제1부. 공간과 시간 (Space and Time)
V1.1 균일한 우주(The Homogeneous Universe) 동영상/영문자막/한글자막
[00:00] 브라이언: 우주론 강좌에 오신것을 환영 합니다. 우리는 말 그대로 우주의 크기에 관해 논의해보려고 합니다. 당신이 생각한 크기는 얼마죠?
[00:11] 폴: 먼저 두개의 기초적인 관측과 원칙을 살펴보는 것으로 시작하죠. 그 원칙은 오늘 우리가 가진 우주론을 실제로 확신시킨 토대가 되어 줬습니다. 첫째는 균일(uniformity) 혹은 단일(homogeneity)의 원칙입니다. 말하자면 기본적으로 우주는 어디를 봐도 같다는 겁니다. 두번째는 다음 동영상 강좌에도 나오겠지만 우주 팽창의 원칙 입니다. 이 팽창의 증거는 적색편이와 거리 측정에서 나왔죠. 이번 동영상 강좌에서는 우리가 때때로 확장 코페르니쿠스(지구중심설의 오류를 지적함) 원칙이라고 부르는, 우주의 어느 한조각도 동일하다는 그 원칙 말이죠. 그 어느 곳도 특별하지 않아요. 역사 속에서 살펴보죠. 역사적으로 사람들은 항상 우리가 사는 곳이 특별하다고 생각했습니다. 내가 사는 마을이 우주의 중심이라고 생각 했죠. 마침내 사람들이 더 넓은 곳으로 탐사를 나가서야 그 생각은 타당치 않다는 것을 깨닳았습니다. 그리고는 그들의 나라가 우주의 중심이라고 생각 했죠. 그런 후에는 지구가 중심이라고 생각 했어요. 그리고 태양계가 우주의 중심이라고 생각 했죠. 시간이 점점 흘러 우리는 우리가 사는 곳이 특별 하다는 생각은 틀렸다는 것이 증명 되었습니다.
[01:01] 브라이언: 그러니까 당신은 우리는 특별한 장소에 있는 것이 아니라는 거죠. 하지만 당신이나 나나 모두 우리는 아주 특별한 존재란걸 알잖아요. 그리고 당신도 알다시피 이 장소도 우리에겐 아주 특별해요. 우주 안에서 평범한 장소라는 것은 없다고 단언 할 수 있어요. 우주의 평균 장소란 차갑고 빈 공간 덩어리가 된다는 뜻인데요.(우주 공간 하면 떠오르는 이미지)
[01:19] 폴: 맞아요. 우주는 다 똑같다는 원칙은 아주 생뚱맞아 보이네요. 주변 어디를 봐도 그런 곳은 없으니까요. 그리고 여기 이사진을 봐요. 100킬로미터 높은 곳 보다 밀도가 10의 20승보다 훨씬 더 높은걸요. (* 지상의 밀도는 부피당 아보가드로 수 만큼의 분자가 있다. 100키로 상공부터 대기권 밖 우주공간 이라고 함.) 확실히 같지 않잖아요.
[01:34] 브라이언: 좋습니다. 우리 주변은 같은 곳은 없죠. 그럼 조금만 더 나가서 조금 더 생각해 봅시다.
[01:40] 폴: 그러니까 좁은 규모에서 저마다 가지고 있던 독창성이 아주 큰 규모로 가면 없어진다는 거죠. 그럼 하나 물어볼께요. 얼나마 크게봐야 하죠? 그렇다면 별의 규모면 충분히 크다고 봐줄만 하겠죠. 여기 밤 하늘을 보세요. 당신도 봤다 시피 모든 방향에 별들이 보여요. 그러니까 아마 우주는 그냥 별들로 가득 하군요. 전역에 걸쳐 별들이 균일하게 분포 되었을 겁니다.
[01:53] 브라이언: 하지만 이미 균등하지 않은 걸요? 보세요. 여기 은하수를 봐요. 망원경으로 들여다보면 아마 수십억개의 별들이 여기 자그마한 조각안에 몰려있죠. 그러니까 아닌게 확실한데
[02:04] 폴: 네.
[02:04] 브라이언: 균일 하지 않다구요. 여기는 또 다르군요.
[02:06] 폴: 아 네. 그러니까 그게 균일함의 첫번째 오류군요. 별들은 우주 전역에 퍼져있지 않아요. 별들은 은하라고 부르는 군집을 이루고 있죠.
[02:12] 브라이언: 맞습니다.
[02:13] 폴: 은하는 보통 약 10의 11승 개 만큼의 별이 모여있죠. 맞아요. 균등하다는 것은 틀렸어요.
[02:18] 브라이언: 그리고 우리랑 별개인 이 은하는 떨어져 있다는 것을 알고 있죠. 그리고 근처에 정말로 아무것도 없어요. 그리고 또다른 것도 있죠. 그 모두는 독립되어 있습니다. 그러니까 다시말해...
[02:27] 폴: 그럼 균등하다는 의미가 아마 우주가 은하 전반에 퍼져 있다는 뜻이겠네요.
[02:31] 브라이언: 아, 그럼 당신은 은하의 분포가 균등하다고 생각 하는 거죠?
[02:33] 폴: 별들이 은하에 집중되어 있긴 해도 은하는 전반적으로 균등하게 퍼져 있을 겁니다.
[02:37] 브라이언: 그럼 우리 근처의 은하들의 지도를 살펴봅시다.
[참조]------------------------------------------------------
Atlas of the Universe
* 태양을 중심으로 그려본 우주 지도, http://www.atlasoftheuniverse.com/
* 우리주변의 거대 집단, http://www.atlasoftheuniverse.com/nearsc.html
[02:39] 폴: 네. 우리를 중심으로 놓고(3차원 지도를 그려놓은 겁니다), 우리가 지역 집단에 있습니다. 이 집단에 두개의 커다란 은하와 작은 은하들 수십개로 구성되죠. 그리고 주변에 소규모 집단이 있습니다. 그럼 약간 옆으로 가서 처녀자리 은하단부터 시작 합시다. 은하단(galaxy cluster)에는 엄청난 수의 은하들이 모여 있죠. 그러고 보니 확실히 은하들이 균등하게 퍼져있는 않군요. 은하들이 떼지어 집단을 이루고 있어요.
* 처녀자리 은하단(the Virgo Cluster), http://www.atlasoftheuniverse.com/virgo.html
[02:55] 브라이언: 그럼 우리는 이 대집단지의 외곽에 있어요. 그러니까 우리은하는 처녀자리 은하단의 변두리에 있는 셈이죠.
[03:00] 폴: 아 그렇네요.
[03:00] 브라이언: 그리고 우리는 우주에서도 특별한 장소에 있습니다. 우리는 은하단의 끄트머리에 있죠. 하지만 그래도 아무것도 없네요. 맞죠? 이 위를 보죠. 거기는 거의 비었군요.그러니까...
[03:08] 폴: 네. 제 말은 은하단은 어때요? 은하단은 균등하게 퍼져 있을까요? 글쎄요, 그렇지 않아요. 은하단이 그저 줄지어 있군요. 여기 좀더 큰 그림을 봐요. 여기 처녀자리 은하단이구요, 쎈토러스(Centaurus)자리를 찾았네요. 히드라-쎈토러스(Hydra-Centaurus)은하단 입니다. 그리고 또 다른 은하단들이 있어요. 이제 은하단으로 이뤄진 초거대 집단이라고 합니다. 초거대 은하단들이 줄지어 있죠. 마치 끈(string)이나 거미줄(filament) 같아요.
[03:24] 브라이언: 은하단 열의 주변을 다시봐도 여전히 균등하다고 보기 어려워요. 좋습니다.
[03:31] 폴: 네? 살펴보기 시작부터 잘못된 계획을 짰나봐요. 더 큰 규모로 봐도 이렇네요. 그럼 아주 더큰 지도를 봐요. 2dF 은하 적색편이 탐사(2dF Galaxy Redshift Survey)로 작성된 겁니다. 거기에 그려진 것을 보면, 우리의 위치는 여기구요. 전 하늘에 걸쳐 모든 은하들의 거리를 측정(측광 적색편이로 계산)해 놨는데 약 20만개의 은하들이 찍혀 있습니다. 그리고 여기 파란 점이 모두 은하예요. 여기 보이죠.
* 2dF Galaxy Redshift Survey, http://www.2dfgrs.net/
[03:51] 브라이언: 그러고보니 카푸치노에 뜬 거품 같아 보이네요. 여기 작은 덩어리와 방울 같은게 보여요. 그런데 아주 멀리 떨어져서 카푸치노를 봤을 때 처음에는 무엇처럼 보였을까요. 커피를 휘젖지 않았다면 아마 하얗게 보였겠죠. 이것은 일종의 그렇게 보이기 시작하는 암시 같은 겁니다.
[04:12] 폴: 네. 그러니까 앞서 봤던 규모에서는 뭔가 개체들을 찾았던 것이고 그 개체들이 떼를 지었죠. 그러니까 은하안에 있는 별들이 떼지어 있는 모습을 본 것이겠지요?
[04:17] 브라이언: 아 네.
[04:17] 폴: 은하의 떼, 초거대 은하단의 떼, 하지만 초 은하단은 보다 큰, 뭐라고 불러야 할지 모르겠지만 극초 은하단을 형성하는 것 같지는 않군요.
* 크기의 확장:
지구(Planet, 반경 6,370km)
태양계(Solar System, 1AU=1억 5천만 km)
성단(Star Cluster, 허큘리스 대성단 크기 75 광년, 거리 2만2천 광년)
은하(Galaxy, 우리은하 반경 2만 5천 광년)
은하단(Galaxy Clusters, 처녀자리 은하단 규모 5천 3백만 광년)
초 은하단(Super Clusters)
극초 은하단(Hyper Clusters)
[04:24] 브라이언: 우리가 일대일 단위에서 지금은 5억광년 규모까지 왔군요. 정말 큰 규모에 이르럿네요.
[04:29] 폴: 맞아요. 제 말은 우리는 1억광년을 가로 질렀어도 덩어리가 보였습니다. 덩어리가 여기에도 저기에도 또 저기에서도 발견되네요. 그리고 줄지어 있는 것 같지는 않네요. 아직 더 큰 규모로 늘려볼 수 있어요. 은하 탐사와 나란한 관측으로 퀘이사 탐사(Quasar Survey)가 있습니다. 퀘이사는 아주 밝고 매우 멀리 떨어져 있죠. 거리규모를 1백억광년 단위로 늘려보죠. 한번 쭉 살펴보죠. 어떤 모양을 발견 할 수 있죠.
[04:52] 브라이언: 맞아요. 정말 거의 스폰지 같기도 하고 거미줄 같기도 하네요. 뭐랄까...
[04:57] 폴: 맞아요. 다시보면 대략 균등해 보이죠. 끝에 가면서 좀 희미해 집니다. 그건 멀리있는 것들이 안보여서 그런 겁니다.
[05:01] 브라이언: 좋습니다.
[05:02] 폴: 자 이제 퀘이사(QSO, Quasi-Stellar Object)를 보면
[05:05] 브라이언: 아. 그것은 참 평범(boring) 하군요. 이건 당신의 작품인가봐요. 평범(특이한 모양없이 균일함)합니다. 하지만 이해할 수 없어요. 참 아무렇게(random,특정한 모양을 생각하지 않음) 점찍은 것 같아요. 그런데 우리는 특별 한데요. 우리 근처에는 왜 퀘이사가 없죠?
[05:19] 폴: 네. 퀘이사가 우리랑 친하지 않은가봐요. 저멀리 120억, 130억 광년까지 멀리 봅시다. 하늘의 모든 방향에서 아주 골고루 퍼져있죠. 그런데 우리 주변은 빈구멍이 있는 것 처럼 보입니다. 퀘이사가 우리를 피해가고 있죠.
그리고 저쪽 끝도 있어요. 어쨌든 우리가 아주 특별한 곳에 위치하는지도 모르죠. 그러니까 퀘이사가 싫어하는 장소 같은거요. 하지만 우리가 보는 이곳은 시간의 효과(an effect of time)에 가깝습니다. 왜냐면, 잘 생각해 보세요, 우리가 저쪽에 있는 퀘이사를 보고 있다면 그것은 지금의 모습을 보는게 아닙니다. 과거의 모습인데, 이 경우에는 6십억년 전의 모습을 보는 겁니다. 왜냐면 빛이 우리에게 도착할 때까지 6십억년이 걸렸기 때문이죠. 그러니까 이것이 실제로 우리에게 얘기해주는 것은 이쪽 끝에서는 지금 당장의 모습을 보지 못합니다.
[05:53] 빅뱅이 일어났던 때로 거슬러 가도 비어 있는데 그것(퀘이사)들이 형성될 시간이 않됐기 때문입니다.
[05:57] 그리고 나서 퀘이사들의 전성기가 있었고 거대 블랙홀들이 은하들의 중심을 빨이들이자 미친듯이 빛을 내게된 겁니다. 하지만 좀더 최근에 블랙홀 들은 여전히 거기에 존재하고 그 주변의 것들을 빨아들여 왔습니다. 점점 커져서 그들은...
[06:07] 브라이언: 오 그러니까...
[06:07] 폴: 빛내기 중지된 겁니다.
[06:08] 브라이언: 퀘이사의 시대가 있었군요. 마치 공룡의 시대 같은 거죠. 이유는 확실히 모르지만 그 (퀘이사의 전성)시대가 사라졌어요. 그래서 우리가 공간이 아니라 시간 상으로 특별한 위치에 놓였다는 거군요.
[06:21] 폴: 하지만 이상한 것이, 만일 우리가 실제로 저기있는 그 은하에 살았다면
[06:24] 브라이언: 넵
[06:24] 폴: (지금과)같은 것을 봤을 겁니다.
[06:25] 우리 주변에 분명한 구멍을 봤겠죠. 왜냐면 우리가 이미... 최근 우리 근처의 것들을 보는... (뭔가 밝혀지지 않은 사실이 있음) 그리고 그 근처에 퀘이사가 많지 않았습니다. 우리는 이쪽에서 퀘이사를 많이 봤어요. 그래서 다시한번, 특별한 시간 같아보이네요. 하지만 우주에서 한 장소는 아마 매우 다른 곳과 유사 합니다.
[06:40] 브라이언: 그렇게 생각하면 편하겠네요. (That's convenient.)
* 우주론을 다룰 때 풀리지 않거나 모순이 나타나면 '편하게' 생각하고 누군가 어디선가 풀 때를 기다린다.
[06:41] 폴: 그렇죠. (우주가 균일하다는 점은) 우주론에서 아주 강력한 제한조건으로 밝혀 졌어요. 그런 생각은, 이전의 이론과는 정 반대되는데 우리가 우주의 중심이라는, 한가지 유일한 예외는 우리가 중심에 있지 않다는 것이죠.. 하지만 그 어디에도 중심은 아니예요. 모든 장소, 아주 같은 것을 봅니다. 일단 당신이 십억 광년의 규모로 봐야 하죠. 그렇습니다. 은하단과 1억광년 정도 작은 규모의 일이 있어요. 하지만 수억광년에 도달하면 이것들이 아주 균등하게 됩니다.
* 그나저나.... 무엇을 설명 하기 위해 우주의 거시적인 모습이 균일해야 한다고 해야할까? 무려 수십억 광년의 규모를 내세우면서 까지 무리를 하는걸까?
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