물리학과 첨단기술 APRIL 20 1 9 28 저자약력 이강환 관장은 서울대학교 천문학과에서 박사 학위를 받은 후 영국 켄트 대학에서 로열 소사이어티 펠로우로 연구활동을 하였으며 현재 서대문자연 사박물관 관장으로 재직 중이다. 또한 「신기한 스쿨버스」 시리즈와 「세상은 어떻게 시작되었는가」, 「우리는 모두 외계인이다」(공역), 「우리 안의 우주」 등의 번역서가 있으며 저서 「우주의 끝을 찾아서」로 제55회 한국출판문화 상을 수상한 바 있다.
허블의 법칙이 아니라 허블-르메트르의 법칙
이 강 환
지난 10월 말, 국제천문연맹(International Astronomy Union, IAU)은 ‘허블의 법칙’을 ‘허블-르메트르의 법칙’으로 이름을 바 꾸자는 결의안을 채택했다. 이 결의안은 지난 8월 오스트리아 비엔나에서 개최된 IAU 총회에서 제안되었는데, 사안의 중요 성을 고려하여 현장투표로 결정하지 않고 전 세계 IAU 회원 11,072명에게 전자투표를 요청하였다. 전체 회원의 37%인 4,060명이 투표에 참여하여 78%의 찬성으로 결의안이 채택되 었다. 이제 ‘허블의 법칙’은 공식적으로 ‘허블-르메트르의 법칙’ 으로 불리게 되었다. 이 법칙은 멀리 있는 은하가 더 빠른 속도로 멀어지고 있다 는 것으로 우주가 팽창하고 있는 증거로 여겨지는 관측 결과 이다. 아마도 우주를 연구하는 우주론에서 가장 중요한 것으로 손꼽히는 법칙이 아닐까 싶다. 멀리 있는 은하가 더 빠른 속도로 멀어진다는 사실은 1929 년 미국의 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 처음 발견 한 것으로 알려져 있다. 그런데 이번 IAU의 결의안은 이 사실 의 발견에 허블뿐만 아니라 벨기에의 천문학자 조르주 르메트 르(Georges Lemaitre)의 공로도 함께 인정해주자는 것이다. 사실 우주가 팽창할 수도 있다는 생각은 허블 이전에도 제 기된 적이 있다. 이미 1910년대에 비스토 슬리퍼(Vesto Slipher) 라는 천문학자가 스펙트럼을 관측하여 대부분의 나선 성운들이 우리에게서 멀어지고 있다는 사실을 발견했다. 이때는 이 나선 성운들이 우리 은하 밖에 있는 외부 은하라는 사실이 밝혀지 기도 전이었다. 1915년에 일반상대성이론을 발표한 아인슈타인은 얼마 후에 자신의 방정식을 우주 전체에 적용해 우주의 모형을 구한 결 과 우주는 중력 때문에 모든 물질이 한 곳으로 모이게 된다는 결과를 얻었다. 그런데 우주가 정적인 상태를 유지하며 변화가 없다고 확신했던 아인슈타인은 자신의 방정식에 ‘우주 상수’라 는 밀어내는 힘을 추가하여 우주 안의 모든 물질의 중력을 정 확하게 상쇄하게 하여 정적인 우주를 만들어냈다. 러시아의 물리학자 알렉산드르 프리드먼(Aleksandr Friedmann) 은 1920년대 초반 우주의 밀도가 균일하고 어떤 방향을 보아 도 똑같이 보인다는 가정을 적용하여 아인슈타인의 일반상대성 이론의 방정식을 단순화한 프리드먼 방정식을 만들었다. 그는 아인슈타인의 정적인 우주는 너무나 불안정하여 약간의 움직임 만 있어도 팽창하거나 수축할 수밖에 없다는 사실을 알아냈다. 조르주 르메트르는 당시 이런 사실들을 모두 알고 있었던 사람이었다. 르메트르는 벨기에 예수회 사제로 원래는 수학으 로 박사학위를 받았다가 이후 천문학으로 다시 박사 학위를 받은 천문학자다. 르메트르는 우주의 팽창과 관련한 논문을 허 블의 발견보다 2년 빠른 1927년에 발표했다. 그는 이 논문에서 프리드먼 방정식의 팽창하는 우주의 해를 찾아서 제시했다. 그리고 그는 슬리퍼의 스펙트럼 관측 결과도 알고 있었기 때문에 이것을 우주 팽창의 증거라고 판단했다. 그래서 그는 우주가 팽창한다면 멀리 있는 은하들의 스펙트럼 이 거리에 비례하여 더 크게 적색 이동할 것이라고 주장하였 고, 당시에 관측된 은하들의 대략적인 거리와 속도를 이용하여 우주의 팽창 속도까지 계산하였다. 그런데 그의 논문은 벨기에에서 발간되는 프랑스어 저널에 실렸기 때문에 당시 천문학계에 거의 알려지지 못했다. 그리고 1929년 멀리 있는 은하가 더 빠른 속도로 팽창한다는 관측 결 과가 발표되었고 곧바로 그 관계에 “허블의 법칙”이라는 이름 이 붙여졌다. 르메트르의 1927년 논문은 허블의 발견이 있은 지 2년 후 인 1931년에 영국에서 발행되는 왕립천문학회지에 번역되어 실렸다. 그런데 그 과정에서 우주의 팽창 속도를 구한 부분이 빠졌다. 그래서 이 번역을 누가 했는지, 혹시 르메트르의 역할 을 드러나지 않게 하기 위한 의도가 있었던 것은 아닌지 꽤 오랫동안 논란이 되었는데, 최근 르메트르 자신이 직접 번역을 했다는 사실이 밝혀졌다. 르메트르는 자신의 과거 논문에서는 은하들의 속도와 거리가 정확하지 않고, 허블의 자료가 더 정확하기 때문에 자신의 자 료를 굳이 넣지 않았다고 했다. 아마도 이 때문에 이 내용에 대한 르메트르의 역할이 크게 알려지지 않았을 텐데, 이것은 자신의 명성보다 과학계 전체를 위해 가장 좋은 자료를 더 중 요하게 생각한 훌륭한 자세라고 평가 받고 있다. 이번 결의안 이 제안되는 데에는 이 부분도 중요하게 고려되었다. 허블이 은하들의 거리와 움직이는 속도를 측정하는 연구를
물리학과 첨단기술 APRIL 20 1 9 29 하게 된 데에는 르메트르의 영향이 있었던 것이 분명해 보인 다. 1928년 네덜란드 라이덴에서 열린 제3회 국제천문연맹 총 회에서 허블과 르메트르는 실제로 만났고, 멀리 있는 은하의 거리와 움직이는 속도에 대하여 서로 의견을 나누었기 때문이 다. 르메트르는 아인슈타인과도 직접 만나 자신의 이론에 대한 이야기를 나눌 기회가 있었다. 하지만 아인슈타인은 아직도 팽 창하는 우주를 받아들일 준비가 되어있지 않았다. 그는 르메트 르에게 “당신의 계산은 정확하지만 물리학에 대한 이해는 끔찍 합니다”라고 말했다. 아인슈타인은 허블의 관측이 있은 이후에 야 우주의 팽창을 인정하게 된다. 아인슈타인은 우주의 팽창을 인정하면서 정적인 우주를 만들 기 위해 자신의 방정식에 임의로 포함시켰던 우주 상수를 ‘일 생일대의 실수’라고 했다고 하는데, 우주 상수는 이후 1990년 대에 우주의 가속 팽창이 발견되면서 다시 등장하게 되었다. 결과적으로 현재의 우주론 방정식에는 우주 상수가 포함되고 있다. 허블은 관측 천문학자였기 때문에 은하들의 거리와 이동 속 도에 대한 관측 자료만 제시했을 뿐 우주가 팽창하고 있다는 주장을 직접 하지는 않았다. 오히려 “적색 이동을 실제 속도로 설명하는 것은 확신할 수 없다”고 하면서 여기서의 ‘속도’는 선 입견을 없애기 위해서 ‘겉보기 속도’로 사용되어야 한다고까지 했다. 반면 르메트르는 프리드먼 방정식의 해를 구하여 이론적으로 팽창하는 우주 모형을 만들었고, 관측 결과와 결합하여 우주의 팽창 속도까지 구했기 때문에 허블보다 더 먼저 우주의 팽창 을 발견했다고 볼 수 있다. 그래서 그동안 천문학계에서는 여 기에 대한 르메트르의 공로를 인정해 주어야 한다는 주장이 꾸준히 제기되어 왔고 이번 결의안으로 결실을 거두게 된 것 이다. 과학의 역사에는 높은 평가를 받고 이름이 알려진 과학자들 만 있는 것이 아니라 중요한 일을 했음에도 크게 알려지지 않 은 과학자들도 많이 있다. 그리고 과학의 발전은 몇몇 뛰어난 영웅들에 의해 이루어지는 것이 아니라 많은 과학자들의 노력 이 누적되어 이루어지는 것이다. ‘허블-르메트르의 법칙’으로의 이름 변경은 과학 역사에서 잊 힐 뻔한 훌륭한 과학자의 공로를 뒤늦게나마 인정하고 평가해 주는 좋은 선례가 될 것이다. 그런데 사실 르메트르가 재조명 받아야 할 곳은 여기만이 아니다. 1927년에 발표한 그 논문에서 르메트르는 우주가 팽 창하고 있다고만 주장한 것이 아니라 또 한 가지 중요한 제안 을 했다. 우주가 팽창한다는 것은 우주가 점점 커지고 있다는 말이니 까 과거에는 우주의 크기가 더 작았다는 의미다. 과거로 갈수 록 우주가 점점 더 작아진다면 언젠가는 크기가 0이 되는 순 간도 있지 않을까? 르메트르는 우주의 시간을 뒤로 돌리면 우주가 무한히 작은 한 점에서 탄생했을 것이라고 생각하고 이것을 ‘원시 원자 (primeval atom)’라고 불렀다. 르메트르는 우주의 팽창뿐만 아 니라 빅뱅 우주론도 최초로 주장했던 것이다. 르메트르의 이 주장 역시 오랜 시간 동안 주목을 받지 못했 다. 그리고 빅뱅 우주론은 약 20년이 지난 후에야 조지 가모 프(George Gamow)와 랄프 알퍼(Ralph Alpher)에 의해 다시 등장했다. 현재 빅뱅 우주론의 최초 제안자로 주로 거론되는 사람은 가모프지만 이 부분 역시 르메트르의 역할이 인정받아야 할 것이라고 생각한다. * 아태이론물리센터의 <크로스로드>지와의 상호 협약에 따라 크로스로드에 게재되는 원고를 본 칼럼에 게재합니다. 본 원고의 저작권은 아태이론물리센 터와 원저작자에게 있습니다. * ‘과학과 미래 그리고 인류’를 목표로 한 <크로스로드>는 과학 특집, 과학 에세이, 과학 유머, 과학 소설, 과학 만화 등 다양한 장르의 과학 글을 통해 미래의 과학적 비전을 보여주고자 아시아 태평양 이론물리센터(Asia Pacific Center for Theoretical Physics)에서 창간한 과학 웹 저널입니다. http://crossroads.apctp.org/
