낮엔 파랑, 밤엔 까망
대낮에 하늘이 파랗게 보이는 이유, '빛의 산란'
- 태양에서 오는 '햇빛'은 사실 모든 색깔의 빛이 섞여 있는 '백색광'입니다. 무지개가 생기는 것처럼 각 색깔은 고유한 '파장'을 가지고 있어요.
- 지구 대기에는 질소, 산소와 같은 아주 미세한 기체 분자들이 무수히 많아요. 이 분자들의 크기는 가시광선의 파장보다 훨씬 작습니다.
- 햇빛이 지구 대기를 통과하면서 이 작은 대기 분자들과 부딪히는데, 이때 파장이 짧은 보라색~파란색 계열의 빛이 빨간색보다 훨씬 더 강력하게 사방으로 흩뿌려지는 '산란'을 합니다.(레이일 산란)
- 이렇게 대기 중에서 사방으로 확장해 흩어진 파란색 빛이 우리 눈에 들어오기 때문에 하늘이 파랗게 보이는 것입니다.
- 사실 보라색 빛은 파장이 더 짧기 때문에 이론적으로는 파란색보다 더 많이 산란됩니다. 그런데도 우리가 하늘을 파랗게 보는 데에는 태양 빛(백색광)에는 보라색 성분은 상대적으로 적습니다. 그래서 산란되더라도 양이 적기 때문에 눈에 덜 띕니다.
그럼 밤하늘은 왜 까말까? 까만 밤이 알려주는 ‘우주의 진실’
밤이 되면 하늘은 어두워집니다.
"햇빛이 없으니까 어둡지."
우리 대부분은 그렇게 생각하죠.
그런데...
진짜로 그게 전부일까요?
잠깐, 한번 생각해보세요.
밤하늘이 까만 이유는 아주 흥미로운 과학적 질문이며 밤에는 태양이 지구 반대편에 있어서 우리가 있는 곳까지 빛이 닿지 않으므로 하늘이 단순히 어둡게 보인다고 생각할 수도 있지만.... 뭔가 부족해요.
이 질문은 실제로 "올버스의 역설(Olbers' Paradox)"이라고도 불리는 천문학적인 문제와 연결돼 있습니다.
--> 우선 '별'이 무엇인지부터 알아보죠. '별의 정의'는?
우리가 보통 밤하늘에 보이는 모든 천체를 별이라 부르는데, 천문학에서의 별(Star)은 자기 안에서 핵융합을 통해 스스로 빛과 에너지를 내는 천체를 말하며 태양도 그중 하나입니다. 그 나머지들은 모두 행성, 소행성, 혜성, 운석, 가스구름, 블랙홀, 중성자별 등 입니다.
--> 그럼 우주에 스스로 빛과 에너지를 내는 별은 몇 개나 있을까요?
수천억 개의 은하 × 수천억 개의 별(사실 정확히는 모르는 게 맞을 겁니다)
이 숫자를 곱하면, 우리가 상상할 수 없는 수의 별이 생깁니다. 이는 지구상 모든 모래알을 다 합친 것보다 별이 더 많다는 의미입니다. 그리고 그 수많은 별들은 스스로 빛을 뿜고 있습니다.
그런데 우리가 '하늘에서 볼 수 있는 별'은 상상도 할 수 없는 숫자가 아니라 대략 3,000~6,000개 정도밖에 안 되고 나머지는 너무 멀어서 안 보이거나, 빛이 약해서 감지되지 않습니다.
--> 우주의 어둠이 말해주는 세 가지 진실
그렇다면, 질문...
우리가 하늘에서 볼 수 있는 별들은 수천개 정도이지만 원래 우주는 별들로 가득 차 있고 우주가 무한하고 영원하다면, 밤하늘 전체가 별빛으로 꽉 차서 환하게 보여야 합니다. 그런데 실제로는 까맣잖아요. 이게 바로 올버스의 역설입니다. 실제로는 환하지 않고 까맣게 보인다는 거죠.
"왜 밤하늘은 온통 별빛으로 꽉 차 있지 않을까?"
왜 우리는 빛나는 벽 대신, 캔버스처럼 새까만 하늘을 보는 걸까요?
그 이유들은 ......
1. 우주는 유한한 나이(약 138억 년)를 가졌다
우주는 약 138억 년 전에 시작됐습니다.
이 말은 곧, 그보다 더 먼 거리에서 오는 별빛은 아직 도착하지 못했다는 뜻이죠.
우리는 우리가 "볼 수 있는 우주" 안에서만 별빛을 받고 있습니다.
2. 우주는 팽창하고 있다
멀리 있는 은하에서 오는 빛은 '적색편이(Redshift)'라는 현상을 겪습니다.
즉, 빛의 파장이 길어져서 붉은 쪽으로 이동하여 결국 우리 눈에 보이지 않는 전자기파 영역(적외선, 마이크로파 등)
으로 넘어갑니다. 이는 우주가 계속 팽창하고 있다는 강력한 증거가 됩니다.
3. 별들은 무한하지 않다
별들이 아무리 많다고 해도 우주에서 별은 생각보다 드문 존재입니다.
별은 소수만 보이고 대부분의 하늘은 새까맣습니다.
우주 공간의 대부분은 진공 상태, 말 그대로 아무것도 없는 어둠입니다.
상상해 보시죠.
우리가 사는 우주가 무한하고, 별이 끝없이 퍼져 있다면 어떻게 될까요?
그렇다면 하늘을 보는 어느 방향에서든 결국엔 별 하나쯤은 눈에 들어와야 합니다.
모든 지점에서 별빛이 우리 눈에 닿을 테니 밤하늘 전체가 별빛으로 환하게 빛나야 마땅합니다.
비유: 별 = 촛불, 우주 = 거대한 평야
- 상상해보세요.
당신이 지금 어두운 평야 한가운데 서 있습니다.
그런데 그 평야 전체에 촛불이 끝도 없이 세워져 있어요.
앞, 뒤, 왼쪽, 오른쪽, 수평선 너머까지 전부 촛불입니다.
게다가 이 촛불들은 무한히 멀리까지 이어지고, 영원히 타고 있었고, 한 번도 꺼진 적이 없습니다. - 그럼 어떤 일이 벌어질까요?
당신 주변은 밝기 시작하겠죠.
멀리 있는 촛불은 작게 보이지만, 수도 없이 많으니까
그 빛이 겹치고 또 겹쳐서 결국 어둠은 사라지고, 전체가 환해집니다.
어둠은 남아있을 수 없어요. - 이걸 우주에 적용하면?
- 별은 촛불처럼 스스로 빛을 냅니다.
- 우주가 무한하고,
영원히 존재해왔다면,
모든 방향에 별이 존재했어야 하고
그 별빛들이 지금쯤 전부 도착했어야 합니다. - 그러면 우리는 하늘을 올려볼 때마다
빈 공간 없이 별빛만 봤어야 해요.
말 그대로 밤하늘은 하얗게 환했을 것입니다.
--> 밤하늘이 까맣다는 건, 우주가 유한하다는 증거다
밤하늘이 까맣다는 건 단지 해가 졌다는 뜻이 아닙니다.
그건 우주가 ‘시작점’이 있다는 명백한 증거입니다.
밤하늘이 까맣다는 건 우주가 무한하지 않다는 뜻이고, 우리가 우주의 경계 바깥을 보지 못한다는 뜻이며,
우주가 언젠가 시작되었음을 암시하는 강력한 증거입니다.
그 까만 밤하늘을 볼 때마다 떠올려보세요.
"저 어둠은 아무것도 없는 게 아니다.
그건, 아직 도착하지 않은 우주의 빛이다."
한 마디로 정리하면...
- 밤하늘이 까만 이유는 우리가 하늘의 극히 일부분만 볼 수 있으므로 별빛은 제한되어 있기 때문입니다.
- 별이 없어서가 아니라, 별 빛이 아직 도착하지 않아서예요.
- 우주가 팽창하고 있기 때문이예요.
- 이것은 곧,
👉 우주가 영원하지 않고 유한하다,
👉 우주가 시작점(빅뱅)을 가졌다는 결정적인 증거입니다. 즉, 우주가 처음부터 있던 것이 아님을 증명합니다.