팟캐스트 '과학이 빛나는 밤에' 1화 + 2화

과빛밤 1화 : 우주의 탄생 1편 - 빅뱅은 현재진행형

과빛밤 2화 : 우주의 탄생 2편 - 빅뱅 1초 후, 우주의 미래가 결정된 순간

1929년 천문학자 에드윈 허블은 우리은하 외에 수천억 개의 또 다른 은하가 더 존재함을 발견했다. 이로써 우주는 우리가 상상하는 그 이상으로 크다는 것이 밝혀졌고, 우주의 모든 별들이 현재도 빠른 속도로 멀어지고 있다는 사실 또한 드러났다. 여기서 우주의 규모가 크다는 점은 관찰로 쉽게 알 수 있는 부분이지만, 별들이 멀어지고 있다는 점은 어떻게 알 수 있었을까?

빅뱅이론에서는 그 원인을 ‘우주배경복사’의 존재에 둔다. 우주 공간은 어떠한 열기로 가득 차 있는데, 그 온도는 어딜 가나 똑같다. 이건 우주배경복사가 어떤 특정한 별에서 나온 게 아니라, 빅뱅 당시 폭발로 인해 팽창한 열기가 우주 공간에 골고루 퍼졌기 때문이다. 우주배경복사의 발견으로, 하나의 점에서 폭발이 일어 우주가 탄생했다는 ‘빅뱅이론’은 점점 주류 이론으로 잡리 잡게 된다.

엄청난 폭발과 함께 우주에 흩뿌려진 ‘물질’들은 과연 어떻게 만들어진 것일까? 이는 입자가속기 실험에서 힌트를 얻을 수 있다. 입자를 매우 빠르게 돌리면 입자들끼리 서로 충돌하고, 여기서 생겨난 충돌 에너지는 물질로 전환되어 새로운 입자들을 만들어낸다. 빅뱅 당시 생겨난 물질도 마찬가지이다. 응축된 에너지 덩어리가 폭발하면서 그 모든 에너지가 물질로 전환된 것이다.

이렇게 물질이 존재하면 물질들 사이에 일어나는 힘의 법칙들(상호작용) 또한 같이 존재하게 된다. 현재까지는 중력, 전자기력, 강력, 약력 이렇게 4가지의 우주를 구성하는 기본 힘이 발견됐다. 각각의 힘들은 물질을 결합하고, 분리해 우주가 완벽하게 돌아가도록 만들어준다.

빅뱅 당시 양성자, 중성자, 전자가 생겨났는데, 이들은 모여서 물질을 결정하는 가장 최소단위인 ‘원자'를 구성한다. 우선 양성자와 중성자가 서로 결합해 원자핵을 이루고, 전자는 원자핵 주변을 떠돈다. 이때 전자가 주변을 떠돌 수 있는 건 무언가가 전자를 끌어당기고 있다는 걸 의미하는데, 이는 양성자가 플러스(+), 전자가 마이너스(-)의 전기적인 성질을 띠고 있기 때문이다. 여기서 첫 전째 상호작용인 ‘전자기력’을 발견할 수 있다.

그런데 원자의 구성을 보면 이상한 점이 하나 있다. 원자핵 속에 모인 양성자들은 모두 플러스(+) 성질을 띠기 때문에 전자기력에 의해 서로 밀어내야 하는 것으로 보인다. 하지만 ‘강력’이라는, 전자기력보다 무려 100배 이상의 힘을 지닌 상호작용 덕분에 같은 극인 양성자끼리도 아주 가깝게 붙어있을 수 있게 됐다. 강력 덕분에 원자 핵이 깨지지 않고 존재할 수 있는 것이다.

전자기력과 강력은 힘의 세기, 범위 면에서 서로 상반된 특징을 갖고 있다. 전자기력은 힘이 미치는 범위가 넓은 대신 힘의 세기는 상대적으로 작다. 반대로 강력은 힘이 미치는 범위가 굉장히 좁고 힘의 크기는 상당히 강하다. 이런 힘들은 아주 미세하게 세팅됨으로써 서로 상호작용하며 이 우주를 유지시킨다.

세 번째 상호작용은 '중력'이다. 중력은 물질들 간 서로 끌어당기는 힘을 말한다. 중력은 미치는 범위가 굉장히 넓지만 힘의 크기는 작은 자석으로 순간 작은 핀셋을 끌어당길 수 있을 정도로 굉장히 약하다. 전자기력보다도 훨씬 약하다. 이렇게 약한 힘의 세기에도 불구하고 중력은 별을 만들고 우리가 지구의 땅을 밟게 하는 등 지금의 우주는 만드는데 아주 중요한 역할을 한다.

에너지 보존의 법칙에 따르면, 에너지는 발생하거나 소멸하는 일이 없이 형태만 바뀌며 총량은 언제나 일정하다. 때문에 현재 우리가 느끼는 이 모든 에너지들은 137억 년 전 빅뱅 당시에 생겨났고, 우리는 그때의 에너지로 지금도 잘 살아가고 있음을 알 수 있다. 그리고 빅뱅의 시작과 함께 결정된 힘의 세기, 범위 그리고 여러 가지 특성들은 지금의 우주가, 지구가 그리고 내가 일그러지지 않은 채 무사히 존재할 수 있게 해준다. 과연 무엇이, 한 점을 폭파시켜 물질을 만들고, 우주가 돌아가게 하는 힘들을 조율한 것일까? 결코 그 답을 얻을 수 없는 인간의 입장에서 있는 그대로 완벽한, 우주의 존재 자체가 그저 신기할 따름이다.

by Audrey