6, 우주는 팽창하고 있다.

6, 우주는 팽창하고 있다.

 

운동하는 발광체

발광체는 그것에 고유의 파장인 빛(스펙터름)을 가지고 있다고 하자. 발광체가 만일 관측자로부터 후방을 향하여 운동한다면 고유의 파장이 긴 쪽(붉은 쪽)으로 늘어져서 관측된 현상(돕플러효과)이 있다. 교대 속도가 클수록 돕플러효과(doppler effect）는 크다.

 

케페이드 변광성(Cepheid variable)

변광성이란 밝기가 바뀌는 별을 말하는데 케페이드 변광성은 주기적으로 변광하고 게다가 그 주기도 절대광도(본래 그 별이 가진 밝기)와의 사이에는 일정한 관계가 있다. 따라서 지금 같은 주기를 가진 2개의 케페이드변광성이 있다고 하면 어두운 쪽은 멀리 있는 것이 된다. 이 성질을 이용하여 별까지의 거리를 알 수가 있다.

팽창 우주의 발견은 Ｅ・Ｐ・허블（Edwin Powell Hubble１８８９～１９５３）에 의하여 행해졌다. 20세기 처음 소용돌이은하(渦卷銀河=안드로메다은하 등) 등의 2개의 대발견이 있었다. 하나는 V. M 슬리퍼(V.M.Slipers)에 의한 것으로 몇 개의 소용돌이은하에 후퇴운동을 나타내는 토플러효과가 관측된 것이다. 그러나 그 해석이 문제가 되었다. 슬리퍼는 은하의 회전운동에 주목하고 은하계 내에 있는 원시 태양 같은 것을 생각한 것이다. 슬리퍼의 이 발견은 매우 유명한 것으로 발표회(1914년) 석에는 젊은 허블(당시 24세)도 있었다.

두 번 쨰는 허블에 의한 것으로 소용돌이 은하의 가 부분에 있는 케페이드변광성의 관측으로부터 그것은 우리들의 은하계 외에 있다는 것, 그것과 그 정확한 거리가 풀린 것이다.(1923년)

이것들 두 가지 사실을 결합하여 은하는 그 거리에 비례하여 후퇴속도가 커진다는 것을 찾아낸 것은 허블(1929년 허블법칙)이었다. 그 무렵 아인슈타인의 일반상대성이론에 의하여 우주의 팽창이 수학적으로 있을 수 있다는 것이 알려졌다. 그러나 이런 것이 무엇인가 천문학상의 증거로서 찾아질 것이라고 상상한 사람은 없었다. 아인슈타인마저도 우주의 팽창을 인정하려 하지 않았고 그는 정지우주론을 주장한 것이다.

우주의 팽창과 천체가 가지는 인력의 관계는 매우 크다. 현재도 팽창하고 있는 우주는 천체가 가진 인력의 영향이 클 경우 어느 일정 장소까지 팽창하면 그 후는 인력에 져서 팽창을 그치고 이윽고 수축을 시작하여 최종적으로는 꺼지고 만다. 인력의 영향이 그다지 크게 작용하지 않는 경우는 금후에도 완만하게 팽창한다고 생각되고 있다. 그러나 최근 수 년 간의 조사에서 우주는 이 어느 쪽의 예상도 벗어난 움직임을 보이고 있다.

우주는 수축이 아니고, 완만한 팽창도 아니고, 급격히 가속하면서 팽창하고 있는 것이다. 우주의 거의는 아무 것도 없는 진공이 태반을 차지하고 있는 중에서 무엇인가 작용하여 우주를 급격하게 가속시키는 것인가. 통상으로는 이해할 수 없는 사실이 밝혀지고 있다. 그것은 진공의 에너지라는 것이다. 아무 것도 없다는 진공이 우주를 눌러 넓히고 있는 것이다.

인공의 진공 내에서 상하의 진공의 공간(넓이)이 다른 영역에 물질을 놓았을 때 물질은 진공의 에너지에 의하여 작용하는지 실험을 했다. 결과는 진공의 공간이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 눌린 것이다. 곧 진공의 에너지는 확실히 에너지를 가지고 있는 것이다. 그래서 진공의 에너지에 의하여 생겨난 우주 공간은 그 거의 전부가 진공이기 때문에 다시 공간의 팽창이 가속하는 것이다. 아인슈타인도 생전 발견하지 못한 수수께끼의 에너지가 진공의 에너지였던 것이다.

허블의 법칙이 그대로 팽창우주를 나타내는 것은 아니다. 이 법칙은 우주 안의 극히 한정된 일점(지구)에서 보인 것에 지나지 않다. 이대로라면 지구가 우주의 중심이라는 것이 될 수도 있다. 여기서 <우주는 (대국적으로 보면) 한 결 같아서 어느 장소에서 보아도 같다.>고 하는 우주원리가 필요해 진다. 이 주우원리와 먼 은하일수록 빠른 속도로 후퇴하는 것처럼 보인다는 허블의 법칙을 결합하면 답은 <우주는 팽창하고 있다.>가 된다.

허블은 관측의 명수라고 칭해졌다. 이 점은 슬리퍼도 같다. 또 그는 우주는 단순하고 아름답고, 다시 완전한 것이라는 심미적이라고도 할 수 있는 우주관을 가진 사람이다. 이 점에서도 가슴에 그려지는 이미지가 다르다고 해도 슬리퍼도 같았다. 이런 두 사람이었는데 도착점이 다른 것도 어쩔 수 없는 것이었다. 여기서 허블의 공적을 말한다면 소용돌이 은하가 우리들의 은하의 바깥에 있다고 말하는 것을 높은 정화함으로 누른 것으로 시작된다고 말할 수 있다.