제14장 가장자리의 질문들

164번째 밤: 고요한 시간

임무 164일째, 누르는 평소와 다른 근무를 했습니다. 정거장의 한 실험이 승무원들의 밤 한가운데에 작은 조정을 필요로 했는데, 지상 팀들은 그 시간에 누군가 깨어 있으면서 실험을 지켜봐 주기를 원했습니다. 토마스와 아데는 평소처럼 잘 것이었습니다. 누르는 일찍 잠자리에 들었다가 알람이 울리면 일어나 일을 하고, 다시 잠들기 전에 몇 시간 동안 실험을 지켜보기로 했습니다. 지상에서도 저 아래의 화면으로 함께 지켜볼 것이었습니다. 정말로 혼자인 것은 아니겠지만, 정거장은 아주 조용하게 느껴질 것이었습니다.

약속한 시각에 알람이 울렸습니다. 누르는 침낭 지퍼를 열고 작은 수면 칸에서 살며시 몸을 밀어내, 어둑한 모듈을 지나 떠갔습니다. 밤에는 정거장의 조명을 낮춥니다. 팬은 언제나처럼 웅웅거렸습니다. 무중량 상태에서는 공기가 저절로 움직이지 않아서, 팬이 없으면 잠든 사람이 내쉰 숨이 그 얼굴 둘레에 고일 수 있기 때문입니다. 조종 패널에서는 작은 초록빛과 파란빛이 빛났습니다. 어딘가에서 펌프가 딸깍 켜졌다가 꺼졌습니다.

조정은 20분밖에 걸리지 않았습니다. 누르는 태블릿에 뜬 절차를 한 단계씩 따랐고, 지상은 헤드셋을 통해 부드러운 목소리로 단계마다 확인해 주었습니다. 그다음에는 화면의 숫자를 지켜보며 기다리는 것 말고는 할 일이 없었습니다. 누르는 큰 창가로 떠 갔습니다. 정거장은 지구의 밤 쪽에 있었습니다. 아래의 행성은 어두운 형체였고, 사람들이 사는 곳에는 가는 빛의 실이 이어져 있었으며, 여기저기서 먼 뇌우가 번쩍였습니다. 위로는 셀 수 없이 많은 별이 있었습니다.

어두운 행성의 가장자리를 따라, 조금 초록빛을 띤 얇고 희미한 빛이 리본처럼 지구 위에 놓여 있었습니다. 대기광이라고 부르는 빛입니다. 대기 높은 곳에서, 낮 동안 햇빛으로 에너지를 받은 원자와 분자들이 그 에너지를 아주 약한 빛으로 천천히 되돌려 내놓는 것입니다. 지상에서는 알아차리기가 거의 불가능합니다. 정거장에서는 어두운 밤이면 그 빛이 지구의 곡선 전체를 따라 윤곽을 그립니다. 누르는 이제 그 빛을 여러 번 보았지만, 여전히 멈춰 서서 바라보게 되었습니다. 그러다 정거장은 계속 내달렸고, 머지않아 행성의 가장자리에 밝은 새벽의 선이 나타나며 다음 궤도까지 밤이 끝났습니다.

고요 속에서 누르는 아마 바로 그 순간 어두운 길을 달리고 있을 사미를 생각했습니다. 밤에 일하는 사람들은 이 느낌을 압니다. 세상은 잠들어 있고, 일은 차분하고, 마음은 큰 질문들 속으로 떠돌기 시작합니다. 그날 낮에 사미는 바로 그런 질문이 담긴 메시지를 보냈습니다. "우주가 138억 년 전에 시작됐다면," 사미는 이렇게 썼습니다. "가장자리는 어디야? 그리고 시작되기 전에는 뭐가 있었어?"

이것은 사람들이 던져 온 가장 오래된 질문 가운데 하나이자 가장 어려운 질문 가운데 하나입니다. 오늘 밤의 이야기는 이 질문들에 관한 것입니다. 닫힌 문보다 열린 문이 더 많은 이야기입니다. 천문학자들이 무엇을 말할 수 있는지 살펴보고, 아무도 모르는 곳에 대해서는 정직하게 말하겠습니다.

우리는 얼마나 멀리 볼 수 있을까?

우리가 볼 수 있는 것부터 시작해 봅시다. 빛은 초속 약 30만 킬로미터로 이동하고, 우주는 약 138억 살입니다. 그러니 더 먼 곳의 빛은 아직 우리에게 닿을 시간이 없었으므로, 우리는 모든 방향으로 138억 광년까지만 볼 수 있다고 생각하는 것이 자연스럽습니다. 이 생각은 진실에 가깝지만, 중요한 세부 하나를 놓치고 있습니다. 빛이 여행하는 동안 공간이 늘어나고 있었다는 것입니다.

공항의 무빙워크 위를 걷는 일꾼을 상상해 보세요. 다만 이 무빙워크는 그녀가 걷는 동안 점점 길어집니다. 그녀는 일정한 빠르기로 걷지만, 끝에 닿을 즈음 출발한 곳은 그녀가 걸은 거리보다 훨씬 더 뒤에 있습니다. 가장 먼 곳에서 오는 빛은 이와 조금 비슷하게 행동합니다. 그 빛은 거의 138억 년 동안 우리를 향해 여행해 왔지만, 그동안 우리와 그 빛의 출발점 사이의 공간은 엄청나게 늘어났습니다.

그래서 빛이 우리에게 닿은 가장 먼 곳들은 지금 138억 광년보다 훨씬 더 멀리 있습니다. 현재의 측정에 따르면, 우리가 볼 수 있는 영역의 가장자리는 지금 모든 방향으로 약 460억 광년 떨어져 있습니다. 천문학자들은 이 영역을 관측 가능한 우주라고 부릅니다. 시작 이후 빛이 우리에게 닿을 시간이 있었던 우주의 부분입니다. 지난 어느 밤에 만난 가장 오래된 빛은 이 가장자리 아주 가까이에서 옵니다.

이 가장자리 쪽을 바라보는 것은 과거를 들여다보는 것이기도 합니다. 멀리 볼수록 빛이 출발점을 떠난 때가 이릅니다. 망원경이 찾아낸 가장 먼 은하들은 우주가 겨우 수억 살이었을 때의 모습으로 보입니다. 그 너머에는 시작으로부터 약 38만 년 뒤에 풀려난 가장 오래된 빛이 있습니다. 그리고 그 너머로는 보통의 빛이 우리를 데려갈 수 없습니다. 그 이전의 우주는 빛이 건널 수 없는 빛나는 안개였기 때문입니다. 그러니 관측 가능한 우주는 공간일 뿐만 아니라 긴 역사의 기록이기도 합니다. 가장 최근의 쪽은 우리 가까이에, 가장 오래된 쪽은 가장 멀리에 있는 기록입니다.

이 가장자리가 무엇인지 이해하는 것이 중요합니다. 그것은 벽이 아니며, 우주의 끝도 아닙니다. 바다에서 보는 수평선 같은 지평선입니다. 해변에 서면 바다는 어느 선까지만 보이지만, 바다가 거기서 끝나는 것은 아닙니다. 그 선은 여러분의 시야의 한계일 뿐입니다. 마찬가지로 관측 가능한 우주의 가장자리는 우리가 있는 곳에서 볼 수 있는 것의 한계입니다. 멀리 떨어진 은하에 사는 존재에게는 자기를 중심으로 한 자기만의 관측 가능한 우주가 있을 것입니다.

지평선 너머

우리의 지평선 너머에는 무엇이 있을까요? 거의 틀림없이 더 많은 우주가 있을 것입니다. 우리가 아는 한, 가장 큰 규모에서 보면 우주는 모든 방향, 모든 곳에서 거의 같은 모습입니다. 은하와 은하단, 그리고 우주 거대 그물의 커다란 실과 빈 영역이 있습니다. 우주가 우리가 볼 수 있는 곳 바로 너머에서 바뀌거나 끝난다는 징후는 없습니다. 그래서 대부분의 천문학자는 우리의 지평선 너머에도 우리가 아는 것과 아주 비슷한 은하들이 더 있을 것이라고 예상합니다.

천문학자들은 우주가 모든 방향에서 같은 모습이라는 것을 어떻게 알까요? 그들은 하늘 전체에 걸쳐 은하를 세고 지도로 그려서, 가장 큰 규모에서는 어디서나 비슷한 방식으로 퍼져 있다는 것을 알아냅니다. 가장 오래된 빛은 아주 작은 차이만 있을 뿐 모든 방향에서 거의 정확히 같은 온도입니다. 우리가 있는 우주의 부분이 특별하다면, 예를 들어 어떤 중심이나 가장자리 가까이에 있다면, 하늘의 한쪽과 다른 쪽 사이에 차이가 보일 것이라고 예상할 수 있습니다. 그런 큰 차이는 발견되지 않았습니다.

하지만 얼마나 더 있을까요? 여기서 우리는 진짜 미지에 이릅니다. 우주는 엄청나게 크지만 유한할 수도 있습니다. 혹은 끝없이 이어질 수도 있습니다. 두 가능성 모두 오늘날 우리가 잴 수 있는 것과 맞아떨어집니다. 측정에 따르면 우리가 볼 수 있는 가장 큰 규모에서 공간은 거의 '평평'합니다. 공의 표면처럼 휘어져 제자리로 돌아오지는 않는 것 같다는 뜻입니다. 만약 휘어져 있다면, 그 휘어짐이 너무 완만해서 우리의 지평선 안에서는 아직 감지할 수 없는 것입니다. 그러니 우리는 우주 전체가 유한한지 무한한지 모르며, 어쩌면 영영 확실히 알 수 없을지도 모릅니다.

새벽 세 시에 품기에는 이상한 생각일 수 있습니다. 하지만 그 안에는 차분한 무언가도 있습니다. 인류 역사의 대부분 동안 사람들은 다음 산맥 너머나 바다 저편에 무엇이 있는지 몰랐습니다. 그래도 그들은 계속 일하고, 짓고, 궁금해했습니다. 우리도 비슷한 처지에 있습니다. 다만 규모가 훨씬 클 뿐입니다. 우리의 지평선은 사람들이 지금까지 알았던 어떤 지평선보다 넓지만, 그 너머에는 여전히 더 많은 것이 있습니다.

관측 가능한 우주가 작지 않다는 것도 기억해 둘 만합니다. 그 안에는 수천억 개, 어쩌면 그보다 더 많은 은하가 있고, 은하 하나하나에 수천억 개의 별이 있을지도 모릅니다. 우리의 지평선 안에는 누구도 자세히 연구할 수 없을 만큼 많은 것이 있습니다. 그 너머의 미지가 이미 알려진 것의 경이로움을 덜어 주지는 않습니다.

급팽창이라는 생각

이제 처음으로, 맨 첫 순간들로 돌아가 봅시다. 지난 밤들에서 우리는 처음 1초의 아주 작은 일부에서 처음 몇 분을 거쳐 가장 오래된 빛까지 이야기를 따라갔습니다. 하지만 뜨거운 시작이라는 기본 그림만으로는 설명되지 않는, 맨 처음에 관한 몇 가지 수수께끼가 있습니다.

한 가지 수수께끼는 가장 오래된 빛이 모든 방향에서 거의 정확히 같은 온도라는 것입니다. 그런데 기본 그림에서는 하늘의 반대쪽에서 오는 빛이 서로 열을 나눌 시간이 한 번도 없었던 영역들에서 옵니다. 그 영역들은 어떻게 그토록 닮게 되었을까요? 큰 건물의 양쪽 끝에 있는 서로 떨어진 두 방에 들어갔는데, 아무도 한 방에서 다른 방으로 열을 옮길 수 없었을 텐데도 두 탁자 위의 찻잔 두 개가 정확히 같은 온도인 것과 조금 비슷합니다. 또 하나의 수수께끼는 공간이 왜 그토록 평평에 가까운가 하는 것입니다.

1980년 무렵, 과학자들은 이 수수께끼들에 답할 생각 하나를 내놓았습니다. 그것을 급팽창, 곧 인플레이션이라고 부릅니다. 이 생각에 따르면, 1초에 한참 못 미치는 아주 작은 첫 순간에 공간이 극도로 빠르게, 그 뒤로 커져 온 것보다 훨씬 빠르게 커졌습니다. 이미 온도가 고르게 된 아주 작은 영역이 엄청난 크기로 늘어난 것입니다. 이것은 하늘의 먼 부분들이 왜 그토록 닮았는지 설명해 줄 것이고, 또 어떤 휘어짐이든 펴서 공간을 평평하게 보이게 할 것입니다. 거대한 풍선의 작은 부분이 평평해 보이는 것처럼 말입니다.

급팽창은 가장 오래된 빛 속의 작은 잔물결이 어디에서 왔는지도 알려 줍니다. 급팽창이라는 생각에서는 원자보다도 작은, 극도로 작은 무작위의 흔들림이 빠른 성장 동안 엄청난 크기로 늘어났습니다. 그렇게 늘어난 흔들림이 조금 더 짙은 영역과 조금 더 옅은 영역이 되었고, 그것이 나중에 은하로 자랐습니다. 인공위성들이 가장 오래된 빛에서 잰 잔물결의 무늬는 급팽창의 예측과 꽤 잘 맞아떨어집니다.

그렇다면 급팽창은 사실일까요? 솔직한 답은 아직 모른다는 것입니다. 어떤 관측은 그것과 맞아떨어지고, 많은 과학자가 그것을 우리가 가진 가장 좋은 생각으로 여깁니다. 하지만 증명되지는 않았습니다. 이 생각에는 여러 형태가 있고, 다른 설명을 내놓은 과학자들도 있습니다. 천문학자들은 급팽창이 남겼을지도 모르는 어떤 희미한 무늬를 가장 오래된 빛 속에서 찾고 있습니다. 그것을 찾아낸다면 이 생각은 훨씬 튼튼해질 것입니다. 찾지 못한다면 질문은 열린 채로 남을 것입니다. 지금으로서는 급팽창은 뒷받침을 받는 생각이지, 확립된 사실이 아닙니다.

시작 이전?

그렇다면 사미의 질문의 두 번째 부분, 곧 시작 이전에 무엇이 있었느냐는 질문은 어떨까요? 여기서 정직한 과학은 아주 분명하게 말해야 합니다. 우리는 모릅니다. 지난 어느 밤에 보았듯이, 지금의 물리 법칙은 맨 첫 순간을 설명하려고 하면 작동을 멈춥니다. 그 지점에서 무슨 일이 있었는지, 혹은 그보다 이전에 무언가가 있었는지 알려 줄 수 있는 검증된 이론은 없습니다.

많은 과학자는 언젠가 새로운 이론이 여기에 도움을 주기를 바랍니다. 오늘날 물리학에는 서로 다른 영역에서 작동하는 아주 성공적인 두 이론이 있습니다. 하나는 별과 은하와 공간의 팽창을 설명하는 아인슈타인의 중력 이론입니다. 다른 하나는 원자와 그 안의 입자들처럼 아주 작은 세계를 설명합니다. 맨 첫 순간에는 우주 전체가 극도로 무거우면서 극도로 작았으므로, 두 이론이 동시에 필요할 것입니다. 하지만 둘을 합칠 완전하고 검증된 방법은 아직 아무도 찾지 못했습니다. 누군가 그것을 찾을 때까지, 맨 첫 순간은 우리 지식이 닿지 않는 곳에 남아 있습니다.

어쩌면 질문 자체에 의미가 없을지도 모릅니다. "지구에서 가장 북쪽에 있는 지점의 북쪽에는 무엇이 있을까?"라는 질문을 생각해 보세요. 지구 표면에서 북쪽은 하나의 방향이지만, 행성의 맨 꼭대기에 서면 모든 방향이 남쪽이고 더 갈 북쪽은 없습니다. 어떤 과학자들은 시간 자체가 우주와 함께 시작되었을지도 모른다고 생각합니다. 그렇다면 시작 '이전'에 무슨 일이 있었느냐고 묻는 것은 가장 북쪽 지점의 북쪽에 무엇이 있느냐고 묻는 것과 같을 것입니다. 이것은 새로운 생각이 아닙니다. 1,000여 년도 더 전에 이미 몇몇 사상가는 시간이 세상과 함께 시작되었을지도 모르며, 세상보다 먼저 따로 존재하던 것이 아니었을지도 모른다고 말했습니다.

다른 과학자들은 우리 우주가 그 이전의 무언가, 어쩌면 이전 단계나 더 큰 전체에서 나왔다는 생각을 탐구해 왔습니다. 급팽창과 다른 이론들의 몇몇 형태는 저마다 자기만의 시작을 지닌 수많은 우주가 있을 수 있다고 말합니다. 이런 생각은 흥미롭고, 그 가운데 일부는 수학으로 꼼꼼하게 다듬어져 있습니다. 하지만 지금까지 그 어느 것이 사실이라는 것을 보여 주는 관측은 없습니다. 그것들은 탐구해 볼 가능성이지, 발견이 아닙니다.

많은 사람이 처음에는 이것을 불편하게 느낍니다. 우리는 '옛날 옛적에'로 시작하고 그 전에 무엇이 있었는지 알려 주는 이야기를 좋아합니다. 하지만 '아직 모른다'고 말하는 데에는 존중할 만한 정직함이 있습니다. 이 책의 모든 장은 한때 알려지지 않았던 것들로 시작했습니다. 은하까지의 거리, 공간의 늘어남, 가장 오래된 빛 같은 것들입니다. 그 질문 하나하나가 끈기 있는 노력으로 답을 얻었습니다. 어쩌면 오늘날의 질문 가운데 일부도 지금은 아이인 사람들이나 아직 태어나지 않은 사람들이 답을 찾아낼지도 모릅니다.

밤에 쓴 메시지

화면의 숫자는 차분하게 유지되었습니다. 실험은 잘 진행되고 있었습니다. 당직이 끝나기 조금 전, 지상에서 누르에게 다시 자러 가도 된다고 알려 주었습니다. 누르는 고맙다고 인사하고, 마지막으로 한 번 더 창가로 떠 가서 어두운 지구 위의 별들을 바라보았습니다.

그러고는 사미에게 썼습니다. "오늘 밤에는 나도 너랑 같은 시간에 깨어 있어." 누르는 이렇게 시작했습니다. "네 질문에는 완전한 답이 없어. 빛이 여행하는 동안 공간이 늘어났기 때문에, 우리는 모든 방향으로 약 460억 광년까지 볼 수 있어. 그 너머에는 아마 우주가 더 있겠지만, 얼마나 더 있는지는 아무도 몰라. 그리고 시작 이전에 뭐가 있었는지, 이전이라는 게 있기는 했는지도 아무도 몰라. 운전 조심해. 오늘 밤엔 우리 둘 다 어둠 속에서 일하고 있네."

사미는 몇 분 뒤 텅 빈 길가에 차를 세운 채 그 메시지를 읽었습니다. 사미는 앞 유리 너머로 하늘을 올려다보았습니다. "그럼 우리 둘 다 같은 미지를 바라보고 있는 거네." 사미는 이렇게 답했습니다. "잘 자, 누나. 아니면 좋은 아침. 거기서는 늘 헷갈린다니까."

당직이 끝나자 누르는 다시 침낭 속에 들어가 지퍼를 올렸습니다. 정거장은 여전히 조용했습니다. 토마스는 자기 칸에서, 아데는 자기 칸에서 잠들어 있었습니다. 몇 시간 뒤면 조명이 밝아지고, 다른 사람들의 알람이 울리고, 근무일이 다시 시작될 것입니다. 지금은 질문들이 여전히 열린 채로 누르는 눈을 감았고, 그것이 싫지 않다는 것을 알았습니다.

긴 근무나 긴 하루를 마치고 늦게 이 글을 읽고 있다면, 여러분도 대부분의 사람이 잠든 동안 깨어 있는지도 모릅니다. 밤은 큰 질문을 무겁게 느끼게 할 수 있습니다. 하지만 그 질문들은 길동무처럼 느껴질 수도 있습니다. 같은 하늘 아래에서 사람들은 수천 년 동안 가장자리가 어디인지, 그 이전에 무엇이 있었는지 물어 왔습니다. 오늘 밤 여러분도 그 사람들 가운데 하나입니다.

흔한 오해

많은 사람이 우주에는 방 끝의 벽 같은 가장자리가 있고, 그 벽 너머에는 빈 공간이 있거나 아예 아무것도 없다고 생각합니다. 하지만 그런 가장자리를 보여 준 관측은 지금까지 하나도 없습니다. 관측 가능한 우주의 가장자리는 지평선, 곧 우리 시야의 한계이지 우주의 끝이 아닙니다. 은하들이 끝나고 벽이 시작되는 곳은 알려진 바가 없습니다. 우리가 아는 한, 우주에는 그런 종류의 가장자리가 없습니다.

또 많은 사람이 우주가 약 138억 살이니 우리는 138억 광년까지만 볼 수 있다고 생각합니다. 논리적으로 보이며, 공간이 늘어나고 있지 않았다면 사실일 것입니다. 하지만 빛이 여행하는 동안 공간이 늘어나 왔기 때문에, 가장 먼 빛이 출발한 곳들은 지금 훨씬 더 멀리 있습니다. 그래서 어떤 빛도 약 138억 년보다 오래 여행하지 않았는데도, 관측 가능한 우주의 가장자리는 지금 모든 방향으로 약 460억 광년 떨어져 있는 것입니다.

마지막으로, 어떤 사람들은 과학이 우주가 여럿 있다는 것을 보여 주었다고 생각합니다. 영화나 기사에서, 때로는 알려진 사실인 것처럼 소개되는 이 생각을 본 적이 있을지도 모릅니다. 실제로 여러 우주에 관한 생각은 몇몇 이론에서 나오는 가능성입니다. 그것들은 관측된 적이 없고, 지금으로서는 다른 우주가 존재한다는 것을 보여 주는 증거가 없습니다. 흥미롭지만 증명되지 않은 추측으로 남아 있습니다. 다음 밤은 누르가 정거장에서 보내는 마지막 밤이며, 우리는 시작에서부터 여러분 집 위의 저녁 하늘에 이르기까지 이야기 전체를 되돌아보겠습니다.