고전적 우주론

코페르니쿠스 지동설의 중요한 의의는 지구 중심의 우주관에서 태양을 중심으로 하는 새로운 우주관을 수립한 것이었다. 더욱이 브루노는 여기에서 항성들이 천구에 박혀있다는 생각을 부정하고 항성이 무한의 거리에 존재할 가능성을 끌어내어 지구를 무한한 행성중의 하나로 정의 내리고 무한 우주를 생각했다. 뉴턴 시대는 우주는 지금에 비하면 우리 은하의 범위를 넘지 못하는 작은 규모의 우주였다. 그 때까지 우주의 크기는 지구 또는 태양을 중심으로 유한하다고 하는생각이 일반적이었지만, 우주가 정적이고 유한하다면 인력에 의해 모든 물질이 질량 중심을 향해 모이게 될 것이므로 무수한 별은 사라지고 그 대신에 우주의 중심에 거대한 물질의 덩어리가 생길 것이다. 뉴턴은 우주를 무한히 확장함으로 이 문제를 해결하여 했다. 물질이 유한하지 않은 무한의 공간에 균등하게 분포되어 있다고 가정하면 하나의 덩어리가 되지 않는다. 커다란 덩어리는 여러 곳에 만들어져 무한한 공간에 무수히 많은 커다란 덩어리가 멀리 떨어져 산재하게 될 것이다. 즉 무한한 우주에는 중심이 없고 수많은 별이나 물질들이 모든 방향에서 서로 잡아 당겨 평형을 이룬다면 우주의 붕괴를 막을수 있다고 생각했다. 

케플러는 무한한 우주에 의문을 제기한다. 우주가 무한히 크면 밤하늘의 밝기는 무한대가 되어. 대낮보다 더 밝아야 한다는 결론이 나오게 된 것이다. 우주 공간에 별들이 고르게 분포하고 별의 밝기가 모두 같다고 하면 별 빛의 세기는 거리가 멀수록 줄어들지만 먼 거리일수록 더 많은 별들이 놓여 있게 된다. 별의 밝기는 거리의 제곱에 반비례하여 약해지지만, 별들의 개수는 거리가 멀수록 거리의 제곱에 비례하여 더 많다. 따라서 우주가 무한히 크고 각각의 거리에서 오는 별빛은 일정하므로 별빛의 합은 무한히 커지게 되어 그 밝기는 무한대이다. 밤하늘이 어둡다는 사실을 올버스의 역설이라 한다. 우주가 무한하고 별들이 균일하게 분포되어 있다면 어느 방향을 보든 관측자의 시선방향은 결국 어느 별이든지 하나의 별 표면과 반드시 만나게 될 것이다. 표면 밝기는 거리의 함수가 아니므로, 전 하늘의 밝기가 태양 표면만큼이나 밝게 빛나야 할 것이다. 이 역설에 대한 설명은, 항성들이 우주에 존재해 온 시간이 유한하므로, 아주 멀리 떨어져 있는 별빛은 아직 우리에게 도달할 충분한 시간적 여우를 갖고 있지 않다는 것이다. 

 

그래서 올버스의 역설은 우주의 유한성을 입증한다기보다 우주의 나이가 유한함을 보이고 있는 것이다.우주론 원리에 의해 우주의 팽창률은 우주 어디에서나 동일하며, 우주의 척도도 시간에 따라 일정한 비율로 변한다. 정지 우주는 우주 척도가 일정하고 팽창 우주에서는 시간이 지남에 따라 증가한다. 팽창의 가장 단순한 형태는 시간이 경과함에 따라 팽창률이 일정하게 증가하는 것이지만 중력이 팽창을 감속시키기 때문에 일정한 증가는 어렵다. 우주 팽창의 감속은 중력에 의한 것이므로 우주 전체에 포함된 물질의 질량을 알면 팽창의 감속률을 알아낼 수 있을 것이다. 우주론적 원리에 의해 충분히 큰 우주의 일부분 질량만을 측정하는 것으로 우주 전체의 질량을 예측할 수 있다. 즉 우주의 평균 밀도를 측정하면 되는 것이다. 평균 밀도가 작으면 중력이 세지 못하여 팽창 속도의 감속 없이 우주는 영원히 팽창할 것이고, 평균 밀도가 높으면 중력이 세기 때문에 은하들을 끌어당겨 우주의 팽창은 결국 멈추고 말 것이다. 임계 밀도란 우주의 팽창을 언젠가는 멈추게 할 정도의 중력을 갖는 밀도이다. 실제 밀도가 임계 밀도보다 크면 우주는 팽창을 언젠가는 멈춘 다음 방향을 바꿔 수축할 것이고 임계 밀도보다 작다면 우주는 팽창을 계속할 것이다.