미국 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 1929년도에 당시 세계 최대 망원경으로 여러 은하의 후퇴 속도(적색 이동)를 관측해 은하들이 빠르게 멀어진다는 사실을 알았다. 즉, 우주가 팽창한다는 사실을 처음 확인했던 것이다.

현재 우주 공간은 팽창하고 있다. 팽창하는 우주를 시간적으로 거꾸로 돌리면 어떻게 될까. 이는 과거로 돌아갈수록 수축된다는 의미이다. 이를 바탕으로 지구·태양·은하 등 우주의 모든 물질을 과거로 되돌리면 결국 상상하기 힘들 정도로 높은 온도와 에너지 밀도를 가진 매우 작은 한 시점이 될 것이라는 가설이 제기되었다.

이후 1970년대 호킹이 로저 펜로즈와 함께 아인슈타인의 일반상대성 이론과 양자역학을 바탕으로 우주 탄생 순간에 크기가 무한히 작은 시점인 특이점에서 출발했다는 것을 이론적으로 밝혀내었다. 이 작은 시점이 물리적인 내적요인[양자요동]에 의해 대폭발해(137억년전) 우주가 생성되었고, 그 폭발에 의한 팽창이 지금도 계속되고 있다는 것이다.

우주론자들은 빅뱅이 시작된 시점을 태초라고 부른다. 빅뱅 우주론에서 태초는 어마어마한 밀도와 온도를 가진 특이점(singularity)이 있다. 이 점에서는 현재의 우주를 지배하는 물리학의 법칙이 전혀 맞지 않는다. 그래서 특이점이라 불린다.

우주 초기에 또 하나의 중요한 찰나가 있었다. 바로 급팽창을 뜻하는 인플레이션(inflation) 이 일어난 시기이다. 빅뱅 후 플랑크 시간이 지난 바로 뒤에 우주가 가속적으로 부풀어 그 크기가 찰나보다 짧은 순간에 10x30승 배 이상 커졌다는 것이다.

빅뱅 이론을 뒷받침하는 또다른 결정적 증거는 1964년 미국의 천체물리학자 아노 펜지아스와 로버트 윌슨이 발견한 초기 우주의 흔적인 우주 배경 복사이다. 이는 허블의 우주 팽창 발견 이후 최고의 관측으로 일컫는다.이 우주배경복사의 발견으로 페지아스와 윌슨은 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.

최근에는 1989년 미항 공우주국(NASA)에서는 우주배경복사를 관측하기 위해 코비(COBE)위성을 발사했는데, 우주공간에 서 우주배경복사의 전체적인 스펙트럼을 온전하게 측정하는 성공을 거두었다.자연에서 보아왔 던 매우 완벽한 스펙트럼이었고, 그 스펙트럼은 우주가 처음에는 현재보다 수십만 도나 더 뜨거 웠음을 확인시켜 주었다.

■ 태초, 그 앞에 있었던 것은?

태초에 대해서 이야기하면 사람들은 거의 예외 없이 '태초 이전은 뭐냐'라고 묻는다. 우주가 시작된 시점이 있다고 하면, 그 이전은 어떠했을까 하는 의문이다. 하지만 빅뱅 우주론은 이 질문을 의미 없게 만든다.

호킹은 1983년 제임스 하틀과 함께 자신의 '무경계 우주론'으로 태초에 대한 의문을 훌륭하게 설명했다. 무경계 우주론은, 우주에는 시작이나 끝을 나타내는 시간적 경계가 없고 또 공간적 부피는 있되 경계가 없다는 것이다. 즉, 우주는 마치 지구 표면처럼 면적은 있지만 경계선이 없다는 것이다.

호킹은 '태초 이전은 뭐냐'라고 묻는 것은 '북극점에서 더 북쪽은 어디인지를 묻는 질문'과 같다는 예를 들었다. 우리가 지구상에서 북쪽으로 가면 언젠가는 북극에 도달한다. 하지만 북극에 도달하는 순간 우리는 더 이상 북쪽으로 갈 수 없다. 북극에서는 북쪽이라는 방향조차 없다. 동쪽이나 서쪽도 없고 오로지 남쪽이라는 방향만 존재한다. 따라서 북극에 서 있는 사람이 어느 쪽으로 간다 해도 그쪽은 모두 남쪽인 것이다.

그는 또 태초보다 10분 전의 시간에 대해 묻는 것도 지구의 북극에서 북쪽으로 1㎞ 더 간 지점이 어디냐고 묻는 것과 같다고 풀이했다. 빅뱅이란 공간의 시작일 뿐만 아니라 시간의 시작이기도 하기 때문이다. 즉 우리가 과거로 거슬러 올라가면 언젠가는 태초에 도달하지만, 태초에 도달하면 더 이상 과거는 없고 미래만이 존재할 뿐이라는 것이다.

시사저녈 참고함