[지구과학1] 9평 논란의 20번 ㄷ 선지에 대한 소견

지1 20번 문제의 ㄷ 보기가 여러 사람들 사이에서 논란이 많습니다. 

일단, 저의 소견을 말씀드리자면 

"문제의 논리 자체는 문제가 없으나, 지금까지의 교육 과정 방향성을 뒤흔드는 매우 위험한 문제다." 라고 할 수 있겠습니다.

모두들 이 문제의 의도는 알고 계실겁니다. 

80억 년 전 Q를 통과한 빛이 80억 년이 걸려 현재 관측자에게 도달하였으니, 의심의 여지 없이 빛이 진행한 거리는 80억 광년이지만,

빛이 진행하는 동안에도 공간은 팽창하기 때문에 빛이 관측자에게 도달한 순간에 관측자와 Q 사이의 거리는 80억 광년보다 멀다는 것입니다. 

이를 그림으로 나타내면 다음과 같습니다. 

빛이 우주 공간을 진행하는 동안에도 우주 팽창에 의해 관측자와 Q 사이의 거리가 멀어진다는 것을 생각하면 자연스럽게  현재 관측자와 Q 사이의  거리는 Q에서 출발하여 관측자에게 도달한 빛이 여행한 거리(80억 광년)보다 길 수 밖에 없습니다.

해당 풀이는 교육과정 내에서 생각을 못할 풀이도 아니며, 논리적으로 문제가 있지도 않습니다.

서칭을 해보니 아예 문제가 오류라고 하시는 분도 계시고 어떤 강사분들은 우주의 팽창으로 ㄷ 선지를 설명하는 것이 오개념이라고 주장하시는 분들도 계시던데, 그 분들의 의견이 궁금합니다.. 이 문제의 논리는 한국 천문 연구원 선임 연구원을 지내셨던 안상현 박사님께서 저술하신 '우주의 측량'에도 서술된 내용입니다. 제가 앞으로 설명한 고유거리와 광행거리에 대한 개념도 마찬가지구요. 해당 서적에는 정확하게 '빛이 진행하는 동안 우주가 팽창을 하기 때문에 현 시점의 어떤 천체의 고유거리는 광행거리보다 큼이 자명하다.' 라고 서술되어 있습니다.

여튼 문제 자체만 놓고 보면 문제가 전혀 없다는 것인데요... 문제 외적으로 심각한 문제가 있습니다. 

이 문제는 자칫 잘못하면 교과서의 서술을 부정하는 것 처럼 보여 수험생들에게 커다란 혼란을 가져올 위험이 있는,

아주 위험한 문제입니다.

지금부터 어떤 위험이 있는지 차근히 설명드리도록 하겠습니다.

1) 우주의 지평선

YBM 교과서와 금성 교과서는 우주의 지평선에 대해 정확하게 다음과 같이 서술하고 있습니다. 

"우주의 지평선은 관측자를 중심으로 한 138억 광년의 반지름을 가지는 구이다."

위 문제를 풀고나면 이 서술이 굉장히 이상하게 느껴져야합니다. 

우주의 지평선의 개념을 떠올려 봅시다. 

우주의 나이가 138억 년일 때, 관측자는 관측자에게 도달하기까지 딱 138억 년이 걸리는 빛까지만 관측할 수 있습니다.

관측자에게 도달하기 까지 139억 년이 걸리는 빛은 아직 관측자에게 도달하지 못했겠지요.

따라서 빛이 관측자에게 도달하기까지 138억 년이 걸리는 거리, 즉 138억 광년이 관측자로부터 우주의 지평선까지의 거리라는게 

교과서의 논리입니다.

그런데 9평 20번의 ㄷ보기에 따르면 현재 어떤 천체와의 거리는 그 천체에서 출발한 빛이 진행한 거리보다 더 멀어야하잖아요?

그럼 관측자에게 도달하기까지 138억 년이 걸린 빛이 출발한 지점은 분명히 138광년보다 더 멀어야합니다.

즉, 우주의 지평선까지의 거리는 분명 138억 광년보다 멀어야한다는 의미이죠.

그럼 교과서의 서술이 틀린걸까요? 

이 모순을 해결하기 위해서는 우주론적 거리 개념에 대한 이해가 필요합니다.

2) 우주론적 거리 측정

매우 거대하고, 팽창하는 우주에서 어떤 천쳬까지의 거리를 나타내는 것은 상당히 어려운 일입니다. 

이에 따라 우주론에서 사용하는 '거리'는 무엇을 기준으로 거리를 나타낼 것이냐에 따라 다양한 종류가 있습니다. 

수험생 입장에서 언뜻 이해가 어려울 수 있는데 '단위'가 다양하다는게 아닙니다. 

말 그대로 '거리의 값'이 기준에 따라 다양하다는 것입니다. 

굉장히 다양한 종류가 있는데 우리가 직면한 문제를 해결하기 위해 알아야 할 개념은 '고유거리' 와 '광행거리' 입니다.

이 둘을 비교해봅시다.

2)-1. 광행거리

 80억 년 전 Q에서 출발한 빛이 지금 현재 우리에게 도달했다면, 빛이 진행한 거리는 ‘80억 광년’ 입니다.  여기에는 반박의 여지가 없습니다. 그렇다면, 만약 관측자와 은하 Q사이의 거리를 현 시점에서 관측되는 빛이 진행한 거리를 기준으로 이야기하면 ‘80억 광년’이 되며, 이것이 광행거리입니다.

그리고 교과서에 설명된 우주의 지평선까지의 거리는 이 ‘광행 거리’를 기준으로 설명되어 있는 것입니다.

과년도 EBS 문제 등을 풀며 한번쯤은 보았을, ‘60억 광년 떨어진 퀘이사는 60억 년 전 이전에 형성되었다.(참).’ 

라는 식의 문제에서 쓰이는 '광년' 단위의 거리는 모두 이 '광행거리'를 기본으로 한 문제들입니다.

2)-2. 고유거리

 어떤 특정 시점의 천체들 사이의 절대적인 거리를 '고유거리'라고 합니다. 우주가 팽창을 해도 길어지지 않는 어떤 절대적인 줄자를 가지고 잰 거리라고 생각하면 됩니다. 9평 20번 문제를 풀어보면 알겠지만 우주가 팽창하는 상황에서 앞서 설명한 '광행거리'는 어떤 특정 시점의 천체들 사이의 거리를 나타내지는 않습니다. 그래서 우주의 팽창까지 고려하여서 어떤 특정 시점의 천체들 사이의 거리를 표현하고 싶을 땐 '고유거리'를 사용합니다. 9평 20번을 풀면 알 수 있다시피 우주는 팽창을 하기 때문에 현재 어떤 천체와의 고유거리는 그 천체의 광행거리보다 클 수 밖에 없습니다.  

그래서, 우주의 지평선도 광행거리로 표현하면 138억 광년 떨어져 있다고 하지만, 사실 고유거리로 나타내면 465억 광년(자료에 따라 456억 광년)이 됩니다. 

그런데 사실, 고유거리에 대한 개념은 교과서 어디에도 나와있지 않으며, 교과서는 광행거리와 고유거리를 전혀 구분하지 않고 상황에 따라 섞어 쓰고 있습니다. 뿐만 아니라 '광년' 이라는 거리 단위를 쓸 때에는 일관되게 광행거리를 기준으로 서술해왔습니다. 

그래서 우주의 지평선도 138억 광년 떨어져 있다고 서술하고 있는 것이구요.

그럼 이제 문제점이 무엇인지 느낌이 오시나요? 평가원은 지금까지 일관되게 유지되어 왔던 교육과정의 방향성을 뒤흔들어놓은 것이고,

이것은 수험생들에게 엄청난 혼란을 가져올 수 있습니다. 어떤 문제가 생길 수 있는지 알아보죠.

3) 어떤 문제가 생길 수 있는가?

물론, 평가원이 항상 교육과정의 울타리 안에서만 문제를 출제하는 건 아닙니다. 교과서엔 소개되어 있지 않아도, 평가원 모의고사나 EBS 연계 교재를 통해 소개된 내용으로 교육과정의 선을 확장시켜 놓은 뒤 출제를 한 이력이 이전에도 충분히 많습니다. 하지만, 이전까지는 교육 과정의 내용을 부정할 위험이 있는 문제를 출제하지는 않았었습니다.

그런데 이 문제의 경우는 수험생들이 그렇게 받아들일 우려가 있기 때문에 심각한 문제가 있습니다.

제가 '2)우주론적 거리 측정'에서 우주론에서는 거리를 나타내는 방법에는 다양한 방법이 있다고 설명드렸습니다.

광행거리도, 고유거리도 틀린 것은 아닙니다. 단지 거리를 나타내는 방법이 서로 다를 뿐입니다. 

다만, 9평 20번의 경우 '지금 현재 Q 은하까지의 거리' 라고 한 뒤에 ㉠까지 표시하여 '현 시점의 고유거리'를 생각하도록 강조했기 때문에, 광행거리가 아닌 고유거리로 답해야하는 것입니다. 

그런데 문제는 수험생들은 우주론적 거리 측정 방법이 다양하다는 사실을 모른다는 것이죠. 교육과정에 전혀 언급되어 있지 않으니까요.

수험생들은 이 두 가지 방법이 모두 틀린 것은 아니라는 사실을 모르기 때문에 9평 20번 문제를 풀고 난 뒤에는

'우주의 지평선은 관측자를 중심으로 한 138억 광년의 반지름을 가지는 구이다.' 라는 교과서의 서술이 틀린 것으로 느껴지게 될겁니다.

그럼 엄청난 혼란이 느껴지게 되겠죠. 이 뿐만 아닙니다. 그동안 기출되었던 문제에도 엄청난 혼란을 가져다주는데,

예컨대, '거리가 60억 광년 떨어진 퀘이사는 60억 년 전 이전에 형성되었다.' 라는 선지를 생각해봅시다.

해당 선지는 과거 EBS 연계 교재에 맞는 선지로 출제되었던 내용입니다.

수험생 여러분이 '고유 거리' 라는 개념에 대해 인식하기 이전에는 '해당 퀘이사에서 출발한 빛이 우리에게 오기까지 60억 년이라는 시간이 걸렸다는 의미이니, 그 빛을 방출한 퀘이사는 60억 년 전 이전에는 형성이 되었겠구나.' 라는 단순 명료한 논리로 쉽게 선지를 해결할 수 있었을 겁니다. 그리고 문제의 의도도 그게 맞습니다. 

그런데 이제 여러분은 '고유 거리'의 개념을 인식해버렸기 때문에.. 이제 이 '60억 년'이 현 시점의 고유 거리를 의미하는지, 광행 거리를 의미하는지 혼란스러워질겁니다. 

"만약 이것이 현 시점의 고유 거리를 의미한다면??.." "현재 해당 퀘이사까지의 고유 거리는 광행 거리보다 길어야하므로  퀘이사의 광행 거리는 60억 광년보다 짧을거야.." "예컨대 광행거리가 50억 광년이라고 한다면..?" "그럼 퀘이사는 50억 년 전 이전에 형성된건데??" "그럼 만약 퀘이사가 55억 년 전에 생겼다면 이 선지는 거짓이 되는거 아닌가???"

이런 수렁에 빠지게 되겠지요.. 무엇이 문제인지 알겠습니까?

지금까지 교육과정은 '광년' 단위에 있어 철저하게 광행거리를 기준으로 거리를 다루어 왔습니다.

그런데 난데없이 지금 고유거리 개념을 가지고 와서 앞으로 공부를 할 수험생들을 혼란의 구렁텅이에 밀어넣은 거에요.

그래서 저는 이러한 내용을 정리해 교육과정을 뒤흔드는 문제라며 평가원에 이의 신청을 제기하였으나, 일단 문제의 구조 자체가 논리에 이상이 없기에 평가원이 받아들일 가능성은 희박합니다. 

그래서 어떻게하면 수험생들의 혼란을 최소화 할 수 있을지 고민하다가 다음과 같이 정리하면 혼란을 최소화 할 수 있겠다고 생각했습니다.

4) 어떻게 정리하면 혼란을 최소화 할 수 있는가?

앞서 말했듯, 지금까지 교육과정에서 '광년' 단위를 쓸 때에는 철저하게 '광행거리'를 다루어왔습니다. '광년' 이 아닌 다른 단위(예:Mpc)에 대해서는 ... 허블 법칙으로 구한 Mpc 단위의 거리는 고유 거리이긴 합니다만, 신경 쓰실 필요 전혀 없습니다. 왜냐하면 헷갈릴 문제 상황 자체가 만들어질 수 없기 때문입니다. 우리가 헷갈리는건 고유거리와 광행거리의 차이인데, 광행거리는 일반적으로 '광년'으로 나타내기 때문에, 우리는 '광년' 단위를 쓸 때에만 신경쓰면 됩니다. 

여튼, 교육과정은 지금까지 '광행거리'를 다루어 왔기 때문에 '광년'이라고 쓰여 있으면 기본적으로는 광행거리를 의미한다고 생각하시기 바랍니다. 단, 우주 팽창에 의한 효과가 고려되어 있는 문제 상황에서는 이 '광년'이 고유거리를 의미할 수도 있다고 정리해두시면 되겠습니다. 

우리는 지구과학을 하면서 이런 사고가 익숙할겁니다. 왜냐면

1)문제 상황 자체에서 해령의 이동을 고려하고 있거나 혹은 해령이 이동해야만 상황이 설명되는 문제가 아니라면 해령이 고정되어 있다고 생각하는게 기본

2) 문제 상황 자체에 지자기 역전 상황이 설정되어 있는 문제가 아니라면 지자기 역전은 고려하지 않는게 기본

3) 지층이 역전되어 있다는 단서가 주어져 있지 않으면, 지층의 역전은 없었다고 생각하는게 기본

과 같이 지구과학1에서는 기본적으로는 ~~게 생각하되, 특정 상황에서는 ~~를 고려하라는 식의 사고 방식이 자주 나오거든요.

거기에 하나를 추가 시키는겁니다.

4) 기본적으로 '광년'은 교육과정상 광행거리를 나타내지만, '우주의 팽창을 고려하여' 특정 시점에서 천체까지의 거리를 이야기 하는 경우 고유거리를 의미할 수 있다.

이렇게 생각하시면 큰 혼란 없이 정리가 될 것입니다.