도플러 효과

호수 위에 가만히 떠 있는 오리가 물장구를 치면 동심원 모양의 둥근 물결이 사방으로 균일하게 퍼져나가요. 물결과 물결 사이의 간격도 앞뒤 좌우 모두 일정하죠. 하지만 오리가 앞으로 헤엄치면서 물장구를 계속 치면 물결의 모양이 크게 달라져요.

오리가 앞으로 나아가면서 물결을 만들기 때문에, 오리 앞쪽의 물결들은 서로 좁게 바짝 다닥다닥 붙어서 압축돼요. 반대로 오리가 이미 지나쳐 온 뒤쪽의 물결들은 간격이 아주 넓고 헐렁해지게 돼요.

소리도 공기를 타고 퍼져나가는 일종의 물결, 즉 파동(공기의 떨림)이에요. 구급차가 사이렌을 울리며 우리 쪽으로 달려오면, 소리 파동이 앞쪽으로 빽빽하게 뭉쳐서 우리 귀에 더 자주 밀려 들어와요. 1초 동안 귀 고막을 때리는 파동의 횟수가 많아질수록 우리의 뇌는 이를 '더 높은 음'으로 인식한답니다.

만약 구급차도 듣는 사람도 멈춰 선 채로 사이렌을 울린다면 이런 소리의 변화는 생기지 않아요. 구급차가 앞으로 움직이면서 다음 파동을 앞선 파동에 더 가까운 곳에서 내보내기 때문에 앞쪽 파동의 간격이 좁아지는 것이랍니다(소리 자체가 더 빨라지는 것은 아니에요).

구급차가 내 앞을 쌩 지나쳐서 저 멀리로 멀어지기 시작하면 정확히 반대의 일이 일어나요. 구급차가 소리를 뿜어내면서 동시에 앞으로 도망치듯 멀어지기 때문에, 귀에 닿는 소리 파동 사이의 간격이 고무줄처럼 길게 쭉 늘어나요.

파동의 간격이 넓어지면 1초 동안 귀에 닿는 파동의 진동수가 줄어들게 돼요. 우리 귀는 1초에 들어오는 진동수가 적을수록 '낮은 음'으로 알아듣기 때문에, 쌩 지나가는 순간 사이렌 소리가 푹 꺼지듯 낮게 변하는 것이지요.

놀랍게도 이 도플러 현상은 소리뿐만 아니라 눈에 보이는 빛에서도 비슷하게 일어나요. 빛도 파동의 성질을 가지고 있어서, 별빛을 프리즘처럼 나눠 보면(분광) 다가오는 별은 빛의 무늬(스펙트럼선)가 파장이 짧은 파란색 쪽으로(청색편이), 멀어지는 별은 파장이 긴 붉은색 쪽으로 조금 밀려 있어요(적색편이). 별의 색이 눈에 띄게 바뀌는 것은 아니에요.

경찰관이 도로에서 과속 차량을 잡을 때 쓰는 레이더 스피드건도 이 원리를 써요. 자동차를 향해 쏜 전파가 차에 맞고 돌아올 때 진동수가 얼마나 달라졌는지(높아졌는지 또는 낮아졌는지)를 재서 차의 속도를 알아내는 것이랍니다.

조금 더 정확히 말하면, 구급차가 내는 진짜 사이렌 소리의 높낮이나 별이 실제로 내뿜는 빛의 고유한 색깔 자체가 바뀌는 것은 아니에요.

사이렌을 울리며 달리는 구급차 안에 앉아 있는 운전기사는 소리의 높낮이 변화를 전혀 느끼지 못해요. 기사님에게는 처음부터 끝까지 똑같은 음정으로 들리죠. 도플러 효과는 소리를 내는 물체와 이를 듣는 사람 사이의 '상대적인 움직임' 때문에 관찰자의 입장에서만 일어나는 현상이에요.

천문학자 에드윈 허블은 은하까지의 거리를 측정해, 앞서 슬라이퍼 등이 측정한 은하들의 적색편이와 비교했어요. 가까운 안드로메다은하처럼 다가오는 예외도 있지만, 먼 은하일수록 적색편이가 더 크다는 관계가 드러났어요.

이것은 먼 은하일수록 우리에게서 더 빨리 멀어진다는 뜻이었고, 우주가 풍선이 부풀어 오르듯 팽창하고 있다는 생각의 핵심 근거가 됐어요. 다만 먼 은하의 적색편이는 은하가 공간 속을 달려서 생기는 도플러 효과라기보다, 빛이 오는 동안 공간 자체가 늘어나서 생기는 것으로 설명해요.