우주 공간은 3차원임에도 불구하고 태양계, 은하계, 블랙홀 강착원반 등 많은 천체 구조가 평평한 원반 형태를 띠고 있습니다. 약 46억 년 전 소용돌이치는 가스와 먼지로 이루어진 초기 성운으로부터 형성된 우리 태양계 역시 마찬가지입니다. 모양이 없는 거대한 가스 덩어리가 어떻게 평평한 원반 구조로 변화했는지, 그 물리학적 원리를 탐구하는 것은 우주의 근본적인 작동 방식을 이해하는 열쇠가 됩니다.
성운의 형성과 태양계의 탄생
태양, 지구, 모든 행성들과 달, 왜소행성, 소행성과 혜성 즉 태양계 전체는 약 46억 년 전 하나의 성운에서 탄생했습니다. 이 성운은 처음에는 모양이 없는 큰 가스 덩어리였지만, 유튜브 알고리즘처럼 저항할 수 없을 정도의 강력한 중력으로 인해 수축하기 시작했습니다. 그러나 여기서 흥미로운 질문이 제기됩니다. 왜 모든 행성과 위성들이 평평한 원반 모양으로 공전하게 되었을까요?
많은 사람들이 원자의 행성 모양을 떠올리지만, 실제 원자의 구조는 그 이미지와는 완전히 다릅니다. 마찬가지로 태양계의 행성들도 태양을 중심으로 임의의 모든 방향으로 공전할 수도 있었을 것입니다. 하지만 현실은 그렇지 않습니다. 이러한 평평함은 우리 태양계만의 특별한 현상이 아닙니다. 많은 다른 태양계들도 평평하고, 여러 은하계들도 평평합니다. 블랙홀 강착원반도 평평하고, 토성의 고리도 평평합니다.
천체의 형성 과정을 살펴보면 물리학의 기본 원리가 어떻게 우주의 구조를 결정하는지 명확하게 알 수 있습니다. 초기 성운은 무작위로 분포된 가스와 먼지였지만, 중력이 작용하면서 물질들이 모이기 시작했고, 이 과정에서 회전 운동이 발생했습니다. 이는 우주가 단순히 무질서한 공간이 아니라 특정한 물리 법칙에 따라 질서정연하게 작동하는 시스템임을 보여줍니다.
각운동량 보존의 법칙
우주는 이 많은 3차원 공간을 놔두고도 왜 굳이 평평한 모양을 선호하는 걸까요? 이는 두 가지와 관련되어 있습니다. 바로 충돌 그리고 우리가 3차원에 살고 있다는 사실입니다. 중력에 의해 모여 있는 여러 물체들이 빙빙 돌 때 각 물체의 궤도는 예측하기 거의 불가능합니다. 그럼에도 불구하고 함께 보면, 그들은 전체적으로 하나의 물리량을 가지고 있습니다. 바로 질량 중심을 중심으로 도는 것을 나타내는 물리량입니다.
회전의 정확한 방향을 알아내기는 힘들 수도 있지만, 조금의 수학을 사용하면 그 구름이 전반적으로 회전하고 있는 어떠한 평면이 존재한다는 것을 알 수 있습니다. 2차원 평면에서 회전하는 입자의 구름은 당연히 평평합니다. 모두 2차원이니까요. 그러나 3차원에서는 구름의 회전이 하나의 평면에 있더라도 각 입자들은 그 평면 위아래로 왔다갔다 할 수 있습니다.
우리 우주에서 고립된 시스템 안에서 회전하는 총 각운동량은 언제나 유지되기 때문에, 시간이 지날수록 전체적인 질량은 반드시 멈추지 않고 회전해야 합니다. 이 각운동량 보존 법칙은 우주 물리학의 가장 기본적이면서도 강력한 원리 중 하나입니다. 물리학이라는 학문이 천문학과 긴밀하게 연결되어 있음을 보여주는 대표적인 사례이며, 과학이 얼마나 방대하고도 멋진지를 실감하게 만듭니다. 우주를 알게 되면서 천문학뿐만이 아닌 물리 등도 함께 이해할 수 있다는 점이 재미있고도 신기한 일입니다.
3차원 충돌을 통한 원반 형성
입자들이 서로 이리저리 충돌하면서 위아래 방향의 움직임은 에너지를 잃고 상쇄되고 맙니다. 이 충돌 과정이 핵심입니다. 충돌을 통해 구름은 위아래 부분이 얇아지고 회전하는 2차원 원반처럼 평평해집니다. 태양계나 은하계처럼 말이죠. 이러한 과정을 통해 성운이나 원시 은하들이 평평하지 않은 상태로부터 시작해서 평평해지는 것은 3차원에서 가능합니다.
흥미롭게도 4차원에서 수학적으로 계산해보면 두 개의 회전하는 평면이 따로 나올 수 있다고 하는데, 이는 3차원으로 생각하는 우리 뇌로 이해하려 하면 머리가 터질 것 같기도 합니다. 하지만 충돌을 통해 에너지가 상쇄되면 위와 아래 방향도 존재하지 않는다는 뜻입니다. 그러니 입자들의 구름은 그냥 계속해서 구름과 같은 모양을 유지할 수도 있는 것입니다.
결국 태양계의 평평한 구조는 우연이 아니라 필연입니다. 이는 굉장히 좋은 일입니다. 왜냐하면 우리는 그 물질들이 서로 모여서 별과 행성들을 만들어줘야 하기 때문입니다. 원자가 행성 모형처럼 생겼다고 생각하는 사람들도 있지만, 실제로는 각운동량 보존과 충돌이라는 물리 법칙이 우주 구조를 결정합니다. 이런 복잡한 개념들을 밝혀내는 과학자들은 정말 멋지고 대단한 것 같습니다.
결론
태양계뿐만 아니라 대다수 우주의 모습이 평평함을 위주로 되어 있다는 사실은 매우 흥미롭습니다. 단순히 천문학적 관찰을 넘어서, 물리학의 기본 법칙이 어떻게 우주의 거대한 구조를 만들어내는지 이해할 수 있게 됩니다. 과학이 얼마나 방대하고도 멋진지, 그리고 이러한 원리를 발견해낸 과학자들이 얼마나 대단한지 새삼 느끼게 됩니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=TI5XpLQdUX4