우주를 이해하는 핵심 이론들: 우주의 팽창 이론 (1929년)

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고요했던 우주가, 팽창하고 있다?

20세기 초까지만 해도, 대부분의 과학자들은 우주는 정적인 상태라고 믿고 있었다.
별들은 제자리에 있으며, 은하는 몇 개 안 되는 국소적 구조에 불과하다고 여겼다.
하지만 1929년, 한 천문학자의 관측이 이 세계관을 송두리째 바꿔놓는다.

그의 이름은 에드윈 허블(Edwin Hubble).
그는 적색편이 데이터를 통해 우주가 팽창하고 있다는 증거를 제시했고,
이것은 현대 우주론의 초석이 되었다.

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1. 팽창 이론 이전의 우주관

1.1 정적인 우주와 뉴턴적 사고방식

아이작 뉴턴 이후 수백 년간, 과학자들은 무한하고 고정된 우주를 기본 전제로 삼았다.
중력으로 인해 수축할 수도 있지만, 우주는 그 자체로 균형을 이루는 ‘완전한 시스템’으로 여겨졌다.

물리학자이자 수학자 아인슈타인조차,
1917년 일반 상대성이론으로 우주를 설명하려 하면서
‘정적인 상태’를 유지하기 위해 인위적으로 **우주상수(Λ)**를 도입했을 정도였다.

1.2 허셜과 샤플리의 은하 모형 논쟁

19세기 후반부터 20세기 초까지는
우리 은하가 우주의 전부인지, 아니면 다른 은하도 존재하는지에 대한 논쟁이 있었다.

결국 1924년, 허블이 안드로메다 성운이 우리 은하 바깥에 있는 별무리임을 입증하면서
우주는 훨씬 더 거대한 스케일을 가진다는 인식이 자리잡게 된다.

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2. 허블의 관측과 법칙의 정립

2.1 허블 망원경이 아닌, 에드윈 허블

에드윈 허블은 미국 천문학자로,
캘리포니아에 위치한 마운트 윌슨 천문대에서 2.5m 후커 망원경을 사용해
가장 먼 은하들의 스펙트럼을 분석하고 있었다.

그는 1920년대 중반, 은하들이 모두 적색편이(redshift) 현상을 보이고 있음을 알아냈다.

2.2 적색편이란 무엇인가?

빛은 물체가 관측자에게 가까이 오면 푸른색 쪽으로 이동(청색편이),
멀어지면 **붉은색 쪽으로 이동(적색편이)**한다.

허블은 대부분의 은하가 적색편이를 보이고 있으며,
그 정도는 해당 은하의 거리와 비례한다는 사실을 밝혀냈다.

즉, 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어지고 있다는 것.
이는 정적인 우주가 아닌, 전체 우주가 팽창하고 있다는 직접적인 증거였다.

2.3 허블의 법칙 (1929년 발표)

허블은 자신의 논문에서 다음과 같은 선형 관계를 발표했다:

v = H₀ × d

v = 은하의 후퇴 속도
d = 지구로부터의 거리
H₀ = 허블 상수 (Hubble Constant)

이 관계는 간단하지만 충격적이었다.
모든 은하가 지구를 중심으로 멀어지는 것이 아니라,
모든 은하가 서로 멀어지고 있다, 즉 공간 자체가 팽창하고 있다는 것을 의미했다.

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3. 이론적 기반과 물리학의 반응

3.1 프리드만과 르메트르의 이론적 선행

실제로 허블의 관측 이전,
러시아의 **알렉산드르 프리드만(1922)**과
벨기에의 성직자이자 물리학자인 **조르주 르메트르(1927)**는
일반 상대성이론의 방정식에서 우주가 팽창하거나 수축할 수 있음을 수학적으로 유도한 바 있다.

르메트르는 이 이론을 바탕으로
허블보다 앞서 우주가 팽창하고 있다고 주장했지만,
관측적 뒷받침이 없었기 때문에 큰 주목을 받지 못했다.

허블의 데이터는 이 이론들을 관측적으로 증명한 결정적 사례가 된 것이다.

3.2 아인슈타인의 반응 – 우주상수의 철회

허블의 논문을 접한 아인슈타인은
자신이 도입한 우주상수에 대해

“내 생애 최대의 실수였다.”
라고 말했다고 전해진다.

그는 이후 자신의 일반 상대성이론이
자연스럽게 팽창하는 우주를 예측하고 있었다는 점을 인정하고
이론의 해석을 바꾸게 된다.

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4. 허블 법칙의 우주론적 의미

4.1 정적인 우주의 붕괴

허블의 법칙은 단순한 수학식 그 이상이었다.
이는 정적인 우주 모델을 부정하고,
우주가 시간이 지남에 따라 팽창하고 있다는 개념을 제도권 과학으로 끌어들인 역사적 사건이었다.

이제 우주는

• 시작점이 존재하며
• 시간이 흐르며 팽창하고
• 언젠가는 수축하거나 영원히 팽창할 수 있는
  동적인 구조라는 인식이 퍼지게 된다.

4.2 빅뱅 이론의 기반

허블의 팽창 이론은
우주가 한 점에서 시작되었다는 빅뱅 이론의 핵심 관측 근거가 된다.

우주가 계속 팽창하고 있다면,
과거로 거슬러 올라갈수록 우주는 작고 밀도가 높았다는 결론이 나오며,
이로 인해 우주의 시작점에 대한 질문이 과학의 무대로 옮겨지게 된다.

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5. 현대 천문학에서의 발전

5.1 허블 상수의 정밀 측정

허블 상수(H₀)는 우주의 나이를 추정하는 데 중요한 역할을 한다.
현재 천문학자들은 초신성, 우주배경복사, 은하단, 중력파 등 다양한 방법으로
H₀ 값을 측정하고 있으며,
측정 방법에 따라 미세하게 다른 결과가 나와
이를 둘러싼 **‘허블 상수 논쟁’**이 진행 중이다.

5.2 허블우주망원경의 기여

1990년 발사된 허블 우주망원경은
에드윈 허블의 이름을 딴 장비로,
그의 후계자처럼 우주의 팽창을 정밀하게 관측하고 있다.

이 망원경은 수많은 은하, 초신성, 퀘이사, 암흑에너지 후보 등을 관측하며
우주가 어떻게 팽창해왔고, 앞으로 어떻게 될지를 밝히는 데 결정적 역할을 하고 있다.

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결론 – 공간 그 자체가 움직이는 우주

허블의 발견은 단순히 은하 몇 개가 움직인다는 사실이 아니었다.
그는 공간 자체가 팽창하고 있다는 사실을 밝혀냈고,
이는 우주를 보는 인간의 관점을 완전히 바꿔놓았다.

그의 관측은 이론적 추측이 아닌,
실제 데이터를 통한 우주론의 혁명이었다.

오늘날 우리는 그가 처음 관측했던 우주의 팽창을 더 정밀하게 관측하고 있고,
그의 이름은 우주의 크기와 역사, 미래를 결정짓는 법칙 속에 남아 있다.