올베르스의 역설
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1. 개요
올베르스의 역설은 무한하고 균일한 우주에 무수히 많은 별이 존재한다면 밤하늘이 태양 표면처럼 밝아야 한다는 역설이다. 17세기부터 제기된 이 문제는 우주의 유한성, 빛의 속도, 우주의 팽창, 항성의 유한한 수명 등 여러 요인으로 해결된다. 과거에는 우주의 먼지나 가스 구름이 별빛을 흡수한다는 가설도 제시되었지만, 이는 완전한 해결책이 되지 못했다. 현대에는 우주의 유한한 나이와 팽창, 적색편이 현상, 그리고 별의 불균일한 분포 등이 이 역설을 설명하는 주요 요소로 작용한다. 이 역설은 과학적 방법론의 중요성을 보여주며, 우주론 발전에 큰 영향을 미쳤다.
올베르스의 역설은 정적이고 무한히 오래된 우주에 무한히 많은 별들이 무한히 큰 공간에 분포되어 있다면 밤하늘은 어두운 것이 아니라 밝아야 한다는 것이다.[1]
케플러, 에드거 앨런 포, 켈빈 등은 빛의 속도와 우주의 나이가 유한하다는 점을 들어 올베르스의 역설을 해결하려 했다. 현대 우주론에서는 빅뱅 이론, 우주의 팽창, 적색 편이를 통해 이 역설을 설명한다.
2. 역설의 내용
이를 설명하기 위해 우주를 1광년 두께의 동심원 껍질들로 나눌 수 있다. 10억 광년에서 10억 1천만 광년 사이의 껍질에 특정 수의 별들이 존재한다고 가정하면, 우주가 대규모로 균질할 경우 20억 광년에서 20억 1천만 광년 사이의 두 번째 껍질에는 네 배나 많은 별들이 있을 것이다. 그러나 두 번째 껍질은 두 배나 멀리 떨어져 있으므로, 그 안의 각 별은 첫 번째 껍질의 별들보다 밝기가 1/4이다. 따라서 두 번째 껍질에서 받는 총 빛의 양은 첫 번째 껍질에서 받는 총 빛의 양과 같다.
이처럼 주어진 두께의 각 껍질은 그 거리에 관계없이 동일한 양의 빛을 생성한다. 각 껍질의 빛은 총량에 더해지므로, 껍질이 많을수록 빛이 많아진다. 따라서 무한히 많은 껍질이 있다면 밤하늘은 밝아야 한다. 어두운 구름이 빛을 가릴 수 있지만, 이 구름들은 별만큼 뜨거워질 때까지 가열되어 같은 양의 빛을 방출한다.[7]
케플러는 이것을 유한한 관측 가능한 우주 또는 적어도 유한한 수의 별들을 위한 주장으로 보았다. 일반 상대성 이론에서도 유한한 우주에서 역설이 성립할 수 있다.[7] 하늘이 무한히 밝지는 않더라도 하늘의 모든 점은 여전히 별의 표면과 같을 것이다.
갈릴레이는 망원경으로 밤하늘을 관찰하여 육안으로는 볼 수 없었던 어두운 별들을 많이 발견했다. 별들의 세계는 매우 멀리까지 뻗어 있는 것처럼 보이지만, 이러한 별들은 하늘을 뒤덮지 않고 그 사이에는 훨씬 넓은 어둠이 펼쳐져 있다.
만약 우주가 무한히 넓고 별이 균일하게 분포되어 있다면, 지구에서 하늘을 올려다본 시선은 결국 어떤 별의 표면에 거의 확실히 도달할 것이다. 어떤 물체가 시야에서 차지하는 겉보기 면적은 멀어질수록 작아진다. 두 배 멀어지면 겉보기 면적은 1/4이 된다. 이때 겉보기 면적당 밝기는 같으므로, 밝기 또한 1/4이 된다. 100광년 떨어진 별이 200광년으로 멀어지면, 겉보기 면적과 밝기는 1/4이 된다. 100광년 부근(전후 1광년)에 있는 별의 수와 200광년 부근에 있는 별의 수를 비교하면, 후자는 거의 4배가 되며, 별이 우주에 거의 균일하게 분포되어 있다면 후자에 거의 4배의 별이 포함되어 있다고 생각할 수 있다. 결국 100광년 부근 모든 별의 겉보기 면적 총합과 200광년 부근 모든 별의 겉보기 면적 총합은 거의 같다.
이는 어떤 거리를 생각하더라도 일반적으로 성립한다. 즉, ''n'' 배의 거리를 생각하면 별의 겉보기 면적은 1/''n''2 배가 되는 반면, 고려하는 영역의 크기는 ''n''2 배가 되므로, 결국 별 전체의 겉보기 면적은 거리에 의존하지 않는다.
이 논의는 평평한 숲에서 보는 나무들의 줄기에 비유되기도 한다. 숲은 2차원으로 펼쳐져 있으므로, 숲 속 관측점에서 어떤 거리에 있는 나무의 수는 거리에 비례하여 증가하지만, 그 줄기의 겉보기 너비도 반비례로 작아진다. 각 거리에서 겉보기 너비의 합계는 거리에 의존하지 않는다. 작은 숲이라면 나무 줄기 틈으로 저편 풍경을 볼 수 있지만, 나무들이 균일하게 분포되어 있다면 어느 정도 큰 숲에서는 주변이 여러 거리에 있는 나무 줄기로 뒤덮여 숲 저편을 볼 수 없다.
2. 1. 기본 가정
우주가 무한하고 균일한 밝기를 가진 별들로 가득 차 있다고 가정하면 다음과 같은 결론이 도출된다.[1]
# 지구로부터 일정한 거리에 있는 별 무리로부터 받는 빛의 총량은 거리와 무관하다.
# 모든 빛은 별의 표면에서 시작된다.
# 따라서 하늘은 별의 표면처럼 밝아야 한다.
하늘의 별빛이 태양과의 거리(1AU)보다 r배 멀리 떨어져 있다면, 그 빛의 세기는 별의 빛에 비해 이다. 그러나 거리 r에 있는 우주의 단면적은 배 증가하므로, 결국 별 표면과 동일한 정도의 빛이 지구에 도달한다. 우주가 균일한 밝기를 가진 별들로 가득 차 있다고 가정했으므로, 별의 밝기와 태양의 밝기는 동일하고, 따라서 하늘은 항상 정오의 태양처럼 밝아야 한다는 결론이 나온다.[1]
이러한 상황을 설명하기 위해 우주를 두께가 1광년인 동심원 껍질들로 나눌 수 있다. 예를 들어, 10억 광년에서 10억 1천만 광년 사이의 껍질에 특정 수의 별들이 존재할 것이다. 우주가 대규모로 균질하다면, 20억 광년에서 20억 1천만 광년 사이의 두 번째 껍질에는 첫 번째 껍질보다 네 배 많은 별들이 존재할 것이다. 그러나 두 번째 껍질은 두 배 멀리 떨어져 있으므로, 그 안의 각 별은 첫 번째 껍질의 별들보다 1/4만큼 어둡게 보인다. 결과적으로 두 번째 껍질에서 받는 총 빛의 양은 첫 번째 껍질에서 받는 총 빛의 양과 같다.
따라서 주어진 두께의 각 껍질은 거리에 관계없이 동일한 양의 빛을 생성한다. 즉, 각 껍질의 빛은 전체 밝기에 더해진다. 따라서 껍질이 많을수록 더 많은 빛을 받게 되며, 무한히 많은 껍질이 존재한다면 밤하늘은 밝아야 한다.
어두운 구름이 빛을 가릴 수는 있지만, 이 구름들은 별만큼 뜨거워질 때까지 가열되어 결국 같은 양의 빛을 방출하게 된다.[7]
갈릴레이는 망원경을 통해 육안으로는 볼 수 없었던 수많은 어두운 별들을 발견했으며, 별들의 세계가 매우 멀리까지 뻗어 있는 것처럼 보인다는 것을 알아냈다. 그러나 이러한 별들은 하늘을 완전히 뒤덮지 않고, 그 사이에는 훨씬 넓은 어둠이 펼쳐져 있다는 것도 알 수 있었다.
어떤 물체가 시야에서 차지하는 겉보기 면적은 멀어질수록 작아진다. 예를 들어, 두 배 멀어지면 겉보기 면적은 1/4이 된다. 이때 겉보기 면적당 밝기는 동일하므로, 밝기 또한 1/4이 된다. 항성의 경우에도 마찬가지이다. 지구에서 100광년 떨어진 별이 200광년으로 멀어지면, 겉보기 면적과 밝기는 1/4이 된다. 그러나 100광년 부근(전후 1광년)에 있는 별의 수와 200광년 부근에 있는 별의 수를 비교하면, 후자는 거의 4배의 부피를 가지므로, 별이 우주에 균일하게 분포되어 있다면 후자에 거의 4배 많은 별이 포함되어 있다고 생각할 수 있다. 별의 크기가 장소에 따라 다르지 않다고 가정하면, 100광년 부근 별들의 겉보기 면적 총합과 200광년 부근 별들의 겉보기 면적 총합은 거의 같다고 예상할 수 있다.
이는 어떤 거리를 생각하더라도 일반적으로 성립한다. 즉, ''n'' 배의 거리를 생각하면 별의 겉보기 면적은 1/''n''2 배가 되지만, 고려하는 영역의 크기는 ''n''2 배가 되므로, 결국 별 전체의 겉보기 면적은 거리에 의존하지 않는다. 따라서 우주가 충분히 크고 별이 매우 특수한 배치를 하고 있지 않다면, 더 먼 거리까지의 별을 고려함에 따라 하늘은 별의 표면으로 채워져야 한다. 겉보기 면적당 밝기는 거리에 의존하지 않으므로, 항성이 모두 태양과 비슷하게 빛난다면, 하늘은 태양 표면과 같은 눈부신 빛으로 뒤덮여야 한다.
2. 2. 논리 전개
우주가 무한하고 별들이 균일하게 분포되어 있다면, 밤하늘은 왜 어두울까? 이 질문은 올베르스의 역설의 핵심적인 논리 전개를 보여준다.
만약 우주가 무한히 많은 별을 가지고 균일하게 분포하고 있다면, 다음 세 가지 전제가 성립한다.
1. 지구로부터 일정한 거리에 있는 별 무리로부터 받는 빛의 합은 거리와 무관하다.
2. 모든 빛은 별의 표면에서 출발한다.
3. 따라서 하늘은 별의 표면처럼 밝아야 한다.
별빛의 세기는 거리의 제곱에 반비례하지만, 우주 단면적은 거리의 제곱에 비례하여 증가하므로 서로 상쇄된다. 이는 마치 숲 속에서 나무들이 빽빽하게 들어서 있으면, 멀리 있는 나무일수록 가늘게 보이지만, 그 수가 많아져 결국 숲 전체가 나무줄기로 가득 차 보이는 것과 같다.[1]
이 설명을 위해 우주를 동심원 껍질들로 나누어 생각해 보자. 각 껍질의 두께는 1광년으로 한다. 10억 광년에서 10억 1천만 광년 사이의 껍질에 특정 수의 별들이 존재한다고 가정하자. 우주가 대규모로 균질하다면, 20억 광년에서 20억 1천만 광년 사이의 두 번째 껍질에는 첫 번째 껍질보다 네 배 많은 별들이 존재할 것이다. 하지만 두 번째 껍질은 두 배 멀리 떨어져 있으므로, 각 별의 밝기는 첫 번째 껍질 별들의 1/4이다. 결과적으로 두 번째 껍질에서 받는 총 빛의 양은 첫 번째 껍질에서 받는 총 빛의 양과 같아진다.
이러한 방식으로, 주어진 두께의 각 껍질은 거리에 관계없이 동일한 양의 빛을 생성한다. 즉, 껍질이 많을수록 더 많은 빛을 받게 되며, 무한히 많은 껍질이 존재한다면 밤하늘은 매우 밝아야 한다.
갈릴레오 갈릴레이는 망원경을 통해 육안으로는 보이지 않던 수많은 어두운 별들을 발견했지만, 이 별들 사이에는 여전히 넓은 어둠이 존재한다는 것을 확인했다. 이는 별들이 하늘을 완전히 뒤덮지 않는다는 것을 의미한다.
결론적으로, 우주가 무한하고 균일하게 별들로 가득 차 있다면, 하늘은 정오의 태양처럼 밝아야 한다는 결론에 이르게 된다.[1]
3. 역설의 해결
빅뱅 우주론에 따르면 우주는 유한한 나이를 가지며, 별빛이 지구에 도달하는 데 시간이 걸린다. 또한 우주 팽창에 따른 적색 편이로 가시광선 영역의 빛이 적외선 영역으로 이동하여 우리 눈에 보이지 않게 된다.
역설 해결에 대한 다양한 관점은 다음과 같이 정리할 수 있다.
3. 1. 역사적 해결 시도
케플러는 우주가 유한하며, 따라서 빛의 양도 유한하다고 보아 이 역설을 해결하려 했다. 그러나 이는 임시방편에 불과했다.[30]
올베르스 자신은 우주의 먼지와 가스 구름이 별빛을 흡수하기 때문에 모든 별빛이 지구에 도달하지 못한다는 '가스층 흡수 이론'을 제시했다. 하지만 먼지구름 자체가 결국 빛을 방출하게 되므로, 이 이론은 완전한 해결책이 되지 못한다.[31]
에드거 앨런 포는 자신의 산문시 《유레카》에서 "우주 공간 대부분이 비어 있는 것처럼 보이는 것은 (너무 멀리 있는) 천체에서 방출된 빛이 아직 우리에게 도달하지 않았기 때문이다"라고 주장했다.[32]
1901년 켈빈은 빛의 속도가 유한하며, 밤하늘이 별빛으로 가득 차려면 우주의 크기가 최소 수백조 광년은 되어야 하는데, 우리 우주의 나이가 그만큼 많지 않기 때문에 밤하늘이 어둡다고 설명했다.[34]
3. 2. 현대적 해결
빛의 속도는 유한하기 때문에 우주 공간을 진행하려면 시간이 소요되므로 밤하늘의 모습은 지금 이 순간의 별이 아니라 별의 과거 모습이다.[34] 켈빈은 밤하늘이 밝게 빛나려면 우주의 크기가 적어도 수백조 광년 이상 되어야 하지만 우리 우주가 아직 그 정도 나이를 먹지 않았기 때문에 밤하늘이 검게 보인다고 설명했다.[34]
에드거 앨런 포는 자신의 저서 ''유레카: 산문시''에서 관측 가능한 우주의 유한한 나이가 명백한 역설을 해결한다고 제안했다.[8] 포는 "광활한 우주공간에 별이 존재할 수 없는 공간이 따로 있을 수는 없으므로, 우주공간의 대부분이 비어 있는 것처럼 보이는 것은 천체로부터 방출된 빛이 우리에게 도달하지 않았기 때문이다"고 생각했다.[32]
빅뱅 우주론에 따르면 우주는 유한한 나이를 가지기 때문에 항성들이 일정 거리 안에만 존재한다. 또한, 우주가 팽창하기 때문에 모든 빛에는 적색 편이 현상이 일어나게 되므로, 가시광 영역의 빛들이 파장이 길어져 적외선 영역으로 들어가버리기 때문에 우리 눈에는 보이지 않게 된다. 따라서, 시간이 흘러도 아직 도달하지 못한 빛들이 마저 도달하여 밤하늘의 밝기가 점차 밝아지는 현상은 나타나지 않는다.
빅뱅 이론에서, 특히 처음으로 투명해졌던 재결합 시대 말기에 하늘은 과거에 훨씬 더 밝았다. 그 시대의 국지적 하늘의 모든 지점은 우주의 높은 온도 때문에 그 시대에 태양 표면과 비슷한 밝기를 가졌으며, 대부분의 빛은 별이 아닌 빅뱅의 잔재에서 비롯되었다.
이 문제는 빅뱅 이론이 우주의 팽창을 포함한다는 사실로 해결된다. 우주의 팽창은 방출된 빛의 에너지를 적색편이를 통해 감소시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 빅뱅에서 나온 엄청난 에너지를 가진 복사는 우주 팽창의 결과로 마이크로파 파장(원래 파장의 1100배)으로 적색편이되었고, 따라서 우주 마이크로파 배경 복사를 형성한다. 이것은 빅뱅의 추정되는 밝은 성질에도 불구하고 오늘날 우리 하늘의 대부분에서 상대적으로 낮은 광밀도와 에너지 수준이 존재하는 것을 설명한다. 적색편이는 멀리 떨어진 은하에서 오는 빛에도 영향을 미친다.
4. 역설의 역사
갈릴레이는 망원경으로 밤하늘을 관찰하면 육안으로 볼 수 없었던 어두운 별들을 많이 볼 수 있고, 별들의 세계가 매우 멀리 뻗어 있는 것처럼 보인다고 하였다. 그러나 이 별들은 하늘을 뒤덮지 않고, 그 사이에는 넓은 어둠이 펼쳐져 있다. 16세기경부터 20세기 초까지 천문학자들은 우주가 무한히 넓다고 가정했지만, 이는 밤하늘이 어둡다는 관측 사실과 모순된다. 이 수수께끼를 올베르스의 역설이라고 한다.[22]
우주가 무한하고 별이 균일하게 분포한다면, 지구에서 하늘을 보면 시선은 결국 어떤 별의 표면에 도달한다. 물체가 멀어질수록 겉보기 면적은 작아지지만, 겉보기 면적당 밝기는 같다. 별도 마찬가지다. 우주 구조가 균일하고 별의 분포, 광도, 크기가 일정하다면, 무한하거나 충분히 큰 우주에서 밤하늘이 어두운 이유는 설명이 필요하다.[29]
이 논의는 평평한 숲에서 나무 줄기를 보는 것에 비유되기도 한다.[30] 숲은 2차원이므로, 관측점에서 멀리 있는 나무 수는 거리에 비례해 증가하지만, 줄기의 겉보기 너비는 반비례하여 작아진다. 작은 숲은 나무 줄기 사이로 풍경이 보이지만, 큰 숲은 나무 줄기에 가려 보이지 않는다.
에드먼드 핼리는 먼 별들의 밝기가 거리의 제곱에 반비례한다고 잘못 판단했다. 스위스의 장-필립 루아 드 셰조는 1744년 저서에서 별의 밝기를 정량적으로 계산하여 역설을 명확히 제시했다. 셰조는 별이 무한히 균일하게 분포한다면 별의 수는 거리의 제곱에 비례, 겉보기 면적은 거리의 제곱에 반비례하여 상쇄되므로, 어느 방향을 보든 별 표면에 도달한다고 보았다.[25][31]
셰조는 별이 태양과 같으면 하늘은 태양 표면처럼 밝고, 전체 하늘은 태양의 9만 배 밝기를 가진다고 계산했다. 별이 밤하늘을 채우는 데 필요한 거리(배경 한계)는 6×1015 광년(6천조 광년)이라고 추정했다. 셰조는 무한한 우주를 가정하고, 빛이 우주 공간에서 흡수되어 밤하늘이 어둡다고 생각했다.[32]
독일의 빌헬름 올베르스는 1823년 핼리의 문제점을 지적하고, 별이 성단처럼 모여도 성단이 균일하게 분포하면 역설은 해결되지 않는다고 덧붙였다. 올베르스도 셰조처럼 빛이 성간 물질에 흡수된다고 생각했다. 올베르스는 셰조의 저서를 소장했지만, 셰조를 언급하지 않은 이유는 불분명하다.[26][33]
4. 1. 초기 논의
코스마스 인디코플루스테스(Cosmas Indicopleustes)는 6세기 알렉산드리아 출신의 그리스 수도사로, 무한한 별이 존재할 경우 발생할 수 있는 열 문제를 처음으로 제기하였다. 그는 자신의 저서 『그리스도교 지리학』(Topographia Christiana)에서 "수정으로 만들어진 하늘은 태양, 달, 그리고 무한한 수의 별들의 열을 견뎌냅니다. 그렇지 않다면 불로 가득 차서 녹거나 불이 붙었을 것입니다."라고 주장했다.[2]
16세기 영국의 천문학자 토마스 디그즈는 무한한 우주에 무수히 많은 별들이 흩어져 있다는 우주관을 제시하였다. 그는 코페르니쿠스의 지동설(Copernican system)을 영어로 최초로 설명한 인물 중 한 명으로, 널리 읽힌 천문학 해설서에 1576년 『천구의 완전한 설명』(A Perfit Description of the Cælstiall Orbes)을 덧붙여 이러한 우주관을 도입했다. 디그즈는 밤하늘이 어두운 이유에 대해, 무수한 별들의 대부분이 “우리에게는 보이지 않는 놀라울 정도로 먼 거리”에 있기 때문이라고 설명했다.[3][23]
요하네스 케플러는 1610년에 밤하늘의 어둠 문제를 제기했다.[4] 그는 지동설을 지지했지만, 한편으로는 신비주의적인 생각에 따라 “항성천” 개념을 고수했다. 케플러는 밤하늘의 어둠을 우주가 유한하다는 증거 중 하나로 보았다. 그는 별들이 태양과 같은 성질이라면 “모든 별들을 전부 합쳐도 가장 가까운 곳에도 대단히 희미한 빛만 보내오는 것은 왜일까”라고 질문하며, 우주에는 전천을 덮을 만한 별이 원래 존재하지 않고, 망원경으로 발견되는 어두운 별들은 멀리 있는 것이 아니라 태양보다 훨씬 작고 약하게 빛나는 것이라고 생각했다.
4. 2. 18-19세기
아이작 뉴턴의 맹우였던 에드먼드 핼리는 1721년에 두 개의 짧은 논문을 발표했다. 핼리는 뉴턴의 무한한 우주론의 합리성을 옹호하며, "만약 항성의 수가 유한한 수 이상이라면, 그 표면상의 천구 전체는 밝게 빛날 것이다"라는 주장에 반론을 제기했다.[24] 그러나 핼리는 혼란스러운 수학적 추론으로 인해 길이와 면적을 혼동하여, 먼 별들의 밝기는 거리의 제곱에 반비례하여 작아진다고 잘못 판단했다.
핼리의 결함을 바로잡고 역설을 올바르게 공식화한 것은 스위스의 장-필립 루아 드 셰조였다. 1744년 셰조는 자신의 저서 『1743년 12월 및 1744년 1월, 2월, 3월에 나타난 혜성에 관하여』의 부록에서 별의 밝기를 정량적으로 계산하여 역설을 명확히 제시했다. 셰조는 무한히 멀리까지 균일하게 별이 분포한다면, 별의 수가 거리의 제곱에 비례하여 증가하고 겉보기 면적이 거리의 제곱에 반비례하여 상쇄되므로, 우주의 어떤 방향을 보더라도 결국 별의 표면에 도달하게 된다고 보았다.
셰조는 별이 태양과 같은 밝기를 가지면 하늘은 태양 표면과 같은 밝기를 가지며, 하늘 전체는 태양의 9만 배 밝기를 가진다고 계산했다. 또한 별이 밤하늘을 가득 채우는 데 필요한 거리(배경 한계)가 6×1015 광년(6천조 광년)이라고 추정했다. 셰조는 무한한 우주를 가정하고, 밤하늘이 어두운 이유는 빛이 우주 공간을 통과하며 흡수되기 때문이라고 생각했다.
독일의 빌헬름 올베르스는 1823년에 핼리의 논의의 문제점을 지적하고, 별이 성단처럼 집단을 이루더라도 성단이 균일하게 분포하면 역설은 해결되지 않는다고 덧붙였다. 올베르스 역시 셰조처럼 빛이 성간 물질에 흡수되어 어두워진다고 생각했다. 올베르스는 셰조의 저서를 소장했지만, 셰조의 업적을 언급하지 않은 이유는 명확하지 않다.
존 허셜(John Herschel)은 1848년에 빛을 흡수한 성간 물질이 결국 가열되어 다시 빛을 방출하므로, 흡수 이론이 역설을 해결할 수 없음을 지적했다.
4. 3. 20세기 이후
1901년 켈빈은 빛의 속도가 유한하고 별의 수명이 유한하다는 점을 들어 올베르스의 역설을 해결했다. 빛이 우주 공간을 지나려면 시간이 걸리기 때문에, 밤하늘은 현재 별의 모습이 아닌 과거 별의 모습을 보여준다. 밤하늘이 밝게 빛나려면 우주의 크기가 최소 수백조 광년은 되어야 하지만, 우리 우주는 그만큼 오래되지 않았기 때문에 밤하늘이 어둡게 보인다고 설명했다.[34]요약하자면, 빛의 속도는 유한하여 일부 빛은 아직 지구에 도달하지 않았다. 빅뱅 우주론에 따르면 우주는 유한한 나이를 가지므로 별들은 일정 거리 안에만 존재한다. 또한 우주가 팽창하면서 아직 도달하지 못한 빛들이 계속 지구에 도달하더라도 밤하늘이 밝아지지 않는다. 우주 팽창으로 인해 모든 빛은 적색 편이를 겪고, 가시광선 영역의 빛은 파장이 길어져 적외선 영역으로 이동하여 우리 눈에 보이지 않게 된다.
1930년대에는 우주가 팽창한다는 개념이 제시되었다. 먼 은하는 우리에게서 광속보다 빠르게 멀어지며, 이로 인해 관측 가능한 우주에는 한계가 있다.
1948년 가모프 등은 우주가 빅뱅으로 시작되어 유한한 나이를 가진다는, 현재 널리 받아들여지는 견해를 제시했다. 그러나 이 우주론이 즉시 모두에게 받아들여진 것은 아니었다. 본디, 골드, 호일 등은 같은 시기에 정상 우주론을 제안했다. 이들은 먼 은하의 적색편이를 통해 우주가 팽창한다는 것을 인정했지만, 공간에서 새로운 물질과 별이 생성되어 우주는 과거와 미래 모두 변함없이 정상 상태를 유지한다고 주장했다. 정상 우주론에서는 팽창으로 인해 광속을 넘어서는 경계(사건의 지평선) 너머는 보이지 않지만, 우주는 무한한 과거부터 존재해 왔으므로 하늘을 보면 결국 먼 과거의 별에 도달하게 된다. 하지만 이 별들의 빛은 적색편이로 인해 늘어나 사람 눈에는 보이지 않고, 우주는 어둡게 보인다고 설명했다.
1950년대 본디는 "올베르스의 역설"이라는 이름으로 밤하늘의 어둠에 대한 역설을 널리 알렸다. 1965년 우주 배경 복사가 발견되면서 우주가 모든 방향에서 균일하고 거의 흑체 복사에 가까운 마이크로파 복사로 덮여 있다는 것이 밝혀졌다. 이 균일한 배경 복사는 정상 우주론에서 주장하는 먼 과거 별의 적색편이로는 설명하기 어려웠고, 빅뱅으로 시작하는 유한한 나이의 우주라는 개념이 받아들여지면서 정상 우주론은 지지를 잃었다.
20세기 우주론의 변화는 올베르스의 역설에 대한 이해를 크게 바꾸었다. 그러나 역설 해결에는 정상 우주론이나 빅뱅 우주론과 같은 팽창 우주론 개념이 반드시 필요한 것은 아니었으며, 더 단순한 고찰로도 충분했다. 뢰머 등이 엄폐 관측을 통해 17세기에 이미 빛의 속도가 유한함을 밝혔기 때문에, 우리가 보는 별들은 아주 먼 과거의 모습이라는 것은 명백했다. 별의 수명이 이전 예상보다 훨씬 짧다는 것이 밝혀지면서, 켈빈은 별이 배경 한계에 해당하는 시간보다 훨씬 짧은 시간 동안만 빛을 냈다면 밤하늘에서 별이 차지하는 비율이 그만큼 작아진다고 결론지었다. 켈빈은 이 비율이 1조 분의 1도 되지 않는다고 계산했다. 이 결과는 1884년 켈빈의 미국 물리학자 대상 강의록 중 하나로, 1901년 이후 논문과 서적 부록으로 출판되었으나, 천체물리학자 에드워드 R. 해리슨에 의해 재발견될 때까지 거의 잊혔다.[27]
1987년 『밤하늘은 왜 어두운가?』(Darkness at Night)를 저술한 해리슨은 작가 에드거 앨런 포가 말년에 쓴 산문시 『유리카』(1848년)에서 밤하늘의 어둠에 대해 언급한 내용을 소개했다.[28] 포가 빛줄기가 도달하지 않은 이유를 별이 아직 형성되지 않았기 때문이라고 해석하면, 이는 정성적으로 켈빈의 생각을 예견한 것이 된다.
참조
[1]
뉴스
The Flip Side of Optimism About Life on Other Planets
https://www.nytimes.[...]
2015-10-29
[2]
서적
Cosmas Indicopleustès. Topographie chrétienne, 3 vols.
Cerf
1973-01-01 # 년도만 제공
[3]
서적
The Scientific Revolution: The Essential Readings
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