우리가 흔히 차원이 다르다라는 말을 자주 쓰는데 이는 사물을 보거나 생각하는 수준을 말하는 것으로 이 용어의 출발은 수학이나 과학에서 비롯된 듯 하다. 유클리드 기하학에 선은 1차원, 면은 2차원, 입체는 3차원으로 좌표의 3축으로 잘 설명하고 있다. 그런데 4차원이란 말이 나온 것은 20세기 들어 아인슈타인의 상대성이론으로부터 출발한다. 3차원의 공간에 시간차원을 도입한 것이다. 그때까지 시간과 공간은 변하지 않는 절대적인 것이었는데 아이슈타인이 와서 시간과 공간도 절대적인 것이 아니라 관측자의 운동상태에 따라서 변하는 것이라는 생각으로 3차원의 공간에 1차원의 시간을 끌어들여 4차원 시공간의 개념을 등장시켰다. 이것은 사고의 지평을 바꾸는 가히 혁명적인 사건이었다. 

위의 그림에서 4차원이란 3차원 공간을 이동하는 것으로 표현되었는데 W라는 가상의 시간축을 따라 공간이 이동하는 그림이다. 상대성원리에 따르면 정지해 있는 사람보다 빠른 속도로 공간을 움직이는 사람의 시간이 더 천천히 간다는 것이다. 도무지 감이 잡히지 않는다. 2차원의 개미가 3차원의 독수리 세계를 이해하기 어렵듯이 3차원 세계의 우리가 4차원의 세계를 상상하기는 힘든다. 그렇지만 주사위 같은 3차원 정육면체를 위 그림에서 2차원 평면 위에 그리듯이 4차원 입방체를 3차원 공간에 구현하는 것은 상상할 수 있다. 위와 같은 4차원 정육면체를 초입방체(태서렉트)라고 한다. 4차원 태서렉트를 3차원 공간에 투영하면 시간에 따라 경계면이 변하는 기괴한 4차원 큐브가 된다.

4차원에 대해서 좀더 이해의 폭을 넓혀보자. 우리는 3차원 공간에 살면서도 실제로는 2차원 시야로 사물을 본다. 우리가 풍경이나 영화 등을 감상할 때 원근감은 느끼지만 일단 평면적으로 눈앞에 펼쳐지는 세상을 인식한다. 같은 논리로 4차원 세계의 생명체는 3차원 공간적 시야를 가질 것인데 이는 전후, 좌우 및 위아래의 전방위적인 입체적 시각을 가진 생명체로 차원 상상해 볼 수 있다. 그것을 우리가 좀 쉽게 알아볼 수 있게 보여주는 것이 위의 4차원 큐브다.

하나 더 예를 들어보자. 가령 3차원 공간을 책이라 가정해 보면 그 책의 페이지들은 각각 하나의 2차원 세계가 될 것이다. 각 페이지의 2차원 면들이 모여 3차원 공간을 만든다. 페이지에서만 사는 2차원 존재가 3차원 책이라는 가기가 어렵겠지만 만일 그 존재가 책에 물이 스며들듯 어떤 경로로 한 페이지에서 다른 페이지로 이동할 수 있다면 그 2차원 존재는 전혀 새로운 세상에 왔다고 느낄 것이다. 마찬가지로 4차원 세계는 3차원 공간을 무한히 이어놓은 세계로 볼 수 있다. 이어져 있지만 3차원의 우리는 인식할 수 없는 세계다. 우리도 만일 어떤 방법으로 4차원 공간으로 들어갈 수 있다면 그 세계는 완전 천지개벽한 별세계로 느낄 것이다.

우주가 10차원이니 11차원이니 현대과학의 의견은 분분한데 이것은 무엇일까?  현재 많은 과학자들이 수용하고 있는 초끈이론으로 보았을 때 우주는 9차원의 공간에 시간이 합쳐진 10차원의 시공간이다. 4차원 시공간까지는 대충 짐작이 가지만 나머지 6차원은 어디에 있을까. 빅뱅 당시 나머지 6차원은 블랙홀 같은 극소의 영역 속에 말려들어가 숨어버린 까닭에 우리가 인식할 수가 없다.

시간은 뒤로가지 못하고 앞으로만 흐른다. 1차원 선과 같지만 앞으로만 갈 수 있으니 그마저도 반쪽 1차원이다. 시간을 될돌릴 수는 없을까? 우리가 오랫동안 상상으로 품어온 화두다. 타임머신 같은 상상 속의 기계가 문학과 영화 등의 여러가지 이야기로 나오고 있는 것은 그 반증이다. 하지만 아직 타임머신은 이론적으로만 가능하다. 빛의 속도가 절대속도이기 때문이다. 우주선이 빛의 속도인 초속 30만km로 달린다 해도 우주선에서 보는 빛의 속도는 여전히 초속 30만km이기 때문이다. 그러나 돌이켜 역사를 보면 우리가 상상하는 것은 거의 모두 현실이 되었다. 어찌 알겠는가 우리의 후손이 타임머신을 타고 우리를 찾아올 날이 있을지도 모를 일이다.

빛, 공간, 시간, 그리고 중력에 따라 우리가 우주를 인지하는 방식이 어떻게 달라질까?

이는 참으로 흥미로운 질문이다. 우리가 당연시 여기는 이런 자연의 존재들이 우주공간에서 서로 만나 인간은 전혀 상상하지 못한 세계를 만들어 내기 때문이다. 1802년 코스모스를 깊이 들여다 본 천문학자 윌리엄 허셜은 빛이 시간으로 마술을 부리는 것을 알아냈다. 모든 별은 태양과 같은 항성이며 지금은 사라지고 없을지도 모를 유령임을 알아냈다. 빛이 1초에 30만 km를 달린다. 지구에서 달까지의 거리가 대략 그쯤 되니 지구와 달까지의 거리는 1광초가 된다. 지구에서 태양까지는 8광분, 빛의 속도로 8분 걸리는 거리다. 그러니 지금 우리가 보는 해는 8분 전의 태양이 되는 셈이다.  지구에서 가장 먼 혹성 해왕성은 4광시 쯤 떨어져 있다. 끝으로 지구에서 가장 가까운 별도 그 빛이 지구에 도달하기까지 4년이나 걸린다 하니 무려 10조km나 떨어진 먼 거리다. 이는 시속 56,000km의 속도를 자랑하는 우주탐사선 보이저호로 간다고 해도 그 별에 도착하려면 무려 8만년이나 걸린다.  

게성운

게성운은 태양의 10배 가량의 질량을 가진 항성으로 초신성 폭발을 일으켰다. 펄스라 불리는 도시만한 붕괴된 별들이 초당 30회의 속도로 회전하며 소용돌이 자기장 속에서 광속으로 가속화 된다. 이들이 초신성의 가스층을 온통 푸른빛으로 물들이고 있다.  이 게성운은 지구에서 6,500 광년 떨어져 있는데 그것도 지구가 은하의 중심에서 3만 광년 떨어져 있는 것에 비기면 이웃이나 다름없다. 발견된 가장 오래 된 은하계 별빛은 허블 망원경이 포착한 134억년 된 별빛이다. 이 별빛이 출발했을 때는 지구는 물론 태양이나 우리 은하계도 수십억년 지난 후에야 생겨났다. 이보다 더 멀리 내다보려면 우주의 끝과 같은 곳에 부딪친다. 그곳은 시간의 시작과 같은 곳이다. 

빅뱅은 138억년 전 우주를 만든 대폭발이다. 이 폭발로 우주가 팽창하면서 코스모스는 더 웅장한 규모로 진화한다. 군데군데 밀도높은 가스들의 집단은 1세대 별들을 만들고, 수명을 다한 1세대 별들은 우주에 더 무거운 원소들의 씨를 뿌려 그 결과 행성이 형성되고 궁극적으로 생명이 출현하게 된다. 빅뱅은 물질과 에너지와 시간과 공간도 창초했다. 중력처럼 물질을 결속하는 힘들도 나타났다. 허셜은 중력의 보다 큰 법칙, 중력이 머나먼 별들까지 지배한다는 사실을 발견했다. 그는 보이지 않는 힘의 장이 파도처럼 빛의 속도로 이동하는 거대한 우주 양탄자의 비밀, 빛과 공간 그리고 중력으로 수놓인 화려한 무늬에 대해서는 물랐다. 

우주에서 운직이지 않는 무언가가 기준이 되어야 그것을 기준으로 다른 것들과의 상관관계를 계측할 수 있을 텐데 우주에서 움직이지 않는 것이 과연 있을까? 지구는 시속 1600km로 자전하면서 시속 108,000km로 태양 주위를 공전한다. 태양은 시속 70만km로 은하 속으로 이동하고, 은하는 시속 250만km로 우주 속을 이동한다. 코스모스에 고정된 장소는 없다. 이 사실은 아인시타인에게 좌절과 영감을 안겨 주기에 충분했다. 모든 상대 속도를 계측할 절대기준이 없었기 때문이다. 이때 아인시타인은 자신이 광속으로 이동하면 무슨 일이 일어날지를 상상했다. 오토바이를 타고 우주 속으로 여행한다고 상상해 보자. 오토바이가 아무리 빨리 달려도 오토바이 헤드라이터에서 나오는 빛은 여전히 광속이다. 자연은 명령한다. 광속에 나의 속도를 더하지 마라고. 어떤 물질도 빛의 속도와 같거나 빛보다 더 빨리 이동할 수 없다. 물리적으로 빛의 속도 99.9%까지는 가능하다. 그러나 아무리 애써도 빛의 속도에는 다다를 수가 없다. 

그렇다면 광속을 음속처럼 넘어설 수가 없는 이유가 무얼까?  단지 빛이 소리보다 100만배 쯤 빠르기 때문만은 아니다. 공학적인 문제 때문도 아니다. 오히려 광속의 장벽은 자연법칙이다. 고로 어떤 상대적 속도로 움직이든 거기서 나오는 빛의 속도는 늘 같다. 자연법칙은 문화나 시대에 따라 달라지지 않으며 코스모스 전체에 적용된다. 절대공간과 절대시간의 개념은 없다. 우리가 광속에 가까워지는 건 불로장생의 비결같은 것이다. 우리보다 느린 것들에 비해 생체시계가 느려지는 것이다. 인간의 수명이 100년도 안되지만 이를 이용하면 항성 여행이 가능할지도 모르겠다. 시공의 마법은 이렇듯 놀랍다.

존 미첼은 존재하지만 볼 수 없는 별을 암흑성이라 불렀는데 이는 아주 거대하고 무거워서 그 중력의 영향력에서 빛조차 벗어나지 못하는 별이라 상상했다. 우주를 관찰하다 보면 어떤 별들은 안쪽에 아무 것도 없는 데 궤도를 돈다. 보이진 않지만 궤도의 안쪽엔 질량이 큰 무언가가 있다. 암흑성, 오늘날의 블랙홀이다. 중력은 시공간을 왜곡한다. 중력의 세기에 따라 공간은 팽창, 수축하거나 휘어질 수 있다. 지구의 중력을 1G라고 한다면 수백만 G에서는 빛조차 중력에 굴복한다블랙홀이 될만큼 무거운 별은 천 개에 하나 꼴이다. 지구에서 가장 가까운 블랙홀은 100광년 쯤 떨어져 있다.  

블랙홀과 주위 원판

블랙홀은 어떻게 탄생했을까?

 거성이 핵연료를 다 소모하면 자신의 중력을 이겨낼 만큼의 열기를 유지할 수 없다. 거대한 별은 붕괴해 어둠 속에 모습을 감추고 중력만을 남겨 놓는다. 그 블랙홀이 수축한 초거성의 사체를 감춘다. 초거성 자체는 폭이 64km 밖에 안되는 블랙홀보다 훨씬 작게 움츠려 든다. 블랙홀 주위를 도는 주홍색의 가스 원판은 온도가 1억도에 이르는데 X선망원경에 포착되어 아주 밝게 빛난다. 블랙홀 주위를 돌던 별들은 안쪽으로 소용돌이 치는 뜨겁고 밝은 응축 원반으로 빨려 들어간다.  엄청난 중력이 죽음의 소용돌이를 가속화해 푸른 별의 가스는 시공의 경계 너머로 사라져간다. 블랙홀과 나머지 우주를 가르는 경계를 사건지평선이라 부른다. 만일 운이 좋아 죽지않고 원반에 올라탔다면 몇 초만에 사건지평선을 지나쳐 누구도 들어가 본 적이 없는 미지의 세계로 들어서게 된다. 시간과 공간 등이 전혀 다른 차원의 자연법칙이 존재하는 완전히 새로운 우주가 펼쳐질지도 모른다. 

 

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