우주는 가장 커다란 공간적 개념이다. 또한 우주에 담긴 시간은 가장 오래고 큰 시간적 개념이다. 가장 커다란 시간과 공간을 지닌 우주는 과연 얼마나 큰 것이고 우주의 크기가 있다면 크기 밖의 세상은 도대체 무엇일까? 그리고 오래되었다면 우주의 시작이 있었다는 것인지, 우주의 시작이 있었다면 그 이전은 도대체 무엇이란 말인가? 이러한 질문들에 대해서 잠깐 살펴보도록 하자.
먼저 우주의 크기를 가늠하기 위하여 우리에게 익숙한 크기부터 출발하자. 성인의 키는 보통 1 미터(m)에서 2 미터 사이고, 하류에서 한강의 너비는 약 1 킬로미터(km) 정도 된다. 물론 킬로(kilo)는 천 배를 뜻하는 접두사로써, 1 킬로그램(kg)은 1 그램보다 1천 배 무겁다. 적도 쪽이 300분의 1정도 아주 약간 부풀어 오른 모양이지만 거의 구와 같은 형태인 지구의 반지름은 약 6,400 km 정도 된다. 우리 몸에서 시작하여 천 배를 두 번 했더니, 우리가 사는 세상의 크기와 비슷해진다. 생각보다 지구의 크기가 그렇게 크지 않다고 생각할 수도 있고, 천 배를 한다는 것이 일상에서 쉽게 말하는 것보다는 조금 다른 느낌을 받는다고 생각할 수도 있겠다. 지구의 반지름보다 1천 배 정도 더 나가면 이미 지상에는 견줄 것이 없어서, 우주에서 무엇을 찾아야 한다. 우주에서 찾아야 할 무엇은 물론 하늘에 있는 물체라는 뜻을 가진 천체(天體)일 것인데, 태양이라고 하더라도 지구보다 반지름이 100배 정도 큰 천체일 뿐이다. 태양계를 지배하고 있는 유일한 별인 태양이 지구보다 겨우 100배 크다고 이야기할 때는 조심해야 할 것이 있다. 이것은 길이의 차원에서 그렇다는 것이며, 길이의 차원이 100 배이면 겉으로 보이는 면적은 100의 제곱인 1만 배가 될 것이고 부피로는 100의 세제곱인 100만 배가 되는 것이다.
가까운 곳에서 지구보다 길이의 관점에서 1천 배 큰 물체를 찾을 수는 없으니, 거리로 따져서 살펴보자. 지구에서 가장 가까운 천체라고 여길 수 있는 달까지의 거리는 약 38만 km 정도 되며, 우주에서 가장 빠르다고 하는 빛의 속력이 1초에 약 30만 km를 주파하는 정도이므로 우리가 보는 달빛은 약 1.3초 전에 달을 출발하여 나의 망막에 도달한 것이다. 지구에서 태양까지의 거리는 약 1억 5천만 km 정도 되고 빛의 속력으로 8분 20초 정도 걸린다. 태양계에서 세 번째 행성인 지구와 태양 사이의 거리가 1억 km가 넘기 때문에, 태양계의 천체들의 거리를 km로 나타내는 것은 적절하지 않아 보인다. 그래서 지구와 태양 사이의 거리를 1 천문단위(AU astronomical unit)으로 정하여, 태양계의 거리를 나타내는 새로운 단위를 정했다. 태양에서 화성까지의 거리는 약 1.5 AU이고 마지막 행성인 해왕성까지의 거리는 약 29 AU가 되므로, 태양계의 천체들에 대하여 천문단위로 표현하는 것은 괜찮아 보인다. 그러나 중력과 뿜어내는 물질로 공간의 주인으로 행사하는 태양계의 크기는 AU로 표현하기에 약간 이상할 정도로 커지는데 약 12.5만 AU이다.
빛이 1년 동안 가는 거리를 1 광년(光年 ly light year)라고 하는데, 1광년은 약 6.3만 AU이므로 태양계의 크기는 길이의 차원으로 약 2광년 되는 셈이다. 태양계를 벗어나면서 길이의 단위를 AU에서 광년으로 바꾸어야 너무 큰 숫자가 나오지 않는다. 그리고 빛이 속력이 우주에서 가장 빠르기 때문에, 길이를 다른 단위로 표현하는 것도 어색한데 어쨌든 태양계를 벗어난 천체의 거리를 표현하는 기본 단위를 과학에서는 광년으로 사용한다. 태양계에서 가장 가까운 별인 ‘프록시마 센타우리’까지의 거리는 약 4.2 광년이고, 우리가 보는 별들을 모두 포함하고 있는 우리은하(milky way)의 반지름은 약 10만 광년이다. 우주는 이렇게 방대한 은하를 약 몇 천 억 개 포함하고 있는 방대한 크기이며, 길이의 관점에서 약 450억 광년 그러니까 빛의 속력으로 달린다고 하더라도 태양계의 나이보다 10배 정도 더 시간이 걸리는 셈이다. 그러나 우주는 점차 팽창하고 있으므로 우주의 크기는 더 커지고 있다. 그런데 우주에 크기가 있다면 우주에 끝도 있다는 것인가? 우주에 끝이라는 경계가 있다면 경계 밖은 도대체 무엇이란 말인가? 하는 의문이 자연스럽게 떠오를 수 있다. 잠시 이에 대한 답변을 보류하고 우주의 나이를 생각해보자. 우주는 약 138억 년 전에 시작되었다고 현대과학은 말하는데, 꽤 믿을 만한 관측과 이론이 결합되어 나온 것이다. 우주의 크기나 우주의 나이를 추정할 수 있는 근거에는 인간이 도달한 과학과 기술의 경계가 있다. 이미 인간은 어느 지식보다 못지않은 신뢰성을 주면서 우주의 크기와 나이를 제시할 수 있는 수준에 도달했다.
처음에 제기한 질문에서 우주에 시작이 있었다면 그 이전은 무엇이 있었는가? 라는 질문도 역시 우주의 크기에 대한 물음과 마찬가지로 자연스럽게 제기될 수 있다. 이러한 질문에 대해서 과학자는 다음과 같이 대답한다. “시간과 공간은 우주가 태어나면서 나타난 것이기 때문에, 우주 탄생 이전에는 시간이나 공간의 개념조차 없다. 우주가 시작하기 전의 시간이란 것은 아예 존재하지 않는다.” 그리고 우주의 경계에 대해서도 이렇게 대답할 수 있다. “탁구공보다 농구공의 크지만, 공의 표면에 있는 입장에서는 경계가 없이 돌아다닐 수 있고 한 바퀴 돌아서 처음의 위치로 올 수도 있다. 이것은 3차원 공간에서 구에 대한 이야기지만, 우리가 사는 세상은 시간과 3차원 공간이 얽힌 4차원 구조이며 마치 공처럼 크기가 유한하다. 4차원의 구를 3차원에서 시각화하기 힘들지만, 현재의 우주는 닫혀있어서 빛보다 빠른 속력으로 가는 여행을 상상한다면 우주를 가로질러 다시 원래의 위치로 돌아오게 될 것이다. 구의 표면에 경계가 없는 것처럼, 4차원 구의 형태를 지닌 우리 우주는 경계가 없기 때문에 경계 밖의 세상이 무엇인가 하는 질문은 성립하지 않는다.”
