[밤하늘의 물리학] Chapter 2. 정적인 우주와 동적인 우주

hunhani (65)in #kr • 7 years ago (edited)

안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

오늘은 정적인 우주와 동적인 우주에 대해 살펴보겠습니다. @oldstone 님께 천체물리학을 쉽게 설명해주는 글을 부탁받았습니다. @oldstone 님께 이번 시리즈를 헌정합니다.

대문을 제작해주신 @leesol 님께 감사드립니다.

정적인 우주

우주는 크기가 변하지 않고 항상 같은 모습으로 존재한다는 우주관입니다. 우주에 있는 모든 물체에는 중력이 작용하여 서로 당기고 있죠. 이런 당기는 힘 때문에 우주는 수축하고 말텐데 실제로는 그렇지 않습니다. 때문에 정적인 우주론에서는 중력에 의한 수축을 막는 어떤 힘이 있다고 가정하는데요. 정적인 우주관을 지지한 대표적인 과학자가 바로 뉴턴과 아인슈타인입니다. 특히 아인슈타인 방정식의 해로 정적인 우주를 나타내기 때문에 정적인 우주를 다른 말로 아인슈타인 우주라고도 부른답니다.

뉴턴: 우주는 무한하고 균질하기 때문에 중력이 작용하더라도 수축하지 않고 정지해 있다고 주장했습니다.
아인슈타인: 중력에 반대되는 힘인 우주 상수를 도입하여 우주가 팽창하거나 수축하지 않고 같은 모습을 유지하며, 중력에 의한 수축을 막는 어떤 힘이 존재한다는 주장을 펼쳤습니다.

우주 상수?

우주가 무한하고 영원하다는 믿음을 갖고 있던 아인슈타인은 정적인 우주를 뒷받침하기 위해 자신의 방정식에 우주 상수라는 항을 삽입했는데요. 우주 상수는 우주가 중력에 의해 수축되는 것을 막는 힘으로 중력과 반대 방향으로 작용하는데, 행성의 운동과 같은 국부적인 현상에는 거의 영향을 주지 않지만 우주론적인 광대한 거리에서는 매우 큰 영향을 줍니다. 양의 우주 상수는 음의 압력을 가지는데, 이는 일종의 척력 역할을 하죠. 따라서 물질의 질량에 인한 인력과 우주 상수로 인한 척력이 서로 경쟁하게 됩니다. 1917년 아인슈타인은 중력에 의한 인력과 척력이 균형을 이루도록 우주상수의 값을 적절히 선택함으로써 정적인 우주 모형을 발표했습니다. 그러나 1929년 우주가 팽창한다는 사실이 밝혀지고 1930년 아서 에딩턴이 아인슈타인 정적 우주는 일반적으로 불안정하다는 사실을 증명하였습니다. 아인슈타인은 1931년에 들어서야 우주 상수를 도입한 것은 자신의 실수라고 인정하고 철회했습니다. 그러나 최근에는 우주 상수에 해당하는 물리적인 힘이 존재할지도 모른다고 여겨지고 있어서 귀추가 주목되네요. 허블이 허블의 법칙을 발표한 뒤, 정적 우주 모형은 대폭발 이론으로 대체되었습니다.

동적인 우주

우주가 수축하거나 팽창할 수 있다는 우주관입니다. 현재의 우주는 팽창하거나 수축하고 있는 상태의 한 순간이라는 것입니다. 허블의 발견에 의해 우주가 팽창하고 있음이 완벽하게 입증되었습니다. 동적인 우주관을 지지한 대표적인 과학자는 프리드만과 르메트르입니다.

프리드만: 동적인 우주를 최초로 주장한 과학자입니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 수학적으로 계산하여 우주가 팽창하고 있을 수도 있다고 주장하였습니다. 열린 우주, 평평한 우주, 닫힌 우주와 같이 우주의 밀도에 따라 우주의 모양을 구분하는 기준을 제시하였습니다. 그러나 우주가 팽창한다는 증거를 완벽하게 제시하지 못했습니다.
르메트르: 처음에는 우주의 모든 물질이 하나로 모여 있었고, 이 상태가 갑자기 붕괴하면서 우주의 모든 물질을 만들고 우주가 팽창한다고 주장하였습니다.