우주가 팽창하는데 왜 태양계와 우리 몸은 커지지 않을까?
우주는 지금도 팽창하고 있습니다.
멀리 있는 은하들을 관측하면 대체로 거리가 먼 은하일수록 우리에게서 더 빠르게 멀어지는 모습이 나타납니다.
그런데 여기에서 아주 자연스러운 의문이 생깁니다.
“우주 공간 자체가 팽창하고 있다면 지구와 태양 사이의 거리도 계속 늘어나야 하지 않을까?”
조금 더 생각하면 질문은 더욱 이상해집니다.
우리가 서 있는 지구도 우주 안에 있고,
우리 몸도 우주 안에 있으며,
우리 몸을 이루는 원자도 모두 우주 공간 속에 존재합니다.
그렇다면 우주가 팽창할 때
지구도 커지고, 사람의 키도 늘어나고, 원자 자체도 함께 커져야 하는 것은 아닐까요?
실제로는 그렇지 않습니다.
우주가 팽창한다고 해서 사람의 키가 커지는 것도 아니고, 지구가 부풀어 오르는 것도 아니며, 태양계의 행성 궤도가 우주의 팽창률에 맞춰 계속 넓어지는 것도 아닙니다.
그 이유를 이해하려면 먼저 ‘우주가 팽창한다’는 말의 정확한 의미부터 살펴봐야 합니다.
우주의 나이 138억 년
우주가 팽창한다는 것은 무엇을 의미할까?
우주의 팽창을 처음 접하면 흔히 하나의 장면을 떠올립니다.
중앙에서 거대한 폭발이 일어나고 은하들이 빈 공간 속으로 사방으로 날아가는 모습입니다.
하지만 현대 우주론이 말하는 우주의 팽창은 이런 단순한 폭발과는 다릅니다.
큰 규모에서 보면 은하 사이의 거리를 나타내는 우주의 척도가 시간에 따라 증가합니다.
쉽게 말하면 은하들이 존재하는 공간의 규모 자체가 변화하고 있는 것입니다.
그래서 멀리 떨어져 있고 서로 중력적으로 묶여 있지 않은 은하들은 시간이 지날수록 서로 멀어지는 경향을 보입니다.
NASA는 1920년대 후반부터 천문학자들이 우주가 팽창하고 있다는 사실을 알고 있었으며, 먼 은하일수록 더 빠르게 멀어지는 관계가 관측된다고 설명합니다.
하지만 여기에서 중요한 표현이 하나 있습니다.
‘큰 규모에서’입니다.
우주 팽창이 모든 크기의 구조에서 똑같이 나타나는 것은 아닙니다.
풍선에 그린 은하 그림에는 함정이 있다
우주의 팽창을 설명할 때 가장 많이 사용하는 것이 풍선 비유입니다.
풍선 표면에 점 여러 개를 그려 놓고 풍선을 불어봅니다.
풍선이 커질수록 점과 점 사이의 거리가 늘어납니다.
이 모습을 통해 은하 사이의 거리가 증가하는 우주의 팽창을 어느 정도 직관적으로 이해할 수 있습니다.
그런데 이 비유를 너무 문자 그대로 받아들이면 문제가 생깁니다.
풍선에 그린 점 자체도 풍선을 불면 함께 늘어나기 때문입니다.
실제 은하는 그렇지 않습니다.
UCLA 천문학자 에드워드 라이트가 설명하는 우주 팽창의 풍선 모형에서도 은하 자체는 커지지 않고 은하 사이의 거리가 증가한다는 점을 명시하고 있습니다.
따라서 풍선 위의 점은 실제 우주에서는 단순한 잉크 자국이 아니라, 스스로 중력에 의해 단단히 결합되어 있는 구조라고 생각해야 합니다.
핵심은 ‘결합되어 있는가’이다
이 질문의 가장 중요한 열쇠는 **결합계(bound system)**라는 개념입니다.
어떤 물체들이 서로 작용하는 힘에 의해 하나의 안정된 구조를 이루고 있다면 그것을 결합된 계라고 볼 수 있습니다.
예를 들어,
지구와 달은 중력으로 서로 묶여 있습니다.
지구는 태양의 중력에 의해 궤도를 돌고 있습니다.
태양과 수많은 별은 우리은하의 중력 구조 안에서 움직입니다.
우리 몸을 구성하는 분자와 원자들은 주로 전자기적 상호작용에 의해 구조를 유지합니다.
원자핵 내부에는 강한 핵력이 작용합니다.
이처럼 작은 규모의 세계에서는 중력, 전자기력, 강한 핵력 등 국소적인 힘이 구조를 유지합니다.
NASA는 ‘gravitationally bound’, 즉 중력적으로 결합된 상태를 서로의 중력 때문에 궤도나 구조를 유지하고 있는 상태라고 설명합니다.
이런 결합계는 우주의 일반적인 팽창 흐름을 그대로 따라가지 않습니다.
태양과 지구 사이도 매년 늘어나야 하는 것 아닐까?
현재 우주의 팽창을 나타낼 때 사용하는 중요한 값 가운데 하나가 **허블상수(Hubble constant)**입니다.
이를 아주 단순하게 표현하면,
멀리 떨어진 은하일수록 서로 멀어지는 속도가 커지는 관계를 나타냅니다.
그렇다면 허블 법칙을 태양계에도 적용하면 되지 않을까요?
지구와 태양 사이가 약 1억 5천만 km 떨어져 있으니 우주 팽창 때문에 매년 조금씩 멀어져야 할 것처럼 보입니다.
하지만 그렇게 계산하는 것은 올바르지 않습니다.
허블 흐름은 주로 서로 중력적으로 묶여 있지 않은 매우 큰 규모에서 의미가 있습니다.
태양과 지구는 중력에 의해 강하게 결합돼 있습니다.
지구는 우주 팽창을 따라 태양에서 떠밀려 나가는 것이 아니라 태양의 중력장 안에서 궤도 운동을 하고 있습니다.
UCLA의 우주론 설명에서도 행성이 태양 주위를 일정한 크기의 궤도로 돌 수 있는 것은 태양에 중력적으로 결합돼 있기 때문이라고 설명합니다.
우주의 팽창 효과와 비교하면 태양계 내부를 지배하는 중력 효과가 압도적으로 큽니다.
그렇다면 지구 궤도는 정말 전혀 변하지 않을까?
여기에서 표현을 조심해야 합니다.
“태양계는 우주 팽창 때문에 전혀 영향을 받지 않는다.”
라고 너무 절대적으로 표현하면 미세한 물리 효과까지 포함해 논쟁의 여지가 생길 수 있습니다.
보다 정확한 표현은 이렇습니다.
일반적인 우주 팽창은 태양계의 크기를 허블 팽창률에 맞춰 늘어나게 만들지 않으며, 현재 우주의 팽창이 행성 궤도에 미치는 효과는 태양계 내부의 다른 물리 효과에 비해 극도로 작습니다.
실제로 지구의 궤도는 완벽하게 고정되어 있지 않습니다.
태양은 빛과 태양풍을 통해 질량을 조금씩 잃습니다.
행성 사이에는 복잡한 중력 상호작용도 있습니다.
따라서 오랜 시간에 걸쳐 궤도가 미세하게 변할 수 있습니다.
하지만 이것을
“우주가 팽창해서 지구가 태양에서 계속 밀려난다.”
라고 설명하면 잘못입니다.
우리은하도 우주 팽창 때문에 커지고 있을까?
그렇지 않습니다.
우리은하 역시 수많은 별과 가스, 암흑물질 등이 중력적으로 결합되어 있는 구조입니다.
은하 내부의 별들은 단순히 우주의 팽창을 따라 서로 멀어지는 것이 아니라 은하 전체의 중력장 안에서 운동합니다.
우리 태양도 마찬가지입니다.
태양은 우리은하 중심을 기준으로 운동하며 은하의 중력 구조에 속해 있습니다.
따라서 우리은하의 지름이 허블 팽창에 따라 매년 일정 비율로 늘어나는 것은 아닙니다.
그렇다면 안드로메다은하는 왜 우리에게 다가올까?
이 사실은 우주 팽창을 이해하는 데 아주 좋은 사례입니다.
안드로메다은하는 우리에게서 약 250만 광년 떨어져 있습니다.
우주가 팽창한다면 안드로메다 역시 우리에게서 멀어져야 할 것처럼 생각할 수 있습니다.
그런데 안드로메다은하는 오히려 우리은하 쪽으로 접근하고 있습니다.
왜일까요?
NASA의 교육 자료에서는 바로 이 문제를 설명하면서, 안드로메다은하는 허블 법칙을 단순하게 적용하기에는 충분히 멀리 떨어진 은하가 아니라고 설명합니다.
우리은하와 안드로메다은하는 **국부은하군(Local Group)**이라는 같은 은하 집단에 속해 있으며 서로 중력적으로 영향을 주고 있습니다.
이 규모에서는 우주 팽창보다 국소적인 중력 효과가 훨씬 중요합니다.
그래서 안드로메다의 실제 운동을 이해하려면 허블 팽창보다 우리은하와의 중력 관계를 먼저 살펴봐야 합니다.
은하단은 어떨까?
우주 구조의 크기를 조금 더 키워보겠습니다.
별 → 은하 → 은하군 → 은하단으로 올라갈수록 규모가 커집니다.
은하단은 수백 개 또는 그 이상의 은하와 뜨거운 가스, 암흑물질 등이 거대한 중력 구조를 이루는 경우가 있습니다.
ESA 역시 은하단을 우주에서 중력으로 결합되어 있는 가장 큰 구조 가운데 하나로 설명합니다.
이처럼 충분히 강하게 중력적으로 묶여 있는 은하단 내부에서는 우주의 평균적인 팽창 흐름이 내부 구조를 그대로 늘리지 않습니다.
하지만 규모가 더 커지면 상황이 달라집니다.
서로 중력적으로 결합되지 않은 은하 집단 사이에서는 우주 팽창이 점점 중요한 역할을 하게 됩니다.
그래서 우주의 거대한 규모에서 바라보면 은하 집단 사이의 평균적인 거리는 시간이 지나면서 증가합니다.
어디까지가 팽창하고 어디부터 팽창하지 않을까?
여기에서 아주 좋은 질문이 생깁니다.
“그렇다면 정확히 몇 광년까지는 팽창하지 않고 그 이상부터 팽창하는 것일까?”
아쉽게도 단순한 거리 하나로 경계를 정할 수는 없습니다.
중요한 것은 크기만이 아닙니다.
그 계가 얼마나 많은 질량을 가지고 있는지,
물질이 얼마나 밀집해 있는지,
서로의 상대적인 운동이 어떤지,
중력적으로 안정된 상태인지 등을 함께 봐야 합니다.
따라서
“100만 광년 이하는 팽창하지 않는다.”
같은 고정된 기준을 적용할 수는 없습니다.
핵심은 그 구조가 자체적인 힘으로 결합되어 있는가입니다.
그렇다면 사람의 몸은 왜 늘어나지 않을까?
이제 우리의 몸으로 내려와 보겠습니다.
사람의 몸을 구성하는 물질을 계속 작게 나눠보면 분자와 원자에 도달합니다.
원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다.
그렇다면 우주 공간 자체가 팽창할 때 원자핵과 전자 사이의 거리도 조금씩 커져야 하는 것 아닐까요?
일상적인 물질에서는 그렇지 않습니다.
원자의 구조는 우주의 팽창이 아니라 양자역학과 전자기적 상호작용에 의해 결정됩니다.
분자 역시 원자 사이의 전자기적 결합으로 구조를 유지합니다.
우리 몸의 조직과 물질도 결국 이러한 결합을 기반으로 유지됩니다.
따라서 사람이나 책상, 건물, 지구가 우주의 허블 팽창에 맞춰 늘어나지 않습니다.
원자도 정말 우주 팽창을 무시할 수 있을까?
이 문제는 단순한 비유 차원이 아니라 실제 물리학 연구에서도 다뤄졌습니다.
물리학자 리처드 프라이스와 조지프 로마노는 **“팽창하는 우주에서 무엇이 팽창하지 않는가?”**라는 연구에서 전기적 인력으로 묶인 단순한 원자 모형을 분석했습니다.
연구에서는 결합된 계가 단순히 우주의 팽창률에 맞춰 조금씩 계속 늘어나는 식으로 행동한다고 생각하면 안 된다는 점을 보여줍니다.
즉
“우주가 매년 일정 비율로 커지니까 원자도 같은 비율로 커진다.”
라는 생각은 올바르지 않습니다.
일단 안정된 결합 상태가 형성되면 그 구조의 크기는 주로 그 계를 지배하는 국소 물리 법칙에 의해 결정됩니다.
우주 팽창보다 전자기력이 훨씬 강한 것일까?
우리 몸처럼 작은 규모에서는 그렇다고 이해해도 좋습니다.
자연에는 네 가지 기본 상호작용이 있습니다.
중력,
전자기력,
강한 핵력,
약한 핵력입니다.
원자와 분자의 구조를 결정하는 데에는 전자기력이 매우 중요하고, 원자핵 내부에는 강한 핵력이 작용합니다.
이러한 국소적인 상호작용으로 만들어진 구조를 우주의 평균 팽창이 단순히 잡아 늘이지 못합니다.
따라서 책상의 길이,
사람의 키,
지구의 반지름,
원자의 크기를 측정한다고 해서 우주의 팽창과 같은 비율로 커지는 현상이 나타나지는 않습니다.
그렇다면 자도 함께 늘어나서 우리가 눈치채지 못하는 것은 아닐까?
흥미로운 의문입니다.
가끔 이런 설명을 접할 수 있습니다.
“사람도 커지고 자도 같이 커지니까 우리가 우주 팽창을 알아채지 못하는 것 아닐까?”
하지만 이것 역시 정확한 설명이 아닙니다.
자와 사람의 몸이 우주 팽창률에 맞춰 똑같이 늘어나고 있어서 못 느끼는 것이 아닙니다.
애초에 이러한 결합된 물질의 크기는 허블 팽창을 그대로 따라가지 않습니다.
그래서 지구에서 사용하는 길이 기준과 원자 규모의 기준이 우주 팽창 때문에 동시에 조금씩 커지고 있는 것은 아닙니다.
그러면 도대체 무엇이 팽창하는 것일까?
여기까지 읽으면 오히려 새로운 의문이 생길 수 있습니다.
태양계도 안 늘어나고,
은하도 안 늘어나고,
사람도 안 늘어나고,
원자도 안 늘어난다면
“도대체 우주의 무엇이 팽창한다는 것일까?”
핵심은 거대한 우주 규모입니다.
서로 중력적으로 결합되어 있지 않은 아주 먼 은하와 은하 집단 사이의 평균적인 거리 관계가 시간에 따라 증가합니다.
이를 현대 우주론에서는 **스케일 팩터(scale factor)**라는 개념으로 표현합니다.
우주의 팽창은 모든 사물의 크기를 확대하는 만능 확대경이 아닙니다.
오히려 거대한 우주에서 결합되지 않은 구조들 사이의 거리 척도가 시간과 함께 변화하는 현상이라고 이해하는 편이 훨씬 정확합니다.
암흑에너지는 태양계를 밀어내지 않을까?
오늘날 우주의 팽창은 가속되고 있다고 알려져 있습니다.
1990년대 먼 초신성을 관측하면서 과학자들은 우주의 팽창 속도가 과거보다 현재 더 빨라지고 있다는 사실을 발견했습니다.
현재 가장 널리 사용되는 설명에는 **암흑에너지(dark energy)**가 등장합니다.
NASA는 우주의 가속 팽창을 설명하기 위해 암흑에너지와 같은 무엇인가가 필요하다고 설명하지만, 그것의 본질은 아직 밝혀지지 않았습니다.
그렇다면 암흑에너지가 점점 강해져 태양계까지 찢어놓는 것은 아닐까요?
현재의 표준적인 우주론에서는 그렇게 예상하지 않습니다.
현재 관측되는 수준의 가속 팽창 때문에 태양계, 지구, 사람, 원자가 붕괴한다고 보지는 않습니다.
‘빅 립’이라는 이야기는 무엇일까?
우주 이야기를 읽다 보면 **빅 립(Big Rip)**이라는 표현을 접할 수도 있습니다.
특정한 형태의 암흑에너지를 가정하면 먼 미래에 우주의 가속 팽창이 극단적으로 강해져 은하, 태양계, 행성, 심지어 원자 규모의 구조까지 차례로 무너질 수 있다는 가설입니다.
하지만 이것은 현재 확정된 우주의 미래가 아닙니다.
암흑에너지의 정확한 성질을 아직 모르기 때문에 여러 우주론적 가능성 가운데 하나로 연구되는 시나리오입니다.
따라서
“우주가 팽창하고 있으니 언젠가 반드시 모든 원자가 찢어진다.”
라고 말하면 현재 과학이 확정한 사실을 넘어서는 표현입니다.
우주의 팽창은 어디에서 일어나고 있을까?
가끔 이런 질문도 나옵니다.
“우주의 팽창은 은하와 은하 사이의 빈 공간에서만 발생하는가?”
이 질문 역시 조금 더 세심하게 봐야 합니다.
일반상대성이론에서 우주의 팽창은 우주 전체의 시공간을 기술하는 방식과 관련된 개념입니다.
따라서 마치 은하 내부에서는 ‘팽창이라는 물리 법칙이 꺼지고’, 은하 밖에서는 ‘켜지는’ 스위치처럼 생각하면 정확하지 않습니다.
더 적절한 설명은
작은 규모에서는 결합계를 지배하는 국소적인 힘과 운동이 우주론적인 팽창 효과를 압도하여, 그 계가 허블 흐름을 따라 팽창하지 않는다는 것입니다.
이 차이는 작지만 중요합니다.
우주는 왜 어두울까?
우주의 팽창과 물체의 팽창은 전혀 다른 이야기다
이제 처음 질문으로 돌아가겠습니다.
우주가 팽창하는데 왜 태양계와 우리 몸은 커지지 않을까요?
답은 우주의 팽창이 모든 물체를 고무처럼 잡아 늘리는 현상이 아니기 때문입니다.
태양과 지구는 중력으로 결합되어 있습니다.
우리은하의 별들도 은하의 중력 구조 안에서 움직입니다.
원자와 분자는 주로 전자기적 상호작용에 의해 안정적인 구조를 유지합니다.
원자핵은 강한 핵력 등의 영향을 받습니다.
이러한 결합계에서는 국소적인 물리적 상호작용이 구조의 크기와 운동을 결정합니다.
반면 서로 중력적으로 묶여 있지 않은 아주 먼 우주 구조 사이에서는 우주의 팽창이 뚜렷하게 나타납니다.
그래서 이렇게 정리할 수 있습니다.
우주는 팽창하지만, 우주 안의 모든 것이 팽창하는 것은 아닙니다.
우리가 커지지 않는다는 사실이 알려주는 것
우주의 팽창이라는 말을 처음 들으면 우리는 우주를 거대한 고무판처럼 상상하기 쉽습니다.
그리고 고무판이 늘어나면 그 위의 모든 것도 함께 늘어날 것이라고 생각합니다.
하지만 실제 우주는 훨씬 흥미롭습니다.
작은 규모에서는 원자와 분자를 묶는 힘이 작용하고,
조금 더 큰 규모에서는 행성과 별의 중력이 작용하며,
더 큰 규모에서는 은하와 은하단의 중력이 우주의 구조를 만듭니다.
그리고 이러한 국소 구조를 넘어 아주 거대한 우주 규모에 도달하면 비로소 우주의 평균적인 팽창이 뚜렷하게 모습을 드러냅니다.
우주의 팽창을 이해한다는 것은 단순히
“모든 것이 멀어진다.”
라고 외우는 일이 아닙니다.
어떤 규모에서는 중력이 지배하고,
어떤 규모에서는 전자기력이 지배하며,
어떤 규모에 이르러서야 우주의 팽창이 중요한 역할을 하는지를 이해하는 것입니다.
우리는 팽창하는 우주 속에 살고 있습니다.
하지만 내일 아침 잠에서 깨어났을 때 키가 우주 팽창만큼 더 커져 있지는 않을 것입니다.
지구 역시 우주 팽창을 따라 부풀어 오르지 않습니다.
태양계도 단순히 허블 법칙에 따라 커지지 않습니다.
우주 전체의 변화와 그 안에 만들어진 작은 세계의 운동은 서로 다른 규모의 물리 법칙 속에서 함께 존재하고 있기 때문입니다.
한눈에 정리하는 핵심 질문
Q. 우주가 팽창하면 사람의 몸도 조금씩 커지나요?
아닙니다. 사람의 몸과 이를 구성하는 물질은 전자기적 상호작용 등으로 결합돼 있으며 허블 팽창을 그대로 따라가지 않습니다.
Q. 지구와 태양 사이도 우주 팽창 때문에 계속 멀어지나요?
태양계는 중력적으로 결합된 계입니다. 우주의 평균적인 팽창 때문에 태양계 크기가 허블 팽창률대로 커지는 것은 아닙니다.
Q. 은하는 팽창하나요?
중력적으로 안정된 은하 자체는 일반적인 허블 팽창을 그대로 따라 커지지 않습니다. 우주의 팽창은 주로 서로 결합되지 않은 거대한 우주 구조 사이에서 나타납니다.
Q. 안드로메다은하는 왜 멀어지지 않고 우리 쪽으로 오나요?
우리은하와 안드로메다은하는 같은 국부은하군에 속해 서로 중력적으로 영향을 받습니다. 이 규모에서는 우주 팽창보다 국소 중력이 더 중요합니다.
Q. 원자도 우주 팽창 때문에 커지지 않나요?
일반적인 우주 팽창에 따라 원자가 같은 비율로 계속 커지지는 않습니다. 원자의 크기와 구조는 양자역학과 전자기적 상호작용에 의해 결정됩니다.
Q. 그렇다면 무엇이 팽창하나요?
서로 중력적으로 결합돼 있지 않은 아주 먼 은하와 우주 구조 사이의 거리 척도가 우주 시간에 따라 증가합니다.
Q. 암흑에너지 때문에 언젠가 태양계도 찢어지나요?
현재 표준 우주론에서 그렇게 확정된 것은 아닙니다. 극단적인 팽창으로 결합계까지 붕괴하는 ‘빅 립’은 특정 암흑에너지 모형에서 가능한 가설적 시나리오입니다.
참고한 주요 과학 자료
이 글은 다음 자료를 바탕으로 우주의 팽창, 결합계, 은하의 국소 운동에 관한 내용을 교차 확인했습니다.
- NASA Science — Universe 및 우주의 팽창
- NASA Goddard Space Flight Center — 안드로메다와 허블 흐름
- NASA Science — Gravitationally Bound 개념
- ESA — 은하단과 중력적으로 결합된 우주 구조
- UCLA Astronomy, Edward L. Wright — 우주 팽창과 태양계, 풍선 비유
- Richard H. Price & Joseph D. Romano, In an Expanding Universe, What Doesn't Expand?, American Journal of Physics
※ 우주 팽창이 국소 결합계에 미치는 영향을 엄밀히 설명하려면 일반상대성이론을 사용해야 합니다. 이 글에서는 일반 독자가 개념을 이해할 수 있도록 수학적 세부사항을 줄이고 현재 표준 우주론에서 널리 사용되는 설명을 중심으로 정리했습니다.
