우주의 비밀을 규명하려는 인간의 노력은 오랜 시간 계속돼 왔다. 1920년대 초반만 해도 우리가 살고 있는 은하가 우주의 전부인지 여부에 대해 논쟁을 벌이는 수준이었다. 이후 천문학과 물리학, 관측 기술 등 우주의 역사와 미래를 다루는 학문은 비약적인 발전을 해왔고 우주의 비밀을 규명하려는 노력은 지금도 현재진행형이다.

▶코페르니쿠스의 혁명(?)에서 뉴튼의 만유인력까지= 프톨레마이오스 이후 1400년 동안 우주의 중심은 지구였다. 하지만 이 이론대로라면 금성과 수성이 가끔씩 태양으로부터 멀어질 때가 있어야 하는데 그런 현상은 전혀 관측할 수 없었다. 1500년대초 코페르니쿠스는 이 점을 지적하며 고대 그리스 천문학자 아리스타르코스가 주창했던 지동설을 지지했다. 그는 각각의 천체들은 제각기 고유한 무게를 갖고 있는데 그 무게는 중심으로 향하는 속성을 지니고 있다고 주장했다. 코페르니쿠스의 이런 생각은 200년 후 뉴턴의 만유인력으로 계승된다. 뉴턴 시대에는 천체들이 질량을 가진 물체라는 사실이 증명되면서 천체 형성과 관련된 이론들이 속속 등장하기 시작했다.


▶아인슈타인의 상대성 이론, 우주론의 모태= 아인슈타인은 상대성 이론을 통해 우주가 어떻게 만들어졌는 지 등 우주에 대한 근원적인 질문에 대한 답을 제시했다. 뉴턴의 중력 이론을 잇는 일반 상대성 이론은 현대 우주론의 모태 역할을 하게 된다. 아인슈타인은 중력의 정체를 ‘시간과 공간이 일체가 돼 이루는 시공간(spacetime)의 뒤틀림’으로 파악했다. 같은 맥락에서 아인슈타인은 “우주는 팽창하지도 수축하지 않는다”며 이른바 ‘정적 우주론’을 주장했다. 하지만 미국인 천문학자 에드윈 허블이 우리 은하로부터 멀리 떨어진 은하일수록 빠른 속도록 더 멀어지고 있다는 사실을 밝혀내면서 아인슈타인이 1916년에 발표한 ‘정적인 우주론’은 도전을 받게 된다.

그럼에도 불구하고 아인슈타인은 우주는 정지된 것으로 확신했다. 그는 중력방정식이 우주가 정지됐다는 것을 증명할 수 없다는 점을 고민하다가 우주가 중력의 효과를 상쇄해 평형을 유지한다는 개념의 ‘우주 서술항’을 도입한다. 그러나 이후에 우주가 팽창한다는 사실이 입증되기 시작하면서 아인슈타인은 “우주 서술항 도입이 일생 일대의 실수”였다고 밝히기도 했다. 

지동설을 주장한 코페르니쿠스(왼쪽)의 동상과 M이론을 정립한 스티븐 호킹.

▶통합이론을 향한 노력과 우주 규명은 현재진행형= 아인슈타인 이후로 과학자들은 우주의 네 가지 기본적인 힘인 중력, 전자기력, 약력(약한 핵력), 강력(강한 핵력)을 단일한 법칙으로 통합하는 통일 이론을 찾아내는 데 골몰했다. 아인슈타인의 상대성이론은 거시 세계는 효과적으로 설명했지만 원자나 전자 등 양자역학이 지배하는 미시 세계에서는 통하지 않았기 때문이다. 아인슈타인은 상대성이론의 중력을 양자역학의 세계에 적용하는 방식으로 통일장 이론을 세우려고 30여년을 보냈다. 하지만 그는 미시 세계와 거시 세계가 동시에 존재하는 이론을 끝내 정립하지 못하고 일생을 마친다.

아직까지도 과학자들은 네 가지 힘을 포괄하는 통합이론을 만들지 못했다. 다만 입자이론을 통해 ‘표준모형’을 제시하는 데 성공했지만 이 역시 네 가지 힘 중 중력을 포괄하지 못한다. 그럼에도 새로운 고에너지 입자들을 규명하는데 어느정도 역할을 했다.

▶스티븐 호킹의 새로운 시각= “신이 우주를 창조하지 않았다”는 주장으로 화제가 된 영국의 물리학자 스티븐 호킹은 ‘모든 것을 통일하는 단 하나의 법칙’은 찾기 어렵다고 말한다.

그가 대안으로 제안하는 것이 하나의 우주가 아니라 다수의 우주를 가정하는 ‘엠(M)이론’이다. 스티븐 호킹은 엠 이론을 통해 “우리가 알고 있는 우주는 그 무수한 우주들 중의 하나에 불과하다”고 주장한다.

스티븐 호킹은 “호두껍질 속의 우주’라는 그의 저서에서 우주를 전체적으로 보면 마치 호두껍질 같다고 했다. 초기 우주의 서로 다른 영역들 사이에서 나타난 아주 미세한 차이로 인해 밀도가 더 높은 영역에서 추가적인 중력에 의해 팽창이 멈추고, 자체 중력으로 다시 붕괴해서 현재 우리가 볼 수 있는 은하와 항성들이 생겨났다”면서 “우주는 무한히 매끄러운 표면을 가진게 아니라 국지적으로 찌그러져 주름이 잡힌 모양으로 형성됐다”고 표현했다.