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오늘날 과학자들은 우주의 역사를 우주가 생기고 난 후 0.00000000000000000000000000000000000000000001 초(${10}^{-44}$초)가 지났을 때까지 거슬러 올라가 알 수 있다고 말한다. 당시 우주는 이 문장에서 마침표 정도의 크기, 즉 10 마이크로미터(${10}^{-6}$m)였다고 한다.

우주는 태초에 갑자기 '빵'하는 대폭발과 함께 생겨났고, 그후로 지금까지 계속 팽창하고 있다. 그렇다면 앞으로 이 우주는 어떻게 될까. 계속 끝없이 팽창할까. 아니면 어느 순간 팽창을 멈추고 다시 쪼그라들게 될까.

그 답을 알아보기에 앞서 지구 위에서 우주공간을 향해 힘껏 던진 돌멩이가 어떻게 될지 생각해보자. 평소 우리 경험대로라면 틀림없이 다시 되돌아온다.

그러나 슈퍼맨이 엄청나게 빠른 속도로 던진다면 돌멩이는 우주공간으로 날아가 버릴 것이다. 실제로 지면에서 던지는 속도가 초속 11km 이상이라면 다시 땅으로 되돌아오지 않고 우주 공간으로 떠나게 된다. 이를 탈출속도라고 한다.

돌멩이는 지구로부터 인력을 받는데, 그 속도가 빠르면 인력을 극복할 수 있기 때문이다. 에너지라는 개념을 이용해 다시 말하면, 현재 운동에너지의 크기가 중력에 의한 위치에너지의 크기보다 크면 돌멩이는 되돌아오지 않고 날아가 버린다.

질량을 가진 모든 물체 사이에는 만유인력이 작용하고 있기 때문에 돌멩이는 지구를 이루는 모든 물질로부터 인력을 받는다. 따라서 돌멩이가 받는 인력을 따지려면 지구를 이루는 각 부분에 의한 인력을 모두 계산해야 한다. 그러나 이는 지구를 이루는 모든 물질이 지구 중심에 모여 있다고 가정하고 계산한 결과와 마찬가지이다.

이제 우주의 장래에 대해서 따져보기로 하자. 안드로메다은하는 현재 지구로부터 자꾸만 멀어지고 있다. 우주가 아직도 팽창하고 있기 때문이다. 안드로메다은하의 운명을 따져보면 우주의 운명을 알 수 있기 때문에 앞서 생각해 봤던 돌멩이 문제를 이용해 이를 생각해 보자.

안드로메다은하는 지구와 안드로메다은하를 반지름으로 하고 지구를 중심으로 하는 구 속의 모든 물질로부터 만유인력을 받는다. 이를 이용해 계산했을 때 위치에너지의 크기가 운동에너지의 크기보다 크다면 안드로메다은하는 마치 던져올린 돌멩이와 같이 멈췄다가 지구를 향해 다시 되돌아올 것이다. 즉 우주가 수축한다는 뜻이다. 그러나 만일 운동에너지의 크기가 더 크다면 계속 지구로부터 멀어질 것이다. 이때는 우주가 계속 팽창한다.

그렇다면 안드로메다은하의 운동에너지와 위치에너지 중 어느 쪽의 크기가 더 클까. 그것은 우주의 밀도에 따라 달라진다. 즉 우주의 밀도가 어느 한도보다 크다면 위치에너지의 크기가 더 크기 때문에 앞으로 언젠가는 다시 수축하리라고 예측할 수 있다.

만일 우주의 밀도가 이보다 작다면 우주는 멈추지 않고 팽창을 계속할 것이다. 현재 과학자들은 우주의 밀도를 측정할 수 있다. 측정 결과가 어떻게 나왔을까? '에너지로 따져 묻는 현대물리학 175쪽'을 보면 알 수 있다. 우주의 미래에 대한 답은 다음 호에 정리해 게재한다.