5. 우주의 종말
우주의 종말에 대해서는 의견이 분분합니다. 영원하다고 주장하는 이들과 우주도 유한한 것이라고 주장하는 이들도 있습니다. 아인슈타인은, 우주에는 우리들 눈에 보이지 않는 많은 질량이 있으며, 빛 조차 벗어날 수 없는 초중력이 존재할 것이라 생각했습니다. 그것은 빛도 빨아들이는 눈에 보이지 않는 초중력 공간으로 그 힘이야 말로 우주를 파멸적인 종말로 이끄는 원인이 될 지도 모릅니다.
2003년 발표된 우주 종말 시나리오로 빅립이란 것이 있습니다. 항성과 은하부터 원자나 아원자입자에 이르기까지 우주의 모든 물질은 우주의 가속에 의해 미래의 어느 지점에서 산산조각이 날 것이란 가설이었습니다. 이론적으로는 우주의 측량은 유한한 시간 내에서 무한대가 될 수 있습니다. 이 가설은 우주의 다크에너지와 밀접한 관련을 맺습니다. 중요 인자는 상태방정식 파라메터 W로 이 값은 다크에너지의 압력과 에너지밀도의 비율입니다. W가 마이너스 1보다 작을 때 우주는 느슨해 집니다. 이와 같은 에너지를 팬텀에너지라 부르는데 우주에서 팬텀에너지가 우세하게 될 경우 우주는 가속도를 내며 팽창하게 됩니다. 하지만 이것은 관측 가능한 우주의 크기가 쪼그라듦을 의미하는 것이며 모든 점에서 광속으로 멀어져 가는 관측 가능한 우주의 끝까지의 거리는 보다 가까워 져야만 합니다.
관측 가능한 우주의 크기가 어느 특정구조보다 작아지면 모든 기초적인 상호작용 즉, 중력, 전자기력, 강한 힘, 약한 힘 등이 광속을 넘어서 버리기 때문에 게이지입자를 교환 할 수 없게 되며 이는 힘이 작용할 수 없는 상태에 빠지게 됩니다. 이런 상태에 이르면 우주의 구조는 박살이 나는 것입니다. 그리고 우주가 이 상태에 이르러 종말이 오기까지의 남은 시간을 계산해 보았더니 그 기간은 현재로부터 220억년 후라는 결과를 얻게 되었습니다.
우주 종말에는 빅크런치라는 이론도 있는데 부풀어 오른 풍선에서 바람이 빠지듯 우주가 서서히 중력에 의해 수축해 모든 물질이 불덩어리가 되어 끝을 맺는다는 가설입니다. 우주에는 바깥으로 미는 힘이 작용하고 있으며 또 그것도 언젠가 수축하게 되며 수축의 마지막 단계에서 그 상태가 불안정해지며 다시 원상태로 돌아가려는 힘이 작용하게 될 것입니다. 즉, 수축과 폭발에 의해 우주는 영원히 반복된다는 생각입니다. 하지만 플랭크 길이라고 불리는 미세한 길이도 충분히 줄어든 우주를 이론적으로 다루기 위해서는 일반상대성이론을 적용해 양자역학적 효과를 대입할 필요가 있습니다. 이 같은 이론을 양자중력이론이라고 하는데 아직 완벽하게 구축되지 않은 이론이어서 빅크런치가 일어나면 어떤 물리학적 사건이 일어나는지 기술하기에는 역부족입니다.
우리는 평소에 당장 내일이 어떻게 될지 모르는 상황에서 살아가지만, 과학에서는 이와 같은 흥미로운 상상을 하며 무한한 가능성을 만들어 내고 있다는 점이 재미있습니다.