팟캐스트 '과학이 빛나는 밤에' 우주의 탄생 1, 2편 후기 by Elizabeth

<진실 대 거짓>에 의하면 우주의 근원이 '빅뱅'이라는 이론은 거짓이다. 그렇다면 정말 우주의 근원은 무엇일까? 과빛밤을 통해 여전히 주류로 인정되는 빅뱅이론이 무엇인지 그리고 물질이 어떤 구성요소로 만들어지며 어떠한 힘이 작용하여 우주가 만들어진 것인지 알 수 있었다.

빅뱅. 137억 년 전 빅뱅에서 생겨난 것은 물질이다. 모든 것을 이루는 물질은 그 때 일어났다. 우리는 빅뱅 그 자체이다. 지금 이 순간에 빅뱅의 흔적을 만지고 보고 느낄 수 있는 것이다. 빅뱅은 137억 년 전에 시작됐다. 왜 137억 년일까? 왜 이러한 특정한 숫자가 나왔을까? 100년 전엔 빅뱅이라는 개념이 없었다. 그 당시 과학자들은 그냥 우주는 무한한 과거에서부터 있어왔던 것이지, 특정한 순간 폭발에 의해 우주가 생겨났다고 생각하지 않았다.

하지만 에드윈 허블이라는 과학자가 하늘의 얼룩이 가스 덩어리가 아니라 '다른 은하'의 존재라는 것을 발견한다. 그리고 우리 은하 말고도 수많은 은하가 있음을 알아낸다. 그는 이 사실을 통해 우주의 크기가 엄청 크고, 모든 은하들이 가만히 있지 않고 굉장히 빠른 속도로 멀어지고 있다는 것 또한 밝혀냈다.(도플러 효과)

역으로 생각하면 은하들이 원래는 하나의 점과 같이 가까이 있었다는 생각도 할 수 있다. 이러한 발견으로 인해 '빅뱅'이론이 점점 주류로 자리 잡아가지만, 많은 과학자들이 받아들이기에는 근거가 부족했다. 하지만 '우주배경복사'라는 현상의 발견으로 인해 결정적으로 '빅뱅'이론이 주류가 되었다.

우주배경복사란 우주공간이라는 배경에 복사(열기)가 가득 차 있다는 것이다. 그런데 그 열기가 우주 어디에서든지 똑같다. 즉 우주가 똑같은 온도의 열기로 가득 차 있다는 것이다. 그 말은 그러한 열기가 별들로 나온 것이 아니라 우주공간 자체의 열기라는 것을 나타낸다.

그런데 왜 우주공간이 똑같은 열기로 가득 차 있는 것일까? 그것은 바로 폭발 때문이라고 밖에 볼 수 없다. 우주가 원래는 작았고, 그러한 우주가 굉장한 열기를 가지고 폭발한 것이다. 그러면서 그러한 열기가 우주가 커지면서 퍼졌다. 그것을 '우주배경복사'라고 한다. 이렇게 해서 빅뱅은 주류로서 인정을 받게 된다. 하지만 빅뱅이론이 우주의 모든 것을 설명하지는 않는다. 중력, 전자기력과 같은 상호작용 시스템을 완벽히 설명하지는 못한다.

▲이미지. 우주배경복사cosmic microwave background radiation

한편 '물질'이 빅뱅으로부터 어떻게 생겨났을까? 물질이 어떻게 한 점에서 생겨났을까? 이 질문의 실마리를 찾을 수 있는 실험이 있다. 바로 입자가속기(입자를 가속하는 것) 실험이다. 입자를 굉장히 빠른 속도로 돌리면서 입자를 충돌 시킨다. 그러면 그것으로부터 입자들이 생겨 난다. 에너지가 물질로 전환된 것이다.(E=MC^2) 이러한 현상을 입자가속기로부터 실제로 관찰할 수 있다. 에너지가 빅뱅의 한 점에 있었고, 폭발을 하면서 에너지가 물질로 변환된 것이다.

하지만 에너지의 성질에 의하여 여전히 의문점들이 많이 남아있다.('에너지'에 대한 정의 - 에너지는 무엇인가를 움직이게 하는 능력) 에너지는 혼자서 공중에 혼자 떠 있을 수 없다. 에너지라는 것은 혼자 독립적으로 존재하는 것이 아닌데, 어떻게 빅뱅 때는 혼자 독립해서 존재하는 것인지 정확히 알 수는 없다. 그럼에도 불구하고 빅뱅 당시 에너지가 존재했다는 것은 알 수 있다. 그리고 그러한 에너지가 물질로 전환되면서 우주에 있는 모든 물질들을 만들어 냈다는 추측을 할 수 있는 것이다.

137억 년 전 물질로 전환된 에너지. 에너지는 줄어들거나 증가하지 않는다. 빅뱅 때의 에너지의 흐름들이 계속 움직이고 있는 것이다.(에너지의 보존 법칙) 빅뱅 때의 에너지의 흐름이 지금 우리의 모든 것을 움직이게 하는 것이다. 그리고 빅뱅의 폭발의 흐름은 지금도 계속 진행되고 있다.

그렇다면, 어떤 물질들이 생겨났고 어떤 상호작용들이 구체적으로 빅뱅 당시 결정되었을까? 양성자, 중성자, 전자. 이것들이 모여 원자가 되는데, 이는 우리의 모든 것들을 구성하는 가장 최소단위이다. 원자의 종류는 100가지가 넘는데, 그것이 저 3가지로 인해 만들어 지는 것이다. 그것은 결합되는 요소의 수에 따라 달라진다.

복잡해 보이지만 원자는 사실 세 가지 입자가 블록을 조립하듯이 만들어내는 것의 결과이다. 그렇다면 양성자, 중성자, 전자는 구체적으로 어떻게 원자를 만들어나갈까? 양성자, 중성자가 서로 결합하여 원자핵을 이룬다. 그리고 전자는 원자핵 주변을 떠돈다. 그것이 원자가 된다.

전자가 원자핵을 떠돈다는 것은, 무엇인가가 전자를 끌어당긴다는 것이다. 전자를 끌어당기는 것은 양성자이다. 양성자는 전기적 힘을 가지고 있다.(양성자는 +극, 전자는 -극) 그런데 원자핵에는 +극인 양성자들이 모여 있다. 여기서 양성자들은 서로 같은 극이니까 밀어낼 텐데 어떻게 원자 안에 같이 모여 있을 수 있을까?

여기서 새로운 상호 작용의 등장하는데, 그것은 전자기력의 100배나 되는 힘인 강력이다. 강력에 의해 양성자와 양성자가 딱 붙게 된다. 강력은 원자핵 안에서만 작용한다. 강력이 원자를 존재하도록 하는 강력한 역할을 한다. 강력이 있으므로 해서 다양한 원소들이 존재할 수 있게 되는 것이다. 그리고 강력의 힘이 미치는 범위는 아주 짧다(좁다).

한편 전자기력도 원자를 구성하는데 중요한 역할을 한다. 전자기력 서로 같은 극끼리 밀어내고 다른 극끼리 밀어낸다. 여기서 만약 끌어당기는 힘이 약하다고 한다면? 그러면 전자가 날아가 버려서 이온이 된다. 화학반응에서 가장 중요한 것은 전자이다. 전자가 원자핵 안에 붙어 있지 않으면 아무것도 일어나지 않는다.

생명체 자체가 화학반응 덩어리다. 만약 끌어당기는 힘이 너무 세다고 하면, 전자가 또 원자핵에 너무나 들러붙게 되는 것이고, 이것이 화학반응에 영향을 미친다. 힘의 세기와 그에 따른 상호작용이 적당해야 한다. 이것이 제대로 되지 않으면 우주는 존재하지 않게 된다.(미세조정 - 조금이라도 힘이 달라진다면 세상은 지금과 같지 않을 것이다.) 어떻게 이러한 정확한 세기로 힘의 상호작용이 존재하고 왜 +,-극이 존재하는지 정확히 알 수는 없다. 하지만 그러한 힘의 균형이 있어 원자가 구성되고 물질이 형성된다.

by Elizabeth Taylor P.