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[박종진의 과학 이야기] 천체의 운행 속도

바람 한 점 없는 날 연못을 들여다보면 파란 하늘을 배경으로 보이는 자기 얼굴은 마치 거울에 비친 것처럼 또렷하다. 갑자기 온 세상이 멈춘 것 같다. 하지만 과학적으로 보면 우리가 발붙이고 사는 지구는 매 순간 엄청난 속도로 태양 주위를 돌고 있을 뿐만 아니라 스스로 자전하는 중인데도 전혀 그런 움직임을 느끼지 못한다. 달리는 기차 안의 모든 것이 제 자리에 있는 것과 같은 이유다.   이 세상에서 가장 빠른 것은 빛이다. 빛은 똑딱 하는 순간 지구를 일곱 바퀴 반이나 돈다. 모든 것이 상대적인 우주에서 절대적인 것이 단 하나 있다면 바로 빛의 속도인데 초속 약 30만km쯤 된다.     우리는 지구가 태양을 정확히 한 바퀴 도는 기간을 1년으로 삼았다. 지구는 태양을 중심으로 타원 궤도를 그리며 도는데 그 거리는 총 9억 4천만km나 된다. 지구가 태양 주위를 도는 공전 속도는 초속 약 30km쯤이다. 간단한 산수 계산을 하면 지구가 태양 주위를 공전하는 속도는 총알보다 무려 75배나 빠르다. 게다가 지구는 자전하면서 동시에 공전한다. 지구가 한 번 완전히 자전하는 시간을 하루라고 정했는데 적도 지방을 기준으로 지구는 총알의 속도와 맞먹는 초속 약 0.46km로 스스로 돌고 있다. 소리의 속도보다 조금 빠른 속도로 자전한다는 말이다. 그런 생각을 하니 갑자기 어지러워진다.   달도 지구를 중심으로 초속 약 1km의 속도로 돈다. 하늘에 걸려있는 희끄무레한 낮달이 비록 우리 눈에는 그냥 제자리에 있는 것처럼 보이지만 사실은 1초에 1km를 날고 있다. 지구는 그런 달을 품고 태양 주위를 1초에 30km씩 공전한다. 태양도 우리 은하 중심부를 기준으로 초속 약 230km의 속도로 공전하는데 완전히 한 바퀴 도는 데 대략 2억 5천만 년 정도 걸린다고 추측한다. 이를 은하 년이라고 한다. 정리하자면, 태양은 초속 230km로 움직이고, 지구의 속도는 초속 30km이며, 달은 초속 1km다.     최근 관측 결과에 따르면 우주는 한없이 팽창하며 그 속도가 점점 빨라진다고 하는데 이를 우주 가속 팽창이라고 한다. 아인슈타인에 의하면 우주에서 빛보다 빠른 것은 없지만, 우주의 어느 지점부터는 팽창 속도가 빛보다 빨라지므로 그 경계의 바깥쪽에 있는 은하를 떠난 빛은 결코 관찰점에 도달할 수 없다. 그래서 거기까지를 관측 가능한 우주라고 부른다. 사실 빛은 항상 같은 속도로 진행하는데 그 빛을 담고 있는 공간이 팽창하는 까닭에 결과적으로 빛보다 빠른 속도로 팽창하는 것처럼 보인다.   1977년 지구를 떠나서 지금까지 47년을 날아 태양계를 막 빠져나가고 있는 보이저 1호는 인간이 만든 물체 중에서 가장 먼 곳을 지나는 중인데 현재 속도는 초속 약 17km라고 한다. 우주 공간은 진공이어서 공기 저항이 없으므로 그런 속도가 가능하며, 연료 없이도 영원히 같은 속도로 날 수 있지만, 태양의 바로 이웃 별까지 가는 데도 수만 년 걸린다고 한다.     참고로, 미국 도시를 잇는 보잉 737 제트 여객기의 평균 속도는 시속 960km 정도니까 1초에 0.25km를 난다는 말이다. 또 미국 고속도로의 최고 속도 기준은 55마일이므로 이를 변환하면 초당 약 0.025km가 되니 천체의 움직임에는 비교할 수조차 없다. (작가)     박종진박종진의 과학 이야기 천체 운행 팽창 속도 운행 속도 공전 속도

2024-09-20

[박종진의 과학 이야기] 팽창하는 우주

아인슈타인은 이미 120년 전에 시간은 일정하지 않고 상대적이란 생각을 인류 최초로 했던 사람이다. 게다가 뉴턴이 발견한 만유인력이란 개념도 질량을 가진 천체가 공간을 누르므로 생긴 공간 왜곡 현상이라고 했다. 그리고 인류 역사상 가장 간단한 E=mc²라는 질량-에너지 공식을 만들었으며, 광양자 설로 양자역학의 문을 활짝 열었다.   그런 천재의 눈에도 이 우주는 항상 그대로의 모습으로 보였던가 보다. 아리스토텔레스로부터 뉴턴에 이르기까지 이 우주는 무한하고 영원히 변하지 않는 것처럼 보였고 아인슈타인 역시 그렇게 생각했다. 그런데 자연과학이 발달하면서 그런 정적인 우주에 반하는 이론, 즉 동적 우주론이 고개를 들기 시작했다.   벨기에의 가톨릭 신부 조르주 르메트르가 태초에 우주가 한 점에서 폭발하여 시작했을 것이라는 빅뱅 이론을 주창하자, 러시아 출신 미국의 과학자였던 조지 가모프가 이 팽창 우주론을 지지했다.     그런데 정상 우주론자였던 영국의 프레드 호일은 우주 공간이 지속해서 팽창하고 있다는 동적인 우주론 입장이긴 했지만, 어느 날 그가 라디오 대담 프로에서, "어떤 정신 나간 사람은 이 우주가 태초에 '꽝(Big Bang)'하고 터지면서 시작했다네요"라고 비꼬았다. 그렇게 비아냥거렸던 빅뱅 이론이 지금은 거의 정설로 굳고 있다.   만약 이 우주가 팽창하지 않는다면 은하와 은하 사이의 중력에 의해서 서로 가까워져야 하고, 결국 스스로 찌부러진다는 생각을 한 아인슈타인은 그런 중력에 반하는 어떤 힘을 가정하고 그것을 우주 상수라고 이름 지어서 자신의 상대성이론을 합리화시켰다. 몇 년 후 허블에 의해서 은하와 은하 사이가 점점 멀어진다는 것이 증명되자 아인슈타인은 자신이 억지를 부려서 만든 우주 상수를 폐기했다.   허블의 업적은 우주가 팽창한다는 사실을 밝혀낸 것이다. 나중에 팽창 속도를 구해서 역으로 계산해 보았더니 138억 년 전에 모든 것이 한 지점에서 퍼져나간 사실을 알게 되었다. 아인슈타인은 자신의 실수를 바로 인정했다. 최근에 이르러 우주는 점점 빠르게 팽창한다는 사실도 밝혀졌다.   그런데 문제는 가속 팽창하는 우주가 어느 순간 중력을 이기게 되면 그때부터는 걷잡을 수 없이 팽창하다가 결국 찢기는 상태에 이를 것이다. 하지만 우주는 중력에 대항하는 그 어떤 힘이 있는지 그동안 상상 속에만 존재하던 암흑에너지와 암흑물질에 의해서 영향을 받는 것이 아닌가 생각하게 되었다.     빛을 포함한 전자기력에 의해서 반응하는 물질이라는 것은 이 우주에 고작 4%밖에 없다. 그 나머지는 우리가 알 수 없고, 그것을 우리는 암흑에너지와 암흑물질이라고 이름 붙였다. 아인슈타인이 죽기 전에 예견했던 중력파도 최근에 발견되었다. 어쩌면 아인슈타인의 실수였던 우주 상수도 암흑에너지와 암흑물질과 어떻게든 관련이 있을지도 모른다고 생각하는 사람들이 늘어간다.     이 글을 쓰고 읽는 순간에도 우리 우주는 엄청난 속도로 팽창하고 있는데 우리로부터 138억 광년 떨어진 먼 우주는 빛의 속도로 우리와 멀어지고 있다고 한다. (작가)         박종진박종진의 과학 이야기 팽창 우주 우주 상수도 팽창 우주론 동적 우주론

2022-12-23

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