공간 자체의 모양은 무엇입니까?

[힘힘]

공간 자체의 모양은 무엇입니까?

• 공간의 모양은 우주의 미래에 중요한 역할을 하며, 우주가 무한히 팽창할지, 아니면 "빅 크런치(Big Crunch)"로 수축할지를 결정합니다.  
• 일반적으로 논의되는 공간 모양에는 평면, 구형, 쌍곡선 또는 "안장"이라는 세 가지 모양이 있습니다. 각 모양에는 평행선의 동작, 삼각형 각도의 합과 같은 고유한 기하학적 특성이 있습니다.
• 천문학자들은 빅뱅 이후 우주의 모습을 포착하기 위해 무선 안테나를 사용해 왔으며, 우주가 평평하다는 사실을 알아냈습니다.

공간의 형태에 대한 질문은 확실히 조금 무의미해 보입니다. 공간은 그저 그렇습니다. 이곳은 별과 행성이 있는 곳이고, 혜성과 소행성이 태양 주위를 맴돌 수 있을 만큼 충분히 크며, 충돌할 가능성은 거의 없습니다. 공간에 모양이 있느냐고 묻는 것은 별 의미가 없는 것 같습니다.

그러나 공간의 모양에 대한 질문은 우주의 미래에 매우 실질적인 영향을 미칩니다. 즉, 우주가 영원히 팽창할지 아니면 격변적인 빅 크런치에서 현재 팽창을 되돌릴지 여부에 영향을 미칩니다. 게다가 공간은 무한할 수도 있고, 한 방향으로 충분히 멀리 이동하면 출발점으로 돌아갈 수도 있습니다.

3가지 가능한 공간 형태

공간이 모양을 갖는다는 생각은 1915년 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 함께 탄생했습니다. 그 이론에서 그는 중력의 효과를 두 천체 사이의 힘이 아니라 공간과 시간의 휘어짐으로 설명할 수 있음을 발견 했습니다 . 뉴턴이 지구 주위를 도는 달의 움직임을 달이 원을 그리며 움직이는 것으로 묘사한 반면, 아인슈타인은 이를 달이 직선이면서 곡선 공간에서 움직이는 것으로 묘사했습니다. 이는 지구 적도를 따라 직선처럼 보이는 곳을 걷는 사람이 실제로는 거대한 곡선을 따라가는 것과 크게 다르지 않습니다.

아인슈타인의 이론에 따르면, 모든 천체에 가까운 공간은 근처에 물질이 없을 때의 모양에서 구부러지고 왜곡됩니다. 블랙홀 근처에서는 질량이 없는 빛은 중력을 전혀 경험하지 않는다고 말하는 고전 물리학에도 불구하고, 공간은 빛 자체도 가둘 만큼 왜곡됩니다. 공간이 왜곡될 수 있고, 우주가 공간으로 구성되어 있다면 우주의 모양은 무엇일까?

출처: 세 가지 가능한 공간 기하학: 구형, 안장형, 평면형. (제공: NASA / WMAP 과학팀)

우리에게 익숙한 3차원 공간의 곡률을 상상하는 것은 다소 어렵기 때문에 2차원 공간의 곡률을 생각해 보는 것은 가치 있는 일입니다. 세 가지 형태의 공간이 일반적으로 논의됩니다: 평면(테이블 상판과 같은), 구형(구체 표면으로 설명), 쌍곡선 또는 "안장"(본질적으로 거대한 안장처럼 보임). 평평한 공간과 안장 공간은 범위가 무한하지만 구형 공간은 그렇지 않습니다.

270° 삼각형

평평한 공간의 동작은 고등학교 기하학 과정에서 가르칩니다. 그 안에서 두 개의 평행선은 결코 교차하지 않으며 삼각형 내각의 합은 180°가 됩니다. 구형 공간에서는 상황이 상당히 다릅니다. 여기서는 평행선이 교차하고 삼각형 내각의 합이 180°보다 큽니다. 

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보이지 않나요? 적도 바로 위에 위치한 에콰도르의 키토와 같은 도시를 예로 들어 보겠습니다. 북쪽과 서쪽을 나누는 각도는 90°입니다. 적도를 따라 서쪽으로 90° 지점까지 가세요. 그 위치에서도 북쪽과 동쪽이 90도로 분리되어 있습니다. 적도에서 평행한 두 선을 북쪽으로 따라가면 북극에서 만나 90도 각도를 이룹니다. 그리고 두 도시와 북극이 나타내는 삼각형의 각도를 더하면 270°가 됩니다. 

안장 공간에는 비슷한 놀라움이 있지만 안장 공간에서는 두 개의 평행선이 갈라져 더 멀리 떨어져 있습니다. 그리고 안장 공간에서 삼각형의 각도의 합은 180°보다 작습니다.

공간의 형태 결정

그렇다면 연구자들이 우주의 모양을 결정하는 것이 가능할까요? 그것이 밝혀졌습니다. 천문학자들은 이 질문에 대답하기 위해 매우 영리한 접근 방식을 사용했습니다. 그리고 그것은 빅뱅 직후의 우주를 이미지화하기 위해 무선 안테나를 사용하는 것으로 시작됩니다.

우주가 시작된 직후, 우주는 하얗게 뜨겁게 빛나는 뜨거운 플라즈마로 가득 차 있었습니다. 플라즈마는 또한 선호하는 파장의 음파로 가득 차 있었습니다. 공기 중의 음파와 마찬가지로 이는 플라즈마의 밀도 차이를 유발했습니다. 플라즈마의 밀도가 높을수록 조금 더 뜨거워졌습니다. 반대로 밀도가 낮은 지역은 더 추웠습니다. 뜨거운 지점과 차가운 지점 사이의 거리는 음파의 파장에 따라 결정됩니다.

그로부터 138억년 동안 우주는 팽창하고 냉각되었습니다. 한때는 하얗게 뜨거웠던 것이 약 -450°F(-268°C)의 온도로 냉각되었습니다. 이 온도에서는 초기 온도 변화를 인간의 눈으로 볼 수 없지만 민감한 전파 망원경을 사용하여 이미지화할 수 있습니다. 

빛은 고정된 속도로 이동합니다. 즉, 과거에는 먼 물체에서 빛이 방출되었다는 의미입니다. 이는 또한 충분히 멀리 방출되는 빛을 보면 문자 그대로 빅뱅 직후 우주의 상태를 볼 수 있다는 것을 의미합니다. 실제로 138억년 전에 방출된 빅뱅의 빛은 이제 지구를 둘러싸는 구체에서 볼 수 있습니다.

초기 우주의 소리 파장은 인접한 두 핫스팟 사이의 거리를 설정합니다. 핫스팟과 지구 사이의 거리는 빛의 속도와 빛이 지구에 도달하는 데 걸린 시간에 따라 결정됩니다. 인접한 두 지점의 중심과 지구는 삼각형을 형성합니다. 그리고 천문학자들은 기하학을 사용하여 지구 망원경에서 볼 수 있는 두 개의 인접한 핫스팟 사이의 각도를 계산할 수 있습니다.

공간의 모양이 삼각형을 왜곡할 수 있다는 점을 기억하세요. 공간이 편평한 경우 지점은 1°씩 분리되어야 합니다. 공간이 구형인 경우 각도는 1°보다 커야 합니다. 공간이 안장 모양인 경우 각도는 1°보다 작아야 합니다.

평평한 우주

천문학자들이 데이터를 조사한 결과 각도는 1°로 측정되었습니다. 이를 통해 그들은 우주 공간의 모양이 평평하다는 결론을 내렸습니다. 즉, 우주는 무한히 크다는 뜻입니다. 망원경으로 볼 수 있는 우주보다 훨씬 더 큽니다.

그러나 100% 정확한 측정은 없습니다. 그들은 모두 불확실성을 가지고 있습니다. 따라서 우주가 약간 구부러져 있고 우리 장비가 이를 측정할 만큼 정확하지 않을 가능성이 남아 있습니다. 아니면 우주가 휘어져 있고 매우 클 수도 있는데, 우주의 작은 부분만 보기 때문에 평평해 보일 수도 있습니다.

평면은 수많은 대안 중에서 유일하게 가능한 형태 중 하나라는 점을 감안할 때 평면을 설명하는 것은 과학의 풀리지 않는 미스터리 중 하나입니다.

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