[월드투데이 권성준 기자] 20세기 과학이 발견한 가장 중요한 성과 중 하나는 에드윈 허블이 발견한 우주가 팽창한다는 사실이다.

우주가 시간이 지남에 따라 팽창하는 사실은 과거에는 우주의 크기가 지금보단 작았다는 의미를 가진다. 따라서 먼 과거에는 우주가 한 점에서 점점 팽창했다고 생각한다. 

이러한 우주론을 현대 과학에서 빅뱅 우주론이라고 부른다.

다른 20세기 물리학의 금자탑 중 하나는 상대성 이론이다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 뉴턴의 중력 이론을 대대적으로 수정했다.

일반 상대성 이론은 천체와 천체 사이, 은하와 은하 사이에 작용하는 중력을 기술하는 방정식이 만유인력 법칙에서 아인슈타인의 장 방정식으로 대체했다.

그런데 아인슈타인이 맨 처음 유도한 장 방정식의 해는 실제 우주에 대해 풀면 우주가 팽창한다는 답을 도출했다.

아인슈타인은 이 결과를 믿을 수 없었고 자신의 방정식에 '우주 상수'라고 불리는 항을 추가해 팽창하지도 수축하지도 않는 정적인 우주의 중력 방정식을 만들었다.

이후 허블이 우주가 팽창한다는 사실을 발견했고 아인슈타인은 자신의 방정식에서 우주 상수를 지우고 일생 최대의 실수로 치부했다.

한편 허블의 발견 이후 '우주 배경 복사'와 같은 빅뱅 우주론의 증거가 나타났고 빅뱅 우주론은 현대 과학의 정설이 됐다. 그러나 빅뱅 우주론은 약간의 문제점을 가지고 있었다.

1980년대 문제점을 해결하기 위해 아인슈타인의 우주 상수를 다시 현대 우주론에 복귀 시킨 과학자가 2019년 노벨 물리학상 수상자 제임스 피블스였다.

일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 휘어짐으로 해석한다. 질량이 시공간을 구부리고 구부린 시공간을 따라 물체가 이동하는 모습이 중력에 끌려가는 것으로 해석한다.

따라서 아인슈타인의 장 방정식에다 관측되는 우주의 질량을 대입하면 우주의 휘어짐을 알 수 있다.

과학자들은 전체적으로 우주가 평평하거나 구형으로 닫힌 휘어짐을 가지거나 말안장 형태로 열린 휘어짐을 가지는 3가지 가능성을 제시했다.

우주 배경 복사는 초창기 뜨거운 우주가 식으면서 원자가 형성되고 방출된 빛을 의미한다. 이 빛은 초창기 우주의 정보를 담고 있다.

모든 방향에서 오는 우주 배경 복사는 모두 거의 같은 온도로 관측된다. 이는 우주의 온도가 전체적으로 일정하다는 뜻이고 다시 말해 평평하다는 의미다.

그래서 보이는 우주의 모든 천체들의 질량을 아인슈타인의 장 방정식에다 대입하면 당연하게 평평한 우주가 나와야 한다. 하지만 우주의 질량이 터무니없이 부족했다.

한편 1930년대 과학자들은 은하의 회전 운동을 연구하다 눈에 보이지 않는 물질이 은하에 상당수 존재함을 알아냈다.

이 물질은 빛과 상호작용하지 않아 관측할 수 없어 '암흑 물질'이라는 이름을 붙였다. 하지만 우주의 새로운 구성 요소를 추가해 봐도 질량은 부족했다.

평평한 우주가 되기 위한 질량의 26%는 암흑 물질이 차지했고 눈에 보이는 입자는 5%를 차지했다. 다시 말해 69%의 미스터리가 생겼다.

피블스는 이 69%를 해결하기 위해 우주 상수를 부활시켰다. 그리고 부활한 우주 상수에 '암흑 에너지'라는 이름을 붙였다.

암흑 에너지는 공간을 수축시키는 일반 물질과 암흑 물질과 달리 공간을 팽창시키는 역할을 한다. 암흑 에너지가 중력보다 더 큰 비중을 차지하기 때문에 우주는 가속 팽창을 해야 한다.

실제로 우주는 가속 팽창을 했고 2011년 노벨 물리학상은 이를 관측한 과학자에게 돌아갔다. 따라서 현대 우주론은 암흑 에너지를 받아들였다.

암흑 에너지에 의해 우주가 맞이할 종말 시나리오는 2가지로 꼽힌다. 이대로 꾸준히 팽창해 온 우주가 식어버려 아무런 작용도 일어나지 않는 빅 프리즈와 팽창이 점점 가속돼 시공간이 갈기갈기 찢어지는 빅 립이 있다.

암흑 물질과 암흑 에너지 둘 다 존재한다고 받아들여지지만 정체는 아직까지도 현대 과학의 가장 큰 미스터리로 남아있다.