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KISTI 과학향기 제1737호

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우주는 어떤 모양으로 생겼을까?

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우주의 모양은 무엇일까요? 우리는 우주에 대해 생각할 때 어떤 일이 일어나는 빈 공간이라고 생각하곤 합니다. 물건이 채워질 준비가 된 창고나, 우주 법칙이 작용하는 연극 무대처럼 말이죠.

그런데 '일반상대성'이론은 우주를 그냥 비어있는 공간이 아니라 물리적으로 동적인 것이라고 예측했고, 이런 예상은 아주 아주 많은 실험을 통해 실체화됐죠. 공간은 물체와 에너지에 의해 구부러 질 수 있고 공간 안을 움직이는 물체의 경로도 구부러트립니다.

공간은 중력파에 의해 물결칠 수도 있고 확장해서 두 물체 사이에 더 많은 공간을 만들수도 있죠. 이런 모든 현상은 하나의 아이디어로 표현될 수 있습니다: 우주의 곡률 (혹은 시공간) 시공간이 평평한 곳에서는 (마치 에너지나 물체가 주변에 없는 것처럼) 서로 평행을 달리는 물체들은 계속 평행한 경로를 따라갑니다. 양의 곡률을 가지는 시공간에서는 (주변에 행성이나 블랙홀이 있을 때) 평행한 경로는 서로 만나고 음의 곡률을 가지는 시공간은 평행한 경로 (심지어 서로 바라보는 경로로 가는 경우에도) 멀어집니다.

하지만 우주 전체를 놓고 보면 어떨까요? 만약 우주가 모든 곳에서 양의 곡률을 가진다면
그러면 단 한 가지 모양만 가능합니다: 아주 거대한 초-감자 모양이죠.

만약 여러분이 한 방향으로만 충분한 시간을 간다면 결국에는 처음 시작한 곳에 다시 도착하게 될 것입니다. 만약 우주가 모든 곳이 평평하다면, 우주의 모양은 간단해질 것입니다. 무한대로 늘어나거나, 일정 주기를 두고 고리처럼 돌 수 있죠. 마치 어떤 게임처럼요. 그리고 만약 우주가 모든 곳에서 음의 곡률을 가진다면, 스포츠는 불가능해질 거예요. 그래서 어떤 것일까요?

기본적으로 우주의 곡률을 재는 대규모 측정 방법이 두 가지 있는데 하나는 삼각형의 내각을 측정하는 것입니다. 만약 우주가 평평하다면, 내각의 총합은 180도가 됩니다.근데 만약 우주가 구부러져 있다면, 삼각형 내각의 합은 180도보다 크거나 작을 수 있습니다. 어떻게 우주가 구부러져있냐에 따라서요. 우주를 연구하는 과학자들은 우주에서 삼각형 각도가 어떻게 구성되는지 알아냈는데 초창기 우주의 사진을 보고, 사진에서 점 사이에 어떻게 공간이 이루어져있는지 알아냈습니다.

곡률을 재는 두번째 방법은 공간을 구부러트릴 수 있는 것을 측정하는 것입니다. 우주 전체에 퍼져있는 에너지와 물질의 밀도를 측정하는 것이죠. 이것 또한 과학자들이 측정했습니다. 두 연구에 의해 우주는 꽤 많이 평평하다는 것을 알 수 있었습니다. 단지 0.4%의 오차를 가지구요.

여러분들이 우리가 멋진 초-거대 감자 모양의 우주에서 살지 않는 다는 사실에 실망하시기 전에 제가 한가지 큰 문제점을 말씀드리죠. 우리가 평평한 우주에 산다는 사실은 아주 엄청난 우주 레벨의 우연인 것처럼 보인다는 것이죠만약 우주가 아주 약간이라도 물질이나 에너지가 더 가지고 있다면 우주는 한 방향으로 구부러 질 것입니다. (양의 곡률) 그리고 만약에 우주에 아주 조금 물질과 에너지가 적었다면, 우주는 다른 방향으로 구부러 질 것입니다. (음의 곡률)

그런데 우리는 우주가 완벽하게 평평할 수 있는 만큼의 물질과 에너지를 가지고 있는 것 같습니다. 우리가 구별할 수 있는 정도에 한해서는 말이죠. 이와 같은 완벽한 양은 평균적으로 1세제곱 미터 공간에 다섯 개의 수소 원자가 있는 것과 같습니다.

이런 큰 공간에 여기 모아놓은 원자들만이 구성하고 있습니다. 만약에 1세제곱미터 공간에 평균적으로 6개의 수소 원자가 있거나 4개면 우주 전체는 훨씬 많이 구부러 지거나 훨씬 적게 구부러 지게 됩니다. 그리고 우리는 지금까지 왜 우리가 살고있는 우주가 이만큼의 물질, 에너지, 밀도를 가지는지 모릅니다. 우주의 곡률에 관해서는, 우리의 지식은 아직 부족합니다.
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우주의 모양은 무엇일까요? 우리는 우주에 대해 생각할 때 어떤 일이 일어나는 빈 공간이라고 생각하곤 합니다. 물건이 채워질 준비가 된 창고나, 우주 법칙이 작용하는 연극 무대처럼 말이죠.

그런데 '일반상대성'이론은 우주를 그냥 비어있는 공간이 아니라 물리적으로 동적인 것이라고 예측했고, 이런 예상은 아주 아주 많은 실험을 통해 실체화됐죠. 공간은 물체와 에너지에 의해 구부러 질 수 있고 공간 안을 움직이는 물체의 경로도 구부러트립니다.

공간은 중력파에 의해 물결칠 수도 있고 확장해서 두 물체 사이에 더 많은 공간을 만들수도 있죠. 이런 모든 현상은 하나의 아이디어로 표현될 수 있습니다: 우주의 곡률 (혹은 시공간) 시공간이 평평한 곳에서는 (마치 에너지나 물체가 주변에 없는 것처럼) 서로 평행을 달리는 물체들은 계속 평행한 경로를 따라갑니다. 양의 곡률을 가지는 시공간에서는 (주변에 행성이나 블랙홀이 있을 때) 평행한 경로는 서로 만나고 음의 곡률을 가지는 시공간은 평행한 경로 (심지어 서로 바라보는 경로로 가는 경우에도) 멀어집니다.

하지만 우주 전체를 놓고 보면 어떨까요? 만약 우주가 모든 곳에서 양의 곡률을 가진다면
그러면 단 한 가지 모양만 가능합니다: 아주 거대한 초-감자 모양이죠.

만약 여러분이 한 방향으로만 충분한 시간을 간다면 결국에는 처음 시작한 곳에 다시 도착하게 될 것입니다. 만약 우주가 모든 곳이 평평하다면, 우주의 모양은 간단해질 것입니다. 무한대로 늘어나거나, 일정 주기를 두고 고리처럼 돌 수 있죠. 마치 어떤 게임처럼요. 그리고 만약 우주가 모든 곳에서 음의 곡률을 가진다면, 스포츠는 불가능해질 거예요. 그래서 어떤 것일까요?

기본적으로 우주의 곡률을 재는 대규모 측정 방법이 두 가지 있는데 하나는 삼각형의 내각을 측정하는 것입니다. 만약 우주가 평평하다면, 내각의 총합은 180도가 됩니다.근데 만약 우주가 구부러져 있다면, 삼각형 내각의 합은 180도보다 크거나 작을 수 있습니다. 어떻게 우주가 구부러져있냐에 따라서요. 우주를 연구하는 과학자들은 우주에서 삼각형 각도가 어떻게 구성되는지 알아냈는데 초창기 우주의 사진을 보고, 사진에서 점 사이에 어떻게 공간이 이루어져있는지 알아냈습니다.

곡률을 재는 두번째 방법은 공간을 구부러트릴 수 있는 것을 측정하는 것입니다. 우주 전체에 퍼져있는 에너지와 물질의 밀도를 측정하는 것이죠. 이것 또한 과학자들이 측정했습니다. 두 연구에 의해 우주는 꽤 많이 평평하다는 것을 알 수 있었습니다. 단지 0.4%의 오차를 가지구요.

여러분들이 우리가 멋진 초-거대 감자 모양의 우주에서 살지 않는 다는 사실에 실망하시기 전에 제가 한가지 큰 문제점을 말씀드리죠. 우리가 평평한 우주에 산다는 사실은 아주 엄청난 우주 레벨의 우연인 것처럼 보인다는 것이죠만약 우주가 아주 약간이라도 물질이나 에너지가 더 가지고 있다면 우주는 한 방향으로 구부러 질 것입니다. (양의 곡률) 그리고 만약에 우주에 아주 조금 물질과 에너지가 적었다면, 우주는 다른 방향으로 구부러 질 것입니다. (음의 곡률)

그런데 우리는 우주가 완벽하게 평평할 수 있는 만큼의 물질과 에너지를 가지고 있는 것 같습니다. 우리가 구별할 수 있는 정도에 한해서는 말이죠. 이와 같은 완벽한 양은 평균적으로 1세제곱 미터 공간에 다섯 개의 수소 원자가 있는 것과 같습니다.

이런 큰 공간에 여기 모아놓은 원자들만이 구성하고 있습니다. 만약에 1세제곱미터 공간에 평균적으로 6개의 수소 원자가 있거나 4개면 우주 전체는 훨씬 많이 구부러 지거나 훨씬 적게 구부러 지게 됩니다. 그리고 우리는 지금까지 왜 우리가 살고있는 우주가 이만큼의 물질, 에너지, 밀도를 가지는지 모릅니다. 우주의 곡률에 관해서는, 우리의 지식은 아직 부족합니다.
번역자: 신승헌
영상: MINUTEPHYSICS
출처: https://www.youtube.com/watch?v=oCK5oGmRtxQ
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