"우주는 빛보다 빠르다"는 정말일까요? 상대성 이론이 무너지지 않는 이유를 쉽게 설명

「빛보다 빠른 우주 팽창」은 왜 아인슈타인을 배신하지 않는가

「우주는 빛보다 빠르게 팽창하고 있다」

그런 문장을 타임라인에서 본다면, 많은 사람들은 이렇게 생각할 것입니다.

「어, 상대성 이론 끝난 거야？」

하지만 결론부터 말하자면, 아인슈타인은 전혀 배신당하지 않았습니다.
최신 우주론에서는, 「우주 전체의 팽창 속도」가 빛의 속도를 초과하는 것이 오히려 '당연한' 것으로 이해되고 있습니다.Phys.org

그렇다면 도대체 어떤 트릭일까요? SNS에서 떠도는 놀라움이나 오해도 주워가면서, 이번에 Phys.org에 게재된 해설 기사 「Yes, the universe can expand faster than light」를 기반으로 정리해 보겠습니다.Phys.org

빛의 속도 제한은 「로컬 룰」

상대성 이론이 금지하는 것은, 「같은 장소에서 관측했을 때, 물체가 빛보다 빠르게 움직이는 것」입니다.
로켓이든 우주선이든, 옆을 쌩하고 지나갈 때의 속도는 반드시 빛의 속도 미만이어야 합니다.

여기서 중요한 것은,

• '물체가 공간 안을 이동하는' 속도(로컬)

• '공간 자체가 늘어나고 줄어드는' 속도(글로벌)

는 별개라는 것입니다.

일반 상대성 이론에서는, 공간 자체가 얼마나 빠르게 팽창해도 상관없습니다.
속도 위반으로 잡히는 것은 로켓이며, '도로 자체'가 마음대로 늘어나는 것은 문제되지 않는다는 이미지입니다.

우주의 팽창은 바로 이 '도로(공간)가 늘어나는' 현상입니다.
은하는 기본적으로 그 자리에 '타고 있는' 것일 뿐, 우주 공간이 확장됨에 따라 결과적으로 멀어지게 됩니다.

우주 연령은 137.7억 년인데, 관측 가능한 우주는 「반경 450억 광년」

여기서 숫자를 보고 더 혼란스러워해 봅시다.

• 우주의 연령: 약 137.7억 년

• 우리가 현재 '볼 수 있는' 가장 먼 거리: 약 450억 광년Phys.org

「어, 138억 년 정도밖에 지나지 않았는데, 왜 450억 광년이나 떨어진 곳이 보이는 거야？」
이 격차야말로, 「우주 팽창이 빛의 속도를 초과하고 있다」는 증거입니다.

포인트는,빛이 여행하는 동안에도 우주가 계속 팽창하고 있다는 것입니다.

1. 빅뱅 직후에 태어난 은하가 빛을 방출하고

2. 그 빛이 수십억 년에 걸쳐 지구로 향하고

3. 그 사이에도 공간이 계속 늘어나고

4. 빛이 마침내 우리에게 도달한 '지금' 시점에서는, 그 은하는 당시보다 훨씬 멀리 가버렸다는 것

그 결과,「지금 보이는 가장 먼 은하의 '현재 위치'」는, 빛이 날아온 거리보다 훨씬 더 멀어지게 됩니다.우주론에서는 이 거리를 「입자 지평선(파티클 호라이즌)」이라고 부르며, 현재의 값이 대략 450억 광년이라는 것입니다.
Phys.org

허블 거리를 넘어서면 「겉보기로」 빛보다 빠르게 멀어진다

우주의 팽창 속도는, 거리와 비례하여 커집니다.

이는 허블의 법칙으로 알려져 있으며,

멀리 있는 은하일수록, 큰 후퇴 속도(여기에서 멀어지는 속도)를 가진다

는 단순한 관계식으로 표현됩니다.

이 식을 연장해 나가면, 어떤 거리를 경계로 「후퇴 속도 = 빛의 속도」가 되는 점이 나타납니다.
그것이 허블 거리라고 불리는 것이며, 현대 우주론의 표준 모델 ΛCDM에서는, 대략 137.7억 광년 전후가 됩니다.Phys.org

• 허블 거리보다 가까운 은하
  → 후퇴 속도는 빛의 속도 미만

• 허블 거리보다 먼 은하
  → 후퇴 속도는 빛의 속도를 초과(겉보기로)

「어, 그러면 빛보다 빠르게 움직이는 거잖아！」라고 생각할 수도 있지만, 여기서 주의해야 할 것은

움직이는 것은 은하 자체가 아니라, '우리와 은하 사이에 있는 공간'

라는 점입니다.

따라서, 로컬한 속도 제한을 가하는 상대성 이론과 모순되지 않습니다.

「지금부터 나온 빛」이 다시는 도달하지 않는 경계, 우주의 이벤트 호라이즌

더욱 복잡한 것은 「우주의 이벤트 호라이즌(사건의 지평선)」이라는 개념입니다.Phys.org

• 입자 지평선…「지금까지 도달한 빛」의 가장 먼 거리(약 450억 광년)

• 이벤트 호라이즌…「지금 이 순간에 방출된 빛이, 미래에 결코 도달하지 않는」경계

Phys.org의 기사에 따르면, 이벤트 호라이즌은 현재 약 170억 광년의 위치에 있습니다.Phys.org

이 거리보다 바깥쪽의 은하가 '지금' 방출하는 빛은, 아무리 기다려도 우리에게 도달하지 않습니다.
우주가 가속적으로 팽창하고 있기 때문에, 빛보다 빠르게 멀어지는 영역이 점점 늘어나기 때문입니다.

블랙홀의 지평선과 비슷한 이름이지만, 여기서 말하는 것은 「우주 전체의 지평선」입니다.
우주의 팽창으로 인해 정보가 영원히 도달하지 않게 되는 경계선입니다.

1000억 년 후, 우주는 「로컬 은하 그룹」만 보이게 된다

ΛCDM 모델에 따르면, 우주는 앞으로도 암흑 에너지에 지배되어 가속 팽창을 계속할 것으로 생각됩니다.Phys.org

그 미래상은 꽤나 쓸쓸한 것입니다.

• 이벤트 호라이즌은 장래 약 600억 광년 부근에서 한계에 도달하게 됩니다

• 그 사이에, 먼 은하에서 오는 빛은 점점 적색편이되어 파장이 늘어나고, 결국 관측 불가능할 정도로 길어지게 됩니다Phys.org

Phys.org의 해설에 따르면,약 1000억 년 후에는, 국소 은하군(은하수와 안드로메다 은하 등이 속한 작은 그룹) 외의 우주는 모두 시야에서 사라지게 될 것입니다.Phys.org

그때 우주에 문명이 남아 있다 하더라도, 그들은

「옛날부터 이 은하 그룹만 존재하는, 조용한 우주」

라고 착각할지도 모릅니다.
빅뱅 우주론 자체에 도달하는 것이 지금보다 훨씬 어려워질 것입니다.

SNS에서 떠돌던 「빛의 속도를 초과하는 우주」에 대한 반응

이번 기사는 「Yes, the universe can expand faster than light」라는 자극적인 제목 덕분에, SNS에서도 큰 반향을 일으켰습니다(여기에서는 전형적인 반응을 재구성하여 소개합니다).

1. 「상대성 이론 끝났다」계의 당혹

「우주가 빛보다 빠르다니, 아인슈타인이 졌다는 거야？」
「물리학, 또 설정이 바뀐 건가…」

이런 댓글이 X(구 Twitter)나 Threads에서 가장 먼저 나왔습니다.
실제로는 앞서 말한 대로, 상대성 이론과 우주 팽창의 '빛의 속도 초과'는 잘 정합