빅뱅이론은 약 138억 년 전 엄청난 폭발과 함께 우주가 팽창하며 만들어졌다는 이론입니다. 여기서 흥미로운 것은 이 팽창이 현재까지도 진행되고 있다는 점입니다. 이를 반대로 생각해 보면 현재에도 팽창하는 우주를 되감기 해서 과거로 돌아간다면 우주는 점점 축소할 것입니다. 그렇게 과거로 돌아가 가장 첫 부분으로 가면 모든 것이 한 점에 모여있을 것입니다. 우주가 팽창하는 사실을 역으로 발상해 탄생한 이론이 바로 빅뱅이론입니다.
1. 빅뱅이론의 유래
빅뱅이론을 가장 처음으로 주장한 사람은 조루즈 르메트르(Georges Henri Joseph Édouard Lemaître, 1894-1966)입니다. 그는 물리학자 겸 신부였고 벨기에 가톨릭 대학에서 물리학을 가르쳤습니다. 르메트르는 1927년 처음으로 빅뱅이론을 주장했습니다. 아인슈타인의 일반상대성이론에 기반해 우주가 팽창한다는 가설을 제시한 것입니다. 하지만 르메트르의 논문은 상대적으로 지명도가 낮은 학술지에 발표된 데다가 프랑스어로 쓰인 탓에 널리 알려지지는 못했습니다. 심지어 아인슈타인 또한 그 당시 르메트르의 이론이 물리학적으로 옳지 않다고 말하기도 했습니다. 빅뱅이론의 빅뱅이라는 말도 이때 탄생하게 됩니다. 영국의 천문학자 프레드 호일(Fred Hoyle, 1915-2001)은 BBC 라디오에서 그럼 '우주가 펑(Big bang)'하고 생겨나기라도 했다는 말입니까 하며 르메트르의 이론을 비꼬았습니다. 여기서 빅뱅이론이라는 단어가 등장했습니다.
2. 동적인 우주관의 시작
1929년 미국의 천문학자 에드윈 허블(Edwin Powell Hubble, 1889-1953)이 빅뱅이론을 주장하기 시작했습니다. 그는 우주에 있는 대부분의 은하에서 적색편이가 나타난다는 것을 알아냈습니다. 적색편이 현상은 생각보다 단순한 개념입니다. 이는 관측자를 기준으로 멀어지는 물체의 색깔이 조금 더 붉게 보이는 현상을 말합니다. 이는 멀어지는 속도만큼 방출되는 빛의 파장이 길어지기 때문입니다. 반대로 관측자에게 빠르게 다가오는 물체는 푸르게 보입니다. 다가오는 속도만큼 빛의 파장이 짧아지기 때문입니다. 이는 청색편이라고 합니다. 이 개념을 쉽게 설명하기 위해 엠뷸런스 사이렌 소리를 예를 들어 설명하고자 합니다. 엠뷸런스가 사이렌을 켜고 우리에게 빠른 속도로 다가올 점차 높고 빠른 소리가 납니다. 하지만 엠뷸런스가 빠른 속도를 나를 지나 멀어진다면 엠뷸런스의 소리는 점차 낮고 느린 소리가 나게 됩니다. 엠뷸런스가 다가올 때는 파장이 짧아지며 높은 소리가 나고 엠뷸런스가 멀어질 때는 파장이 늘어지며 낮은 소리가 나게 됩니다. 빛의 파장도 이와 같습니다. 즉, 적색편이를 보이는 별들은 전부 우리로부터 멀어지고 있습니다. 에드윈 허블이 우주를 관측할 당시 적색편이와 청색편이가 무작위로 관측될 것이라고 생각했습니다. 그 당시에는 정적 우주론이 우주를 설명하고 있는 보편적인 이론이었기 때문입니다. 정적 우주론이란 우주가 언제나 정적인 상태를 유지한다는 이론입니다. 즉 정적 우주론에 따르면 우주는 팽창하지도 수축하지도 않습니다. 하지만 실제 관측 결과 수많은 별들은 어떤 예외도 없이 모두 적색편이만 보이고 있었습니다. 이는 모든 별들이 멀어지고 있다는 것을 보여주는 증거입니다. 이로서 기존의 정적인 우주관은 무너졌고 팽창하는 동적인 우주관이 생겨나게 되었습니다. 여기서 허블은 한발 더 나아가 생각하게 됩니다. 우주는 현재 팽창하고 있고 별들의 간격은 멀어지고 있습니다. 하지만 거꾸로 생각하면 과거 별들의 간격은 더욱 가까웠을 것입니다. 결국 아주 오래전 초기 우주로 돌아가면 모든 게 한 점에 있을지도 모른다는 생각에 도달하게 됩니다.
3. 보편적인 우주관으로 자리 잡은 빅뱅이론
1948년 미국의 물리학자 조지 가모프(George Gamow)는 빅뱅이론을 통해 다음과 같이 우주의 초기 상태를 설명했습니다. "초기 우주는 밀도와 온도가 매우 높은 상태였을 것이다. 이후 엄청난 폭발과 함께 급격히 팽창했고 밀도가 낮아짐에 따라 점차 식어 현재의 모습이 되었다." 이를 쉽게 설명하고자 전기난로를 예로 들어 말씀드리겠습니다. 좁은 방 안에서 전기난로를 켜면 따뜻합니다. 하지만 똑같은 난로를 큰 집에서 켜면 훨씬 덜 따뜻해집니다. 이처럼 밀도가 높으면 온도가 높아지지만 밀도가 낮으면 온도가 낮아집니다. 그는 만약 빅뱅이론이 맞다면 아직 그 열기의 흔적이 우주에 남아있을 것이라고 생각했습니다. 이때부터 이 열기의 흔적은 우주배경복사로 불리게 되었습니다. 우주배경복사를 쉽게 생각하면 밥솥을 여는 순간 주변으로 확 퍼져나가는 뜨거운 김과 같은 것입니다. 하지만 조지 가모프는 그런 흔적을 찾기가 쉽지 않았습니다. 1964년 미국 뉴저지 벨 연구소의 연구원이었던 아노 펜지어스(Arno Allan Penzias)와 로버트 윌슨(Robert Woodraw Wilsom)은 안테나를 통해 인공위성의 신호를 받는 일을 하고 있었습니다. 이들을 계속해서 안테나가 잡아내는 미세한 전파 잡음으로 골머리를 썩고 있었습니다. 그들은 안테나에 묻은 비둘기의 변이 문제가 아닐까 해서 이를 열심히 닦아보기까지 했습니다. 하지만 이 전파 잡음은 도저히 없앨 수 없었습니다. 여기서 신기한 사실은 이 잡음은 안테나의 방향을 바꿔도 날씨가 변해도 언제나 일정하고 균일하게 잡힌다는 점이었습니다. 이 현상을 뒤늦게 알게 된 물리학자들은 이것이 우주배경복사일 것이라고 확신했습니다. 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 인해 1978년 노벨상을 수상하게 됩니다. 이로 인해 가설로만 여겨졌던 빅뱅이론이 인류의 보편적인 우주관으로 자리 잡게 되었습니다.
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