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작성일 : 20-03-30 10:21
<과학을 시로 말하다> 우주는 팽창한다
 글쓴이 : 전파과학사
조회 : 61  



지금 우주가 팽창하고 있다는 사실을 알고 있는가? 우주가 ‘빅뱅’ 이후로 계속해서 팽창하고 있다는 것이 현대 물리학계의 정설이다. 아마도 현대에 살고 있는 지식인이라면 누구나 그렇게 알고 있을 것이다. 그렇다면 우주가 팽창하고 있다는 사실을 처음에 어떻게 알아냈을까? 오스트리아 과학자 도플러(J. Doppler)는 1842년 파원(wave source)과 관찰자 사이의 상대적인 운동에 따라서 파장이 달라지는 현상을 발표했다. 이것이 ‘도플러 효과’이다. 파원으로부터 일정한 파장(파의 마루와 마루 사이의 간격)을 갖는 파(wave)가 방출되어 나온다고 하자. 이 파를 관측한다고 할 때, 파원이 관측자에게 가까워지고 있으면 파장은 짧아지게 되고, 반대로 관측자로부터 멀어지게 되면 파장은 길어지게 된다. 이러한 현상은 파원이 정지해 있고 대신 관측자가 파원으로부터 멀어지거나 가까이 움직일 때도 똑같이 일어난다. 이러한 ‘도플러 효과’를 우리는 주변에서 자주 경험한다. ‘삐우삐우’ 경고음 소리를 내면서, 범인을 추적하는 경찰차 소리가 가까이에서는 급해지다가 멀어지면 느슨해진다. 이것은 음원이 가까워지면 음파의 파장이 짧아지고 멀어지면 길어지며, 반대로 가까워지면 주파수가 높아지고 멀어지면 감소하는 도플러효과 때문이다. ‘왱’하고 지나가는 비행기가 가까이 오면 고음으로 들리고 멀어지면 저음으로 들리는 이유도 마찬가지다. ‘도플러 효과’는 음파뿐만 아니라 마이크로웨이브파, 광파(optical wave) 등 모든 파에서 똑같이 일어난다. 이 원리를 이용하면 물체의 이동 속도를 측정할 수 있다. ‘도플러 효과’를 기반으로 해서 만든 측정기에는 자동차의 속도를 측정하는 스피드건이 있다. 그러나 무엇보다도 ‘도플러 효과’를 이용해서 밝혀낸 위대한 업적은 ‘우주가 팽창하고 있다’는 사실일 것이다. 아주 빠르게 이동하는 은하에서 방출하는 빛을 계속해서 관측한다고 하자. 이때 빛의 파장이 길어져서 색깔이 적색 쪽으로 이동하게 된다면, 도플러 효과에 의해서 은하가 우리에게서 멀어진다고 볼 수 있다. 실제로 은하에서 방출하는 스펙트럼을 오랫동안 관찰한 사람들이 있었다. 바로 미국 윌슨 천문대에서 일했던 허블(Edwin Hubble)과 휴메이슨(Milton Humason)이다. 그들은 은하를 관측한 결과, 은하에서 오는 흡수 스펙트럼이 모두 적색 쪽으로 이동하는 적색 이동(red shift) 현상을 보이는 것을 알았다. 더군다나 지구로부터 더 멀리 떨어진 은하일수록 적색 이동이 더 크다는 관측 결과도 얻었다. 이것은 우주가 팽창하고 있다는 것을 증거하고 있는 것으로, 1929년에 허블은 우주가 팽창하고 있다고 발표했다. ‘빛 알갱이’인 광자들이 없었다면 어떻게 이러한 엄청난 발견이 가능했을까? 태초부터 우주가 팽창한다고 광자들이 끊임없이 메시지를 보냈을 것이다. 그러나 아무도 알아채지 못하다가, 어느 날 참새같이 부지런하고 광자들의 속삭임에 늘 귀 기울이던 두 천문학자가 우연히 그 메시지를 받아서 읽었을 것이다. 도플러 효과에 의해서, 가까워지면 빛의 색깔이 청색 쪽으로 바뀌고, 멀어지면 적색 쪽으로 변하기 때문에, 광자들은 몸의 색깔로 파원이 가까워지는지 아니면 멀어지는지를 알려준다. 그렇기 때문에 먼 은하에서 날아오는 ‘광자’들의 얼굴빛이 점점 붉은색 쪽으로 이동하고 있다면, 그것은 은하가 지구로부터 멀어지고 있다는 것을 말해 주는 것이다. 아래 구절은 <아담의 시간여행 M4220>에서 아담이 이브와 시간여행을 하면서 ‘도플러 효과’를 노래한 시이다.


 
 
 

 

 

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