우주는 유한? 무한하다면 어떤 불가사의한 일이 일어날까?

우주는 매우 광대하고 현대의 과학기술로도 알고 있는 부분은 미미합니다. '우주가 유한인가, 무한한가'라는 옛부터의 질문조차도 인류는 답할 수 없습니다. 이에 대해 과학계 YouTube 채널인 Kurzgesagt가 설명했습니다.

The Paradox of an Infinite Universe - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=isdLel273rQ

우주란 모든 천체나 공간을 포함한 영역을 말합니다. 그러나 우리가 관측할 수 있는 영역은 '관측 가능한 우주' 한정으로, 우주가 탄생한 것은 지금부터 약 137억 년 전이라고 알려져 있지만 우주는 항상 팽창하고 있으므로 관측 가능한 우주의 크기는 137억 광년보다 더 커집니다. 137억 년 전에 발한 빛의 근원에 있는 은하는 우주의 팽창을 계산에 넣으면 약 450억 광년 정도에 존재하게 됩니다.

즉, 관측한다는 것은 우리에게 도착한 빛이나 에너지를 포착한다고 하는 것으로, 관측 가능한 우주의 끝은 시간에 의해 태어난 벽이므로 크게 보면 그다지 의미가 없습니다.

실제 우주는 관측할 수 있는 우주보다 더 광대합니다. 이 전체 우주가 유한인지 무한한지는 오래전부터 존재하는 논의이며 지금도 여전히 연구되고 있습니다.

'우주가 유한이다'는 것은 끝이 있다는 것으로 받아들이기 쉽습니다. 예를 들어 둥근 오렌지 위를 작은 개미가 계속 이동하면 빙글빙글 일주하여 원래의 장소로 돌아옵니다. 오렌지의 표면은 유한하지만 개미에게 끝이라는 경계선은 없습니다.

이 오렌지와 같은 것은 3차원 공간에서도 일어날 수 있습니다. 우리는 유한한 지구상에 존재하지만 눈에 비치는 것은 수평선보다 앞쪽. 예를 들어 한국에 있어도 브라질을 관측할 수 없습니다. 관측 가능한 우주가 약 450억 광년이라는 것은 이 수평선까지의 거리가 약 450억 광년이라는 것으로 계산하면 초구형의 전체 우주는 적어도 관측 가능한 우주의 1000배여야 합니다. 그러나 우주의 경우는 다차원적으로 닫힌 초구가 되므로 3차원 공간에 사는 우리가 시각화하고 인식하는 것은 불가능합니다.

유한이지만 끝은 없는 형태는 구형뿐만이 아닙니다. 예를 들어 도넛 같은 형태(토러스)도 유한하지만 끝은 없는 형태입니다. 다만 구형은 같은 장소에서 다른 방향으로 일주하면 같은 거리를 진행하는 것에 비해 토러스는 같은 장소에서 스타트해도 방향에 따라 진행하는 거리가 바뀝니다.

이 성질에 따라 한 별에서 방출되는 빛의 거리가 크게 바뀝니다. 그 때문에 어느 별이 태어난 순간과 죽는 순간을 동시에 관측한다는 현상도 꽤 있을 수 있습니다. 이러한 기묘한 성질을 가진 초토러스형의 우주라면 초구형의 우주와 달리 최소로 관측 가능한 우주의 몇 배 정도의 크기가 된다고 합니다.

여기까지는 어디까지나 우주가 유한하다는 가정에 근거한 이야기로, 물론 관측 가능한 우주의 바깥쪽이 무한한 세계일 가능성도 있습니다.

현시점에서는 인플레이션 이론이 정설이며 우주는 초고온 고밀도의 에너지의 덩어리가 빅뱅이라는 급팽창을 거쳐 탄생했고 지금도 여전히 팽창하고 있다고 생각되고 있습니다. 우주가 무한하다는 전제와 우주가 계속 팽창하고 있다는 사실은 마치 모순된 것처럼 보입니다. 그러나 팽창과 무한한 것은 모순되지 않습니다. 무한이 팽창해도 무한이기 때문입니다.

우주가 무한하다면 구성하는 원자 하나에 이르기까지 자신과 완전히 같은 존재가 하나의 우주 내에 자신과는 별개로 존재할 수 있습니다. 실제로 일어날 확률을 매우 작지만 무한하다면 일어날 수 있습니다.

만일 지구와 같은 별이 존재한다면 확률적으로는 최단 10^29 광년 떨어져 있다고 합니다. 이것은 관측 가능한 우주를 뛰어넘습니다. 즉, 무한한 우주에 자신과 똑같은 존재가 무한히 존재한다고 해도 각각은 관측 가능한 영역보다 떨어져 있기 때문에 결코 서로 교류할 수 없다는 것입니다.

여기까지 오면 과학이라기보다는 SF의 이야기 같지만 우주가 무한하다면 가능성이 있다는 이야기이며 무한이라는 것은 그만큼 거대하고 인류의 의식을 초월하는 개념이 됩니다. 우주가 유한인지 무한인지는 모르지만 단지 알고 있는 것은 우리는 반경 약 450억 광년의 우주밖에 관측할 수 없지만 그것조차도 인류에게는 너무 넓다는 것입니다.