1. 기본적인 전제 조건
'우주는 약 130억년전 빅뱅으로 부터 생성되어 계속해서 팽창하고 있다.' 이것이 전제조건입니다.
2. 우주는 '무엇으로' 팽창하고 있는가?
그런데 우주는 그 정의가 '존재하는 모든 것' 이죠. 그러한 우주가 팽창하고 있다는 것은 무엇인가로 팽창하고 있다는 이야깁니다. 그런데 모든 것인 우주가 어떻게 어딘가로 팽창할 수 있을까요?
3. 팽창하고 있다는 사실은 어떻게 아는가?
위의 질문을 답하기 전에 팽창하고 있다는 사실을 어떻게 아는지 부터 말씀드리겠습니다.
빛도 하나의 파장 입니다. (물론 이중성이 있습니다. 빛은 입자 즉 광자로서의 성질을 지니고 또한 파장으로서의 성질을 지닙니다. 다만 여기서는 광자로서의 성질보다는 파장으로서의 성질이 더 중요하기 때문에 파장이라고 한정적으로 해석하겠습니다.)
파장은 도플러 효과(Doppler effect)에 영향을 받는데 특히 파장이 길어지게 되면 적색편이(redshift)가 일어나게 됩니다.
그 중 특히 우리에게서 멀어지고 있는 물체 중 충분히 먼 물체 (몇 십만 광년 떨어진 물체)로부터는 항상 적색편이가 일어난다는 것을 관찰했습니다. 이를 우주론적 적색편이(cosmological redshift)라고 하며, 이것이 현재 우주가 팽창하고 있다는 주장에 대한 근거입니다.
4. 빛보다 빠르게 움직이는 물체
적색편이가 얼마나 일어나고 있는가를 나타내는 값은 z 입니다. 그리고 z가 약 1.4라는 것은 빛을 낸 물체가 우리한테서 빛의 속도로 멀어지고 있음을 뜻합니다. 그런데 z가 약 8인 적색편이도 우리는 관찰하고 있죠. 즉 어떠한 물체들은 우리에게서 빛보다 빠른 속도로 멀어지고 있음을 우리는 관찰하고 있습니다. 어떻게 빛보다 빠르게 멀어지는 물체에서 나온 빛을 우리는 볼 수 있는 것일까요? 그것은 그 물체가 빛보다 빨라지기 전에, 그 물체로부터 나온 빛이 우리에게 도착하고 있기 때문입니다. 이러한 물체가 우리보다 빛보다 빠른 속도로 멀어지기 전 시점까지 그 물체로부터 나온 빛이 우리에게 도달할 것이며, 이러한 물체는 점차적으로 희미해지다가 관찰이 불가능해지게 됩니다.
5. 우주의 끝
팽창하는 우주를 하나의 밀가루반죽이라고 생각하고 은하계 하나 하나를 거기에 박혀있는 건포도라고 생각했을 때 반죽을 굽기 시작하여 반죽이 고르게 퍼지기 시작하면, 모든 건포도들이 서로에게서 멀어지기 시작합니다. 건포와 건포도 사이의 공간 그 자체가 늘어지게 되는 것인데요. 우주도 이러한 방식으로 팽창하고 있다고 생각되고 있으며, 서로 먼 물체이면 물체일수록 더 빠르게 서로 멀어지게 됩니다.
그리고 그 속도가 빛보다 더 빨라질 수 있음을 우리는 확인 할 수 있죠. 어느 이상 거리에 있는 물체는 따라서 우리는 관찰할 수 있는 방법이 없습니다. 그들로부터 나온 빛이 우리에게 영원히 도달할 수 없기 때문입니다. 즉 우리는 우주의 끝을 관찰할 수 없습니다.
6. Seeing is believing but what if you can not see...?
우리는 우주의 끝이 있는지 알 수 있는 방법이 없습니다. 따라서 우주가 무한한지 유한한지 정확하게 결정을 내릴 수가 없죠.
6-1. 무한한 우주라면?
이제 처음의 질문으로 돌아가 보겠습니다. 만약에 우주가 무한하다면, 팽창은 일어나고 있지만 끝이 없기 때문에 어디로 팽창하고 있느냐는 의미가 없는 질문이게 됩니다. 예를 들어서 설명해보겠습니다.
1.2.3.4.5.6.7...무한대인 수열에 각 항에 2를 곱해주게 되면
2.4.6.8.10.12.14...무한대이게 되면서
각 항마다의 거리가 커지게되며, 원래 차이가 컸던 항일 수록 (1-2, 1-3 --> 2-4, 2-6)더 빠르게 그 차이가 커지게 됩니다.
이렇게 공간 그 자체가 늘어나게 되면서 항 즉 은하계 간의 거리는 벌어질 수 있지만, 무한대에 2를 곱해도 무한대일 뿐 무한대 그 자체에는 아무런 변함이 없고 끝은 존재하지 않기 때문에, 팽창의 경계면에 대한 질문은 의미가 없습니다.
6-2. 유한한 우주라면?
그런데 만약에 유한한 우주라면? 여전히 그래도 어떠한 것이 물질이라는 것은 그것이 질량과 부피를 지니고 있다는 것이기 때문에 공간 그 자체인 우주를 벗어나 존재한다는 것은 불가능합니다. 또한 앞서 말씀드렸다시피 우주의 끝은 현재로선 관찰한 방법이 없으며, 우주는 무한하거나, 혹은 어떠한 방식으로 자기자신과 다시 연결되고 있다고 생각되고 있습니다. 그럼에도 불구하고도 우주가 유한하다면, 우주의 바깥에 무엇이 있느냐는 알 수 있는 방법이 없습니다. 존재하지 않는 공간에 있는 것과 인터렉션을 할 수 있는 방법이 없기 때문입니다. 따라서, 현재로서는 우주가 무엇으로 팽창하고 있는지 알 수 없습니다.
최종적인 답변은, '의미가 없는 질문이거나, 혹은 현재로서는 알 수가 없다' 입니다.
