교과서와 기원문제(10) 우주의 나이 137억년은 측정된 것인가, 아니면 정해진 것인가?

노휘성(과학교사), ACT뉴스 2016년 6월

 

 

“과거에서 현재까지 우주가 일정한 속도로 팽창했다면 우주의 나이는 허블 상수의 역수로 알 수 있다. 이렇게 얻은 우주의 나이를 허블 시간이라고 하며, 현재까지 알려진 우주의 나이는 약 137억 년이다.”[1]

 

“137억 년 전에 일어난 빅뱅으로 시간, 공간, 물질, 에너지가 생겨나면서 우주가 형성되었다.”[2]

과학교과서 뿐만 아니라 우주에 관한 다큐멘터리나 영화, 드라마에서 조차 우주의 나이가 137억년이라고 말해지는 것을 접한다. 과연 그 나이는 어떻게 나온 것일까? 위에서 보듯, 고등학교 1학년 과학 교과서에서는 137억년이라는 우주의 나이가 ‘허블 상수의 역수’로 구해진 것이라고 설명하고 있다. 그럼, 우리는 허블 법칙으로부터 이 논의를 시작해야 할 것이다.

 

허블(Edwin Powell Hubble, 1889-1953)은 1919년 윌슨산 천문대에서 100인치 망원경을 이용해 우리 은하 밖에도 많은 은하들이 있다는 것을 성공적으로 관측했다. 그리고, 1929년 그 은하들의 흡수스펙트럼에 나타난 적색편이를 분석하여 먼 은하일수록 적색편이가 크게 나타난다는 허블 법칙(Hubble Law)을 발표하였다. 왜 은하들로부터 오는 빛이 붉은 파장 쪽으로 치우치는 것일까? 그는 우주가 팽창하고 있기 때문이라고 추정하고, 먼 은하일수록 우리로부터 더 빠르게 멀어지기 때문에 그 후퇴하는 속도만큼 파장이 붉은 쪽으로 치우치는 효과가 나타난다고 해석하였다.

 

 

세페이드 변광성을 이용하여 계산된 은하들의 거리(현재는 5000만광년 범위[3])와 은하들의 적색 편이 관계를 그려놓은 것을 허블 도표라고 한다. 허블 도표에서 하나의 직선의 그래프를 결정할 수 있다면, 그 기울기 즉 비례 상수를 얻을 수 있는데, 이를 허블 상수(H)라고 한다. 허블 상수의 결정은 매우 큰 의미가 있다. 은하들의 적색 편이를 통해 후퇴 속도(v)를 얻으면, 허블 관계식(v = Hod)을 이용해 은하까지의 거리(d)가 쉽게 구해지기 때문이다. 그럼, 이것이 우주의 나이와 무슨 상관이 있을까?

 

빅뱅을 지지하는 과학자들은 우주의 모든 물질과 에너지가 한 점에 모여 있다가 폭발한 후, 팽창하면서 점점 커지고 식어져 현재의 우주의 모습을 만들어 냈다고 생각한다. 그들의 가정에 의해 우주의 가장 바깥쪽 물질들은 매우 빠르게 팽창하고 있어서 빛의 속도로 후퇴하고 있을 것이라고 본다. 이를 그대로 허블 관계식에 적용하면, 빛의 속도(c)는 허블상수(H0)와 가장 먼 은하까지의 거리(dmax)의 곱으로 표현될 것이다. (c = H0dmax) 만약, H가 71km/s/Mpc으로 결정될 수 있다면, 대략 dmax는 137억 광년 거리로 계산된다. 이것을 우주의 가장 자리까지의 거리라고 생각하고, 빛의 속도로 거기에 이르려면 137억 년이 걸리므로, 우주가 한 점에서 폭발한 지 137억 년이 되었다고 말하는 것이다.

 

다시 말해, 우주가 137억 년 되었으려면, 우주는 반드시 한 점에서 시작했어야 한다. 그리고, 원인은 모르지만 그 한 점이 폭발했었어야 한다. 그 다음, 계속 일정하게, 지금 관찰하는 은하들로부터 결정된 허블 상수와 동일한 비율로 팽창해 왔었어야 한다. 게다가, 그 우주의 가장 자리로부터 오는 빛의 속도는 결코 변함이 없이 137억 년을 달려왔어야 한다. 이 모든 것이 그러할 때만, 우주는 137억 년 되었을 가능성이 있는 것이다.

 

그런데, 우리는 현재 빛의 성질조차 잘 알지 못한다. 은하들이 나타내는 적색 편이의 원인이 모두 후퇴 속도에 의한 것인지도 확인할 길이 없다. 다만 현재 지구에 도달한 빛에 대해 분석하고 해석할 뿐이다. 그 자료들을 통해 우주의 과거를 알 수 있는 것이 아니다. 빛이 아주 먼 거리에서 왔으니 매우 오래 전 우주의 모습을 보여주는 것이라고 말하고 싶은 사람들이 있겠지만, 빛의 속도가 과거로부터 현재까지 모든 공간에서 일정하고, 우주의 팽창도 태초부터 지금까지 일정한 속도로 진행되었다는 가정이 없으면, 먼 거리가 곧 오랜 시간을 의미한다고 해석할 수 없다.

 

137억 년은 결국 빅뱅의 가정 아래에서만 유효한 것이다. 그것은, 우주의 역사가 빅뱅이기 위해 덧붙여진 수많은 가정들[4]이 오류로 드러날 때마다 우주의 나이는 계속 고쳐져야함을 말한다. 그러나 실제 역사는 그렇게 자꾸 바뀌어질 필요가 없다. 우리는 이미 정확한 우주의 시작을 알고 있으며(창 1:1), 태초에 거기 계셨던 분에게 있어서 우주의 나이를 알려주시는 일은 아주 쉬운 일이다.

 

“너희가 알지 못하였느냐 너희가 듣지 못하였느냐 태초부터 너희에게 전하지 아니하였느냐 땅의 기초가 창조될 때부터 너희가 깨닫지 못하였느냐”(사 40:21)

 

[1], [2] 안태인 외 11인, 고등학교 과학, 금성출판사, p18, 29, 2011

[3] Don DeYoung, The Hubble Law, Journal of Creation 9, no 1: 7-11, April 1, 1995

[4] Lerner, E.J. et al, An open letter to the scientific community, New Scientist, May 22, 2004.