어렸을 때, 맑은 밤하늘에 아름답게 반짝이는 별들을 보면서 참 신기하게 생각했었다. 별들은 떨어지지 않고, 어떻게 우주 공간에 떠 있을 수 있을까? 우주를 여행할 수 있으면 얼마나 신날까? 나이가 들면서 궁금증은 더욱 커졌다. 우주 천체는 언제, 어떻게 만들어 졌을까? 우주는 얼마나 클까? 다른 우주도 있을까? 우주는 최고 수준의 아름다움과 질서와 신비를 가지고 있는데, 이게 어떻게 가능할까?

NASA는 “우주가 얼마나 큰지를 누구도 알 수 없으며, 우리 우주가 유일한 우주인지도 확실히 모른다”고 했다. 또한 별의 형성도 천체물리학에서 풀 수 없는 가장 근본적인 문제 중의 하나이다. 워드-톰슨(Ward-Thompson) 박사는 “별의 형성은 천체물리학의 가장 근본적인 문제 중의 하나이다…현재 어떤 모델도 모든 관찰되는 현상을 재현할 수 없다”고 <사이언스>지에 발표했다(Science 295 (2002) 76-81).

천체과학자들은 우주에는 천억 개 이상의 은하계가 있으며, 각 은하계 마다 천억 개 이상의 별들이 있다고 추정한다. 은하계에 우리 태양계가 있고, 태양계에는 각각 다른 속도로 자전하는 8개의 행성들이 태양 주위를 공전하면서 최고 수준의 질서를 유지하고 있다. 이런 태양계가 어떻게 존재하게 되었을까? 태양계의 기원에 대해서, 태양 주위를 돌고 있는 행성들과 행성들 주위를 돌고 있는 위성들의 기원에 대하여도 과학적으로 명확하게 밝혀진 것이 없다. 거대한 양의 가스와 먼지가 수축되어 만들어 졌다는 ‘성운설’을 비롯한 다양한 이론들만 있을 뿐이다.

▲ 빅뱅우주론 모형> 출처: 통합과학(m.post.naver.com     © 한윤봉

학교에서는 과학시간에 대폭발(Big Bang)로 인해 우주가 만들어졌다는 ‘빅뱅우주론’을 가르치고 있다. 빅뱅우주론은 ‘우주에 존재하는 모든 에너지와 물질이 작은 특이점(singularity)’ 안에 갇혀 있다가 약 138억 년 전에 갑자기 대폭발했으며, 오늘날의 우주 천체로 진화되었다‘고 주장한다. 우주는 팽창하고 있기 때문에 아인슈타인의 상대성 이론을 적용하여 거꾸로 돌리면 우주의 모든 에너지와 물질이 아주 작은 점(특이점)에 갇혀 있게 된다는 가정을 바탕으로 유도된 것이 빅뱅우주론이다. 과연 대폭발을 통해서 천문학적으로 오랜 시간이 주어지면, 최고 수준의 아름다움과 질서와 신비를 가진 우주 천체가 만들어질 수 있을까?

우주에 대한 관측결과는 우주 전체의 에너지가 균일하게 분포된 것처럼 보이며(지평선 문제), 우주가 상상을 초월할 정도로 미세하게 조정되어 있다는 점(편평도 문제)이다. 이 두 가지 문제 때문에 표준 빅뱅우주론은 오늘날의 우주를 설명할 수 없다는 문제에 봉착하게 되었다. 이런 문제를 해결하기 위하여 알랜 구스(Alan Guth)는 폭발하자마자 상상할 수 없을 정도로 짧은 시간에 급팽창했다는 이론을 주장하였다. 이것은 우주의 크기가 폭발 직후에 빛의 속도(초속 30만 km)보다 수십억 배 빠른 속도로 팽창하여, 직경 1미터의 공간이 순간적으로 100억 광년 크기로 팽창하였다는 가설이다.

그러나 오늘날 천체 물리학자들이 풀지 못하고 있는 문제들이 있다. 빅뱅에 필요한 에너지는 어떻게 존재하게 되었으며, 왜 폭발하였을까? 폭발 후에 우주의 최고 수준의 질서를 유지하는 미세 조정이 우연히 저절로 가능할까? 은하계를 구성하고 있는 물질 중에는 정체를 알 수 없는 물질(즉, 암흑 물질)이 약 80%이며, 암흑 물질의 존재를 인정하지 않으면 은하와 별들의 운동을 설명할 수 없는데, 암흑물질은 도대체 무엇인가? 또 한 가지 심각한 문제는 우주의 팽창 속도가 점점 빨라지고 있는데, 우주의 가속 팽창을 일으키는 정체불명의 에너지(즉, 암흑 에너지)는 도대체 무엇인가?

학교에서는 빅뱅우주론이 마치 유일한 우주 기원론인 것처럼 가르쳐지고 있다. 그러나 오늘 날 많은 천체물리학자들에 의해 빅뱅 우주론의 오류가 점차 밝혀지고 있으며, 현재는 다중우주론, 끈장이론, 변하는 광속이론, 진동우주론 등 다양한 우주 기원론이 연구되고 있다.