우주와 생명 그 깨달음의 보고
6. 암흑에너지
(이 글은 전체 열여덟 편 중 6번째 글입니다. 이 글은 앞글의 결론의 연장이기 때문에 처음 읽으시는 분들은 첫 번 글부터 차례로 읽으시는 것이 전체의 맥락을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.)
[이기론 (理氣論)]
우주만물이 이(理)와 기(氣) 두 요소로 이루어졌다고 설명하는 성리학(性理學)의 이론으로 송나라 학자인 정이(程頤, 1033년~1107년) 주창하였고 주희(朱熹, 1130년 ~ 1200년)가 완성하였다.
주희를 공자 맹자처럼 높여 주자(朱子)라하고 성리학을 주자학(朱子學)이라고도 한다.
정이는 무극(無極), 태극(太極), 태허(太虛) 등의 불변하는 만물의 본질을 이(理)라 하고, 만물의 현 상태인 음양오행(陰陽五行) 등을 기(氣)라 하여 이기론(理氣論)을 완성하였는데, 이 이기론(理氣論)은 주희에게 계승 발전되어 성리학의 중심적인 이론이 되었다.
이(理)와 기(氣)의 논쟁은 성리학의 형이상학적 존재론의 주를 무엇으로 볼 것인가의 문제에서 파생된 것인데 송나라에서 우리나라 조선으로 넘어와서 더욱 발전하게 된다.
이기론(理氣論)은 주리론(主理論)과 주기론(主氣論)으로 나뉘는데 , 주리론은 우주 만물의 궁극적 실재를 이(理)로 보는 퇴계 이황(李滉, 1502년~ 1571년)선생의 학설을 계승한 영남학파의 철학을 가리킨다.
즉 이(理)와 기(氣)가 어디까지나 두 가지이지 한 가지가 아니며, 기(氣)는 결코 상존하지 않고 생멸하는 것이라고 보았다.
나아가 이(理)는 항존 불멸하는 것으로 기(氣)를 움직이게 하는 근본 법칙이며, 능동성을 가진 이(理)가 발동하여 기(氣)를 주재한다는 주장이다. 이는 후에 세상은 이(理)와 기(氣)의 두 가지 근원이 있다는 이기이원론(理氣二元論)으로 발전한다.
한편, 주기론(主氣論)은 우주 만물의 존재 근원을 기(氣)로 보는 율곡 이이(李珥, 1536년~1584년)선생의 학설을 계승한 기호학파의 철학을 가리킨다.
즉 기(氣)만이 능동성을 가지고 발동할 수 있으므로 모든 현상은 기(氣)가 움직이는 데 따라 다르게 나타나며, 이(理)는 단순히 기(氣)를 주재하는 보편적 원리에 불과하다는 주장이다. 이는 후에 기(氣) 하나만이 만물의 근원이라는 이기일원론(理氣一元論)으로 발전한다.
(퇴계이황과 율곡이이)
이처럼 성리학 즉 유교에서는 만물을 이(理)와 기(氣)로 나눈다.
그리스의 아리스토텔레스는 만물을 형상(eidos)과 질료(matter)로 나누어 생각했다.
대부분의 종교와 철학은 사람을 육체와 영혼의 합일체로 보고 있고, 세상은 현실 세계와 천국이나 지옥 같은 이상세계나 영의 세계로 나누어 생각한다.
우리는 눈에 보이는 우리 우주가 관념이라는 것을 알아내었다. 이제부터 우리는 본질에 접근하여야 한다.
동굴.
지루한 적막감이 흐른 후, 동굴 안에 다시 불이 켜졌다. 장엄한 교향곡이 울려 퍼지며 수많은 점들이 흩어져 떠다니다가 원운동을 시작한다. 점들이 둥글둥글 돌다가 어느 한 점으로 모여 태양이 되고 행성이 되고 위성이 되고 소행성도 된다. 자기 자리를 못 잡은 놈들은 떠돌이 별이나 떠돌이 소행성이 된다. 별들이 수백, 수천, 수만, 수억, 수조개가 다시 모여 은하를 만들어져 거대한 회오리를 일으키고, 이런 은하가 끝 간 데 없이 펼쳐진다.
우주는 4억년의 침묵을 깨고 다시 역동적으로 움직인다. 동굴 광장은 시골 장날의 시장처럼 복잡하고 시끄럽다. 열기를 잔뜩 품은 화려한 우주 먼지에서 암탉이 달걀을 낳듯 별이 하나씩 끝없이 만들어진다.
[복습]
지난 글에서도 이야기하였듯이 우리 우주는 눈으로 볼 수 있는 광학물질 4%, 암흑물질 24% 암흑에너지 72%로 구성되어 있다고 한다. 논문에 따라서는 이 비율 수치가 변형되기도 하지만 우리가 철학적 사유를 하는 데에는 큰 문제가 되지 않으므로 일반적으로 사용하는 더 비율을 그냥 쓰도록 하겠다.
광학물질은 우리가 빛을 통하여 관찰할 수 있는 모든 것. 이 중 대부분인 약 90%는 우주 공간을 떠돌며 별의 재료가 되기도 하는 우주 먼지인 성간물질이고 10% 정도는 우리가 보는 별과 그 에너지이다.
암흑물질은 눈에는 보이지 않지만 질량을 가지고 있는 물질이다. 나는 암흑물질이 있을 것이란 추측은 하지만 그것이 계산만큼 일반물질의 6배나 되는 많은 양이라고는 생각하지 않는다.
오늘 이야기 할 암흑에너지는 그 실체를 예측조차 할 수 없는 힘이다.
암흑물질의 양은 은하의 운동량에 따른 질량, 빛이 보이지 않는 중력에 의해 굴절되는 중력렌즈 효과 등 은하가 가지고 있는 이론적 질량과 관측 질량의 차이를 계산한 결과이다.
반면 암흑에너지는 은하들의 중력을 이기고 팽창하고 있는 우주 척력에 대한 계산 값이다.
중력은 물질을 자기 쪽으로 당기려하는 인력이다. 우리가 공을 위로 던지면 던지는 힘이 지구 중력보다 많은 경우 물체는 위로 올라간다. 그러다 중력에 의해 올라가는 힘이 계속 감소되어 마침내 힘이 상쇄되면 공중에 아주 잠깐 머물렀다 중력방향으로 다시 떨어지게 된다.
우리 우주도 마찬가지이다. 우주 내부의 질량이 곧 중력의 역할을 하기 때문에 팽창의 힘이 끝나면 중력 방향으로 다시 수축되어야 한다.
혹은 아예 팽창하는 힘이 너무 커서 로켓이 지구 중력을 벗어나 우주로 날아가듯이 우주가 흩어져 버리는 수도 있을 것이다.
이런 두 가지 경우 모두 우주의 공간은 휘어지게 되는데, 관측 결과 우리 우주는 운이 좋게도 휘어져 있지 않고 평탄하다고 이야기하였다.
현재 우리 우주는 평탄도를 유지한 채 팽창하고 있다. 한 가지 특이한 점은 최초의 빅뱅과 급팽창에 의한 팽창의 연속이라면, 위로 던져진 공이 높이 올라갈수록 속도가 줄어들듯이 팽창의 속도가 줄어들어야 당연하지만 우리 우주는 무슨 이유인지 점점 더 빠르게 가속 팽창을 하고 있다는 것이다.
우주를 팽창시키는 이 힘을 암흑에너지라 부른다. 그리고 은하의 모든 물질의 중력을 이기고 우주를 팽창하게 하는 힘의 양을 수치적으로 계산하였더니 물질의 약 3배, 전체의 72%라는 어마어마한 에너지 값으로 계산되었다.
암흑물질과 암흑에너지의 힘의 근원은 무엇일까? 과학자들은 이를 찾기 위해 현대 기술의 총아인 천체 우주 망원경을 통해 우주의 구석구석을 끊임없이 뒤지고, 입자가속기의 실험을 수백만 번 거듭하며 눈에 보이지도 않는 입자들을 충돌 시켜볼 것이다.
그리고는 얼마간의 암흑물질과 암흑 에너지를 찾아낼 것이다.
그러나 이런 노력에도 불구하고 96%라는 미지의 물질과 에너지가 존재하는데, 4%의 물질과 에너지가 너무나 자연스럽게 몇 가지 법칙에 따라 순조롭게 움직이는 것을 설명 할 수는 없다. 96%가 실재하는 질량이고 에너지라면 4%는 당연히 96%에 치여 왜곡되어야한다. 우리는 우주의 시작 후 10의 -43제곱 초 이 후 현재까지의 우주의 역사를 비교적 자세하고 그럴듯하게 설명하고 입증하였다. 그런데 우주의 대부분을 차지하는 96%의 미지(암흑)물질과 미지(암흑)에너지가 아직 밝혀지지 않았는데 눈에 보이는 4%의 광학물질과 에너지만으로 우주의 역사를 대부분 잘 설명할 수 있다는 것은 어마어마한 모순이다. 우리는 처음부터 다시 시작하여야한다. 아무리 열심히 공부하고 노력하였지만 100점 만점에 4점을 맞아온 아이에게 '참 잘 했어요.' 도장을 찍어줄 수는 없는 것이 아닌가?
암흑에너지를 우주의 드넓은 진공의 창조성인 진공에너지에서 찾는 시도가 있었다. 그러나 그 결과는 너무나 참혹했다. 찾아야할 우주밀도는 10의 -29제곱g/cm3 이었지만 진공에너지의 최대 이론치는 10의 -120제곱g/cm3로 나타난다.
나는 96%의 일부를 찾는 것은 과학자들에게 맡겨두고, 철학의 입장에서 암흑물질과 암흑에너지의 역할에 대해 더 큰 비중을 두고자한다.
암흑물질은 은하와 그 소속된 별들을 응집시키는 역할을 하고, 암흑에너지는 우주의 공간을 안정적으로 만들어 주는 역할을 한다. 이 두 힘은 결국 우리 우주를 존재하게 하는 기본 값이다. 장자의 이야기에 나오는 내가 밟고 있는 땅을 광학물질이라 한다면, 그 땅을 떠받치고 있는 나머지 땅이 암흑물질이며 암흑에너지의 역할이다.
이것의 많은 부분은 내부에 존재하는 것이 아니라, 우주 외부에서 작용하는 힘이다. 우주 시스템 내부에 이렇게 많은 물질과 에너지가 실존한다면 인류의 과학은 이미 그것을 발견하였을 것이다.
우리가 컴퓨터상에 가상공간을 만들어 어떤 시뮬레이션을 시현하다고 한다면, 마땅히 그 가상공간을 유지시켜줄 에너지원이 필요하다. 그것은 일종의 <전원. Power>이다.
우리 우주가 일종의 시뮬레이션이라는 전제를 이해한다면, 우리 우주에 내부에서는 해결할 수 없는 외부의 힘이 존재하는 것은 어쩌면 당연한 일이다.
암흑에너지와 암흑물질은 시뮬레이션 우주의 전원이고, 상수로 나타날 것이다.
이석영교수는 암흑에너지의 한 예로 사랑의 힘을 이야기하였다. 사랑에는 분명히 힘이 있지만 그것은 물질과 에너지의 역학 관계나 우주를 지배하는 네 가지의 힘으로는 설명이 되지 않는 힘이다.
암흑물질과 에너지를 나의 철학적 추론으로 정리하자면
첫째, 암흑물질과 암흑에너지의 대부분은 우리 우주를 받쳐주는 힘. 즉, 우주상수로 나타나는 전원일 것이다.
우리 몸의 대부분의 에너지는 운동을 하거나 육체의 부분을 만드는 곳에 쓰이는 것이 아니라 체온유지에 쓰인다는 점을 이해한다면 쉽게 이해될 부분이다.
둘째, 생명과 관계된 영혼과 감정과 생각의 에너지일 것이다. 뒷글의 생명자의 부분에서 자세히 다루도록 하겠다.
셋째, 이 부분은 추론이 아닌 추측이긴 하지만 형이상학적인 관념세계를 구성하는 에너지와 그 통로일 것이다. 이 부분은 설명이 어려운 부분이다. 철학에서의 이데아(idea), 리(理), 형상(eidos)의 세계, 종교에서의 천국과 지옥, 중간계와 같은 영혼과 그 통로의 세계 등이 있을 것이다. 이것이 암흑에너지와 관련이 있을 거란 추측은 들지만 억지로 추론하기보단 아직까지는 종교의 영역으로 두는 것도 나쁘지 않은 선택일 듯싶다.
넷째, 아직 과학이 발견하지 못한 물질과 에너지도 당연히 있을 것이다.
동굴 광장은 온통 은하와 별들의 축제이다. 한참 동안 황홀경에 빠져 은하와 은하 사이를 헤엄치는 상상을 하는데 광장 한쪽 문에 불이 켜지고 '출구 Exit'라 표시된 불이 들어온다. 이제 이 동굴 광장을 떠나야 할 때가 온 것 같다.
이제부터 나는 외부의 프로그래머에 대한 이야기를 해야 한다. 과학은 아마도 한참 후에나 이 이야기를 하게 될 것이다. 과학자들은 할 수 있는 온갖 노력을 다 기울여 우주의 구성과 역학관계를 찾을 것이고, 또 새로운 것을 밝혀낼 것이고 진보할 것이다. 그런 진보가 거듭될수록 결국은 우주 외부의 조력자를 인정하려는 측과 인정하지 않으려는 측의 경쟁이 있을 것이다.
우주의 움직임과 형상과 역사를 밝혀내는데 가장 큰 역할을 한 조력자 둘을 꼽으라면 망원경과 입자가속기일 것이다.
망원경은 우주를 바라보는 인류의 눈이다. 망원경이 한 단계씩 발전될 때마다 우주에 대한 인류의 시각도 한 단계씩 높아지며 달라진다. 그 때마다 우주의 새로운 모습이 드러나면서 인류는 우주의 아름다운 진실을 감상하게 되었다.
입자가속기는 우주의 프로그래머인 주방장의 요리비법을 훔쳐보는 열쇠구멍이다. 소스는 어떤 재료를 어떻게 혼합하는지, 조그마한 동그랑땡은 어떻게 반죽했는지 커다란 피자는 또 어떻게 만드는지 훔쳐보고 따라해 보는 도구가 입자가속기이다.
[망원경 이야기]
망원경의 시작은 우연이었다.
1608년 네덜란드 미델부르크시에서 안경점을 하고 있던 한스 리페르세이(Hans Lippershey)는 우연히 렌즈 두개를 가지고 풍경을 보다가 이것이 물체를 확대해 보여준다는 사실을 발견하였다.
1609년 5월 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 네덜란드에서 만들어진 망원경에 대한 얘기를 듣고 직접 렌즈를 연마하여 직경 1.5cm인 망원경을 만들어 천체 관측에 사용하였다. 먼저 달 표면에서 분화구를 관측 하였으며,은하수를 관측하여 그것이 별들로 이루어졌다는 사실을 밝혀냈다. 목성과 목성의 4대 위성, 토성의 고리, 태양의 흑점 등등 놀랄 만한 관측결과를 많이 발표했다.
UN에서는 이 역사적인 과학의 진보를 기념하여 갈릴레이가 천체관측을 시작한지 400주년이 되는 2009년을 ‘세계 천문의 해’로 지정하였다.
(갈릴레이의 망원경)
1611년 케플러는 지금도 일반인들이 주로 사용하는 두개의 볼록렌즈를 사용한 케플러 식 굴절망원경 개발하였으며, 뉴턴(Newton)은 빛을 굴절시키지 않는 망원경에 대해 연구하여 청동으로 연마한 2.5cm의 오목거울과 평면경을 사용하여 길이 15cm의 '뉴턴식 반사망원경'이 만들었다. 현대의 천문대에 설치된 천체망원경들은 대부분 뉴턴의 망원경을 응용 발전시킨 반사식 망원경이 사용되고 있다.
(뉴턴이 직접만든 2인치 반사 망원경 모형)
육안으로 볼 수 있는 5개의 행성(수성, 금성, 화성, 목성, 토성)은 고대로 부터 관측되어 왔다. 이들 외에 또 다른 행성이 존재한다는 사실을 처음 발견하게 된 것은 영국의 천문학자 윌리엄 허셜(Friedrich William Herschel)이 천왕성을 발견한 1781년이다.
수천 년 간 5개의 행성들만이 관측되어 온 것에 비교 한다면 1781년에 이루어진 천왕성의 발견은 우주를 향한 인류의 큰 한걸음이다.
허셜은 1785년 영국의 슬라우에 당시로서는 혁신적이라 할 수 있는 48인치 구경의 대형 천체망원경을 건설했는데 이 망원경은 그 후로 50년간 세계에서 가장 큰 망원경이 되었다.
이 망원경은 초점거리가 40피트라는 의미로 Great Forty-Foot telescope 라고 불렸다.
(허셜의 40피트 망원경)
1929년 허블은 윌슨산 천문대의 Hooker 100인치 망원경을 이용해 약 10년간의 연구 끝에 멀리 떨어진 은하일수록 빠르게 멀어져간다는 ‘허블의 법칙’을 발견하였고, 이는 빅뱅 우주론의 확고한 증거가 되어 고대로부터 내려온 영원무궁한 불변의 우주관의 붕괴를 가져왔다.
(빅뱅우주론의 기초를 놓은 허블이 사용했던 100인치 망원경)
1930년에 버나드 슈미트 (Bernhard Schmidt)는 반사망원경에 카메라를 장착한 새로운 형태의 망원경을 만들어 최근에 아마추어 천문가에게 선호의 대상이 되는 슈미트 카세그레인식이라는 망원경을 낳게 되었다.
인류의 우주에 대한 호기심은 날로 커지고 과학은 그 호기심을 대형 천체망원경으로 응답하였다.
1948년에 완성되어 무려 45년간 세계 최고성능을 자랑하였던 미국 팔로마산 천문대의 5미터 구경의 헤일 망원경(Hale telescope), 1993년 약 1미터 크기의 작은 육각형 반사경 36개를 이용하여 직경10미터 크기의 초대형 반사경으로 만든 Keck 망원경, 8.2미터의 초대형 망원경 4대를 설치하여 1998년 칠레 아타카마 사막의 파라날(paranal)에 건설한 새로운 반사경 방식인 VLT, 이 후 VTL 형식의 구경 8.1미터의 미국의 Gemini North 망원경(1999년)과 하와이 마우나케아산에 8.3미터의 구경을 가진 일본의 스바루(Subaru) 망원경이 건설되었다.
(일본의 스바루(Subaru) 망원경)
아래는 갈릴레이 이후 현재까지 등장한 주요 천체망원경들의 구경을 비교한 그래프 이다. 붉은색이 굴절망원경, 푸른색이 반사망원경 이며 구경의 단위는 미터 이다.
한편 지상에서의 관측은 대형 반사경을 사용한다고 해도 대기의 요동에 의한 상의 흔들림과 대기를 구성하는 분자들의 흡수와 산란 등 으로 인한 관측의 어려움이 존재한다.
마침내 인류는 1990년 우주공간에 허블우주망원경을 설치한다.
허블우주망원경은 주반사경의 직경이 2.4미터에 불과함에도 불구하고 지상의 대형 천체망원경들의 최소 10배 이상의 분해능을 발휘하여 그야말로 혁명적인 영상을 제공하게 된다.
허블 우주 망원경의 혁명적인 영상은 인류의 우주관측과 우주론에 혁명적 변화를 가져온다.
(허블 우주 망원경)
(스바루 망원경과 허블 망원경의 비교)
미래의 우주 망원경 제임스 웹 프로젝트.
허블 우주 망원경의 혁혁한 공로에도 시간이 지남에 따라 노후해 가는 것은 막을 도리가 없었다. 수리에도 한계가 있었는데 한번 수리하는데 매번 비싸고 무거운 장비들과 우주인들을 보내야 했고 어마어마한 비용을 동반했다. 이에 새로운 우주망원경이 필요했는데 과거 대대적인 우주 프로젝트를 성공적으로 진행시켜 유명해진 NASA의 제2대 국장, 제임스 웹의 이름을 따 와 '제임스 웹 우주망원경 프로젝트'라 명명되었다.
차세대 프로젝트는 기존 허블보다 미러 크기는 약 6배나 더 커지고, 그동안 눈부시게 발전한 인류의 온갖 최첨단 광학 전자 공학 신기술들을 총망라된다. 허블 우주망원경은 지상 약 569km의 궤도에 떠있는 반면, 제임스 웹 우주망원경은 지상 약 150만km까지 멀리 띄워져 종전과는 비교할 수도 없이 더 많은 빛을 모을 수 있고 간섭도 최소화 하며 훨씬 멀리 선명하게 볼 수 있도록 제작된다.
(허블망원경과 제임스 웹 망원경의 미러 비교)
제임스 웹 우주망원경은 이제 대부분의 테스트가 끝났고 발사될 날짜만 기다리고 있다.
제임스 웹은130억 년 전의 초기 우주의 모습은 물론 우주의 빛의 기원, 은하계의 생성과정, 태양계의 유지 원리 등의 비밀을 우리 인류에게 더 자세히 알려주고, 암흑물질과 암흑에너지에 대한 단서도 찾아 줄 것으로 기대한다.
(제임스 웹 우주망원경의 가상도)
나는 이제 문을 열고 동굴광장을 나간다. 암흑에너지는 시뮬레이션 관념 우주의 새로운 단서이다. 그것을 통해 나는 또 다른 진실의 문과 맞닥뜨릴 지도 모른다.
다시 한 번 내가 이 글을 쓰는 목적을 상기하고자 한다.
<진실을 바탕으로 진리를 구한다.>
원문; 2014년 2월 24일
수정; 2014년 4월 16일
1. 이글의 목적은 보다 많은 사람들이 함께 읽고 깨달아 우리 사회가 진일보 하는데 도움을 주고자 하는 글입니다. 상업적 목적으로 이용하시지만 않는다면 저작권 주장을 하지 않겠습니다.
2. 외국어 번역이 가능하신 분은 번역을 하셔서 원문에 답 글로 달아 주시기를 부탁드립니다. 외국 친구들에게도 알려 주었으면 좋겠습니다.
2014년 4월 16일 하늘바다 여운종