유레카 3 - 열번째 이야기
(내가 보고 있는 것은 사실 다 가짜이다. 이 거대한 우주는 가짜이다)
1부. 우주
3장. 우주 시뮬레이션 3
* 이 글은 <유레카3>의 10번째 글입니다. 우주와 생명에 대한 철학적 진실을 탐구하고, 그를 바탕으로 새로운 삶의 방식을 제시하고자 합니다. 1부 우주, 2부 생명, 3부 길로 구성되어 있으며, 26장 73편의 이야기로 나뉘어져 있습니다. 이 글을 접하시는 모든 분들이 제가 깨달은 것을 함께 깨달아, 지성의 즐거움을 함께 만끽하며, 인류와 생명의 진보와 진화의 길을 함께 걸어가게 되기를 기대합니다.
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26. 재결합(Recombination)과 우주배경복사
우주나이 38만년이 되던 해 우리 우주는 계속 팽창하여 우주의 온도는 드디어 약3000도까지 낮아졌다. 이 때 원자핵들이 자유전자와 결합하는 현상이 일어난다. 진정한 의미의 원자가 만들어 지는 것이고 전자의 활동 공간으로 인해 단위 부피당 입자 수는 절반으로 줄고, 입자들과의 충돌로 자유롭게 움직이지 못하고 있던 빛이 드디어 분리되어 자유롭게 움직인다. 이 때 방출된 빛은 우주 전체에 뿌려져 지금까지 그 잔재가 남아있는데 이 잔재가 유명한 우주배경복사이다.
우주배경복사를 주제로 노벨 물리학상이 두 번 주어지는데 한번은 1978년 우주배경복사를 발견주1) 한 공로로 <아노 앨런 펜지어스>와 <로버트 우드로 윌슨>에게, 또 한 번은 2006년 우주 배경 복사의 비등방성과 흑체 형태의 발견의 공로로 <존 매더>와 <조지 스무트>에게 주어졌다.
우주 배경 복사의 비등방성이란 빛이 전 우주에 균일하게 뿌려졌는데 초기 우주에 존재하였던 물질의 밀도 요동에 의해 약 10만분의 1의 미세한 온도 차이에서 유래한 것이다. 초기 우주에서 주위보다 물질의 밀도가 조금 더 높은 곳은 중력에 의해 물질을 더 많이 끌어당기게 되고, 중력에 대한 위치에너지가 운동에너지로 변화하게 되면서 주위보다 약간 더 높은 온도를 가지게 된다. 그러니까 우주나이 38만년의 우주의 밀도는 정확하게 균일하였던 것이 아니고, 아주 작은 차이로 다른 밀도를 지니고 있었고 이 차이가 중력 작용으로 별과 은하를 만들고 지금의 우주를 만들었다. 왜 밀도의 차이가 있었을까? 복잡한 수학식이 있지만 역시 비대칭의 자발적 붕괴로 설명하면 될 것 같다.
(우주 배경 복사의 온도 차이를 나타내는 우주도 붉은 곳과 검은 곳의 차이는 불과 10만의 1도이다)
지금까지 과학이 설명하는 우주 창조론인 빅뱅이론에 기초해 우주의 시작점부터 약38만년까지의 초기 우주의 변화와 진행과정을 대략 살펴보았다. 그 시작은 아주 작은 점의 폭발과 급팽창이었고 그 결과 입자들이 생기고 힉스는 그 입자들에게 질량을 부여하고 입자들이 모여 지금 우리가 알고 있는 대부분의 수소와 헬륨을 만들었고, 물질과 반물질간의 최초의 우주전쟁이 있었고, 빛이 생겨 퍼지면서 우주 배경 복사를 만들었으며 그 복사 온도의 10만분의 1도라는 미세한 차이로 별과 은하들이 만들어져 지금에 이르렀다는 이야기이다.
10만분의 1도. <KBS 인문강단 락(樂)>의 이석영교수편 4번째 강의에 나오는 내용으로 과학자들은 10만분의 1의 온도 차이로 정말 별과 은하가 결집하고 지금과 같이 운동하는 우주의 형태가 만들어 질 수 있는지 궁금해졌다. 그래서 과학자들은 알고 있는 초기 우주의 조건을 다 입력한 뒤 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션 프로그램을 작동시켜보았다. 그랬더니 놀랍게도 시간이 변화함에 따라 지금과 똑같은 우주 형태가 만들어지는 것이었다. 그냥 비슷한 정도가 놀랍게도 수학적 계산 치와 실제 우주의 진행 방식과 정확하게 일치하였다고 한다. 만약 밀도변이가 10만분의 1이 아니고, 1만분의 1이나 100만분의 1이면 지금의 우주형태가 나오지 않는다고 한다.
<우리 우주는 누군가에 의해 작동된 것이다.>
이 첫번째 결론에 동의한다면 다음 과제는 그럼
<어떻게 작동하고 있는가?>일 것이다.
27. 빅뱅이론의 보완과 시뮬레이션 우주
초기우주 1만분의 1초 동안 순식간에 우주는 3번이나 환골탈퇴 하였다. 그 중 한번은 급팽창이다. 우리 우주는 순간적으로 원래 부피의 10의 26제곱 이상 순식간에 빛보다 훨씬 빠른 속도로 팽창한다. 이것은 어떤 상황일 때 가능할까? 혹시 TV화면이 켜지듯 확 커진것은 아닐까?
물질과 반물질의 우주전쟁과 10억분의 1의 차이, 빅뱅 38만년 후 균일하게 우주로 빛이 퍼졌는데 오묘하게 10만분의 1도의 온도 차이가 생겼다. 그리고 이 두 번의 비대칭이 지금의 우리 우주의 형태를 만드는 원동력이 되었다. 누가 이런 차이를 만들었는가? 단순한 우연일까?
<Energy Ball>
무한대의 에너지와 무한대의 질량을 가진 우리 우주의 기원인 어떤 특이점. 138억 년 전의 어느 날, 이 점이 양자역학적인 확률을 뚫고 대폭발을 시작한다. 그런데 이 점은 우연히도 대폭발 후 다시 수축하거나 흩어지지 않을 정도로 g단위로 정확한 질량을 가지고 있었다.
그밖에도 확률적으로는 도저히 설명이 안 되는 우연이 겹치고 겹쳐 은하와 별이 만들어지고, 초신성 폭발을 통해 무거운 원자들이 만들어지고, 항성과 행성이 생기고 아주 아주 특별한 행성인 우리 지구에 생명이 시작되고 그 생명 중 어떤 한 종이 우여곡절 끝에 지적 생명체인 인간으로 진화하고 마침내 내가 생겨나 최초의 우주를 이야기하고 있다. 과연 우연과 우연이 겹치고 겹쳐 이러한 일들이 일어날 수 있을까?
하여 나는 우주의 시작과 전개는 이런 우연의 산물이 아니라 누군가에 의해 프로그래밍 된 것이라는 것이 지난번까지의 이야기였다.
이를 참조로 나는 우주창조에 대해 내가 깨달은 우주론을 피력하고자 한다. 물론 이는 나의 철학적 직관이므로 후에 과학적 도움과 검증이 필요할 것이다. 철학의 입장으로 내가 할 수 있는 나의 몫은 여기까지이고 나머지 수학적 계산과 과학적 검증은 과학자들의 몫으로 남긴다.
우리가 무엇인가를 증명할 때에는 논리를 가지고 한다. 그러나 무엇인가를 발견할 때에는 직관을 가지고 한다. - 앙리 푸앵카레(프랑스 수학자 1854~1912)
우리는 우리의 선입관에 의해 속고 있었던 것은 아닐까? 과학은 '1+1=2'과 같은 결정성을 선호한다. 원인과 결과가 명확하게 연결되어야만 그 상황에 '과학적'이란 용어를 사용한다. 물론 양자역학에 의하여 이 결정성이 많이 깨지긴 했지만 그래도 우리가 '과학적'이라고 표현할 때는 인과율(因果律)을 따르는 논리라고 생각한다. 그에 따라 우리 우주의 시작을 재점검해보면 다음과 같다.
1. 우리 우주는 현재 어마어마하게 크고 거의 무한대의 질량과 에너지를 가지고 있다.
2. 허블은 우리 우주가 지속적으로 커졌고 현재에도 커지고 있다는 것을 알게 되었다.
3. 2항에서 시간을 거꾸로 거슬러 올라가면 우리 우주는 점점 더 작아지고 마침내 한 점이된다.
4. 더 이상 수축할 수 없는 한 점까지 수축한 점은 당연히 지금 우리 우주가 가지고 있는 모든 에너지와 질량을 가지고 있다.
5. 그리고 이 점은 138억년전 어느날 폭발하였다.
'1+1=2'처럼 위 논리에 문제는 없어보인다. 과학자들은 여러가지 문제점과 모순에도 불구하고 이 기본 논리에 충실하였고, 이에 맞추어 '빅뱅이론'이라는 그럴듯한 우주창조론을 만들어 내었다.
그러나 철학의 입장에서 바라보는 나의 생각은 좀 다르다.
모든 입자는 <장(場)>을 형성한다. 반대로 어떤 장이 존재한다면 그 장이 <입자(粒子)>를 만들어 낸다고 생각해도 된다.
아인슈타인의 에너지 등가 법칙에 의하여 에너지와 질량(입자)는 같은 종류이다. 입자가 그 질량을 소모하면서 에너지를 방출하는 것을 우리는 알고 있다. 원자력발전소, 원자폭탄, 수소폭탄 등이 그 예이다. 그러면 거꾸로 에너지로 질량, 즉 입자를 만들수도 있는 것이 아닌가? 한 점이 폭발하여 우주를 만든것이 아니라, 어떤 폭발로 인하여 한 점이 생긴것은 아닐까? 이래야만 밀도의 한계를 극복할 수 있고, 우리 우주가 정확한 밀도로 평탄한 우주가 되는 것이 가능해진다. 어떤 한 점이 폭발했는데 아주 우연히 평탄한 우주가 되는 정확한 밀도를 가지고 있었던 것이 아니라, 폭발력으로 인하여 그 폭발에 맞게 물질이 생기고, 힉스에 의하여 질량이 각 입자에게 주어져 정확한 밀도값을 지니게 되었다고 보는 것이 타당하지 않을까? 이것을 실험적으로 입증하려면 원자폭탄이나 수소폭탄에 버금가는 에너지를 모으고, 그 에너지를 완전 밀폐된 아주 작은 진공의 공간에서 폭발시켰을 때 어떤 현상이 생기고 어떤 입자가 형성되는냐 아니냐를 실험해보면 되겠지만, 현실적으로는 가능할지는 모르겠다.
138억년전의 어느날, 아무것도 없는 무(無)의 공간에 어마어마한 에너지가 투입되었고, 그 에너지로 인하여 폭발이 일어났고 물질이 생겨 지금에 이르렀다. 나는 이제 이 전제를 바탕으로 새로운 세 가지 우주 모형을 제시하고자 한다. 물론 이 세가지 모형이 조금씩 어눌하기는 해도 우주론을 연구하는 과학자들에게 새로운 영감거리가 되기에는 충분할 것이다.
첫번째 모형은 물질우주와 반물질우주의 대칭이다. 이는 이미 일부 우주과학자들의 주장이기도 하고, 물질과 반물질의 모순을 해결하는 대안이기는 하지만 그리 썩 마음에 들지는 않는 우주모델이다. 우리 우주는 무에서 생겨났으므로 [ + ]가 생긴만큼 [ - ]가 존재하여야 한다. 즉, (+)의 물질 우주와 (-)의 반물질 우주로 나누어 생각해보는 방식이다.
두번째는 팽창우주와 수축우주 모형이다. 현재 우리 우주는 팽창하고 있다. 혹시 팽창하는 만큼 수축하고 있지는 않을까? 그러면 전체적으로 무의 우주가 성립하지는 않을까 생각해 보았다. 우주의 팽창을 지지하고 있는 것은 빛이다. 모든 빛은 우주 밖으로 향한다. 물론 우주가 빛보다 더 빨리 팽창하므로 빛이 우주의 벽에 부딪힐리는 없지만 빛은 직진하므로 어디에서 생산된 빛이건 우주의 경계를 향하고 있는 것은 확실하다. 빛의 입자인 광자(포톤)은 질량이 없다. 그러면 수축에 관여한 입자도 있지 않을까? 나는 강력의 매개입자인 글루온에 주목하였다. 글루온은 쿼크를 강하게 결합시키는 입자이다. 강하게 결합시킨다는 의미는 안쪽으로 꽉 조이고 있다는 뜻이다. 즉, 물질의 내부를 향하여 수축한다는 의미는 아닐까? 마침 글루온도 질량이 없다. 팽창을 지지하는 입자 포톤과 수축을 지지하는 입자 글루온으로 우주의 공간이 형성되고 있다. 팽창하는 것은 눈으로 관측할 수 있고, 수축하는 것은 관측이 불가하므로 우리는 우주가 팽창한다고만 생각했던 것은 아닐까? 나는 이제 허블의 발견을 보완하고자 한다.
우리 우주는 팽창하고 있고, 동시에 수축하고 있다.
작용과 반작용의 원리처럼 도약하기 위해서는 그 도약을 받쳐주는 디딤이 필요하다. 허공에서 아무리 발길질을 하여도 위로 올라갈 수 없다. 점프를 하기 위해서는 그 점프에 상응하는 반대의 힘이 작용해야 한다. 지구에서는 그것이 땅이다. 땅을 밀어줌으로서 그만큼 위로 도약할 수 있는 것이다.마찬가지로 폭발과 팽창을 하기 위해서는 그 폭발에 맞는 수축력이 필요한 것이다. 작용과 반작용이 동시에 이루어지듯이 팽창과 수축은 동시에 이루어진다.
이 우주 모델은 공간은 어떻게 형성되었는가를 추측하게 한다. 그것은 마치 줄다리기와 같다. 전자기력의 매개입자인 포톤은 공간을 밖으로 밀어내는 역할을 한다. 강력의 매개입자인 글루온은 공간을 안으로 당기는 역할을 한다. 이 커다란 두 힘의 줄다리기로 공간이 형성되고, 중력은 이 줄다리기 줄 위에 서 있는 작은 구슬과 같다. 중력에 의해 공간이 휘어지는 현상을 이렇게 설명할 수 있지 않을까? 그러므로 강력과 전자기력은 우주 공간을 떠받칠만큼 아주 강력하고, 중력은 상대적으로 아주 미약할 수 밖에 없다. 마치 지구위의 사람과 같은 것은 아닐까? 더군다나 아직 명확하게 밝혀지지 않은 빛이 어떻게 매질이 없는 진공상태의 우주공간을 날아갈 수 있는가에 대한 해답을 제시한다. 공간은 빛의 길이다. 모든 빛은 우주의 테두리를 향하므로 빛에 의하여 공간이 형성되고 빛의 진행력과 최초의 폭발력 그리고 다른 요소(혹시 우주 밖에서 유입되고 있는 또 다른 에너지?)에 의하여 우주는 전체적으로 빛보다 더 빠르게 팽창하고 있다고 설명할 수 있지 않을까?
세번째 모형은 TV 우주 모형이다. 예전 브라운관 TV를 상상하면 된다. 아무것도 없는 꺼진 상태의 TV에 전원를 공급하자(빅뱅), 진공관에서 빛이 발사되어 TV화면이 확 커지고(급팽창), 그 빛이 우리에게 도달하였다(우주배경복사). 앞의 두 모형을 무(無)의 창조에 관점을 맞춘 것이라면 이 모형은 현상에 더 초점을 맞춘 모델이다.
우주의 밖은 어디인가라는 질문을 하면 약 1천억 광년으로 추정되는 우주 테두리의 외부라고 흔히 생각할 수도 있을 것이다. 그러나 그 테두리에는 도달할 수가 없다. 우주에서는 빛보다 더 빨리 날아갈 수 없고, 우주는 빛보다 더 빨리 팽창하고 있으니 빛 조차도 우주의 외벽에 닿을 수는 없기 때문이다. 우리 우주는 시공간에 의하여 닫혀있다. 그러나 조금 다르게 생각해 볼 수 있지 않을까? TV모니터 속의 세계는 가상의 세계이고 사실은 바로 그 앞에 진짜 세상이 열려있다. 이것처럼 바로 우리 눈 앞이 우주의 외부는 아닐까? 우리는 마치 입체 공간속에 갖혀 있고 누군가가 우리를 지켜보고 있는 것은 아닐까? 우리의 우주는 시뮬레이션 프로그램이 아닐까? 우주는 무(無)의 공간에서 생겨났고, 질량과 에너지는 주어진 값이다.
(자료를 구할 수가 없어 종이에대 대충 그려보았다)
현재 우리 우주를 그리라하면 위의 3가지 모형의 적당한 합으로 표현될 수 있을 것 같다. 더 자세한 묘사는 아무래도 과학적 판단이 있어야 하므로 나는 이 정도에서 갈무리하도록 하겠다. 아무튼 우리 우주는 무(無)에서 창조되었다는 것이 나의 철학적 판단이다.
우리 우주가 유(有)로부터 폭발하였다는 관점이 현재 과학의 관점이다. 그 한 점 유(有)가 전부이기 때문에 우리 우주에는 물질과 에너지 그 이외의 것은 존재하지 않는다.
우리 우주가 무(無)로부터 폭발하였다는 관점이 나의 철학적 관점이다. 우리 우주가 어마어마하게 크고 거대한 것 처럼 보이지만 사실은 다 가짜이다. 그럼 나는 누구인가? 아무것도 없는 것에서 생각하고 있는 나의 존재는 무엇인가? 이제 그것을 찾아야한다.
아무 것도 없는 것이 폭발하였다는 의미는 우리 우주는 우연히 생긴것이 아니라 누군가의 그리고 무엇인가의 거대한 작용이 있었음을 의미하고, 우리 우주를 구성하는 모든 물질과 에너지는 마치 컴퓨터 게임 속의 배경과 케릭터와 같은 허상이라는 것이다. 우리를 비롯한 우주의 모든 물질은 주어진 값이다.
<시뮬레이션 우주>
<우주는 거대한 시뮬레이션 프로그램이다.>
고등학교 물리시간에 가졌던 한 가지 의문이 있었다.
고전역학은 1,2차 방정식이고, 양자역학은 미분방정식이면 다 풀 수 있다. 도대체 이 어마어마한 우주를 설명하는 법칙이 어찌하여 인간의 간단한 수식 몇 가지로 설명될 수 있단 말인가?
한 소년의 이 물음에 대한 해답을 반백년을 산 중년이 되어서야 비로소 찾은 것 같다.
<시뮬레이션 우주>
우리 우주는 계산되어 만들어진 것이고, 인간은 그 계산 값을 찾은 것이다.
하여 나는 기쁘고, 두렵고, 슬프다.
아무도 못 찾은 비밀의 문을 찾은 것 같아 기쁘고, 이 문 너머에는 무엇이 있을까 감히 열기가 두렵고, 이 모든 것을 상의하고 토론하고 함께 할 아무도 없는 외로움이 무척이나 슬프다.
그래도 난 기쁜 마음으로 이 글을 쓴다. 어느 훗날에 어느 누군가가 이 동굴의 문 앞에 다시 서 있을 때 그보다 먼저 문을 열었던 사람이 있었다는 흔적은 남겨두어야 하지 않겠는가? 그것이 또한 그에겐 커다란 용기가 되길 바란다.
동굴 앞은 여전히 적막하다. 내가 보고 있는 것은 사실 다 가짜이다. 이 거대한 우주는 가짜이다. 나도 가짜이다. 갈가마귀는 어느새 형체도 없이 사라졌다. 사자문형의 문고리를 두드리자 다시 소리가 들린다.
<겉보기는 속임수이다.>
나는 죽을힘을 다해 힘껏 문을 열었다.
<나는 진실을 보고 싶다.>
원문 ; 2014년 2월 13일
1차 수정 ; 2014년 4월 7일
2차 수정 : 2014년 10월 16일
3차 수정 : 2015년 11월 14일
주1) 우주배경복사의 발견 이야기 (위키백과)
1965년 벨 연구소에서 일하고 있던 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 고감도 6미터(20피트)의 혼 안테나로 기구 위성인 에코 위성으로부터 반사된 전파를 측정하였다. 희미한 전파를 측정하기 위해 그들은 수신기의 전파 간섭을 제거하는 작업을 하였다. 주변에 존재하는 모든 레이더와 전파 방송의 영향을 제거하고, 수신기의 열로 인한 전파 간섭을 없애기 위해 수신기를 액화 헬륨을 이용하여 -269도까지 낮춰 측정을 하였다. 하지만 간섭을 없애기 위한 작업 후에도 의문의 잡음이 발견되었다. 이 잡음은 그들이 예상했던 잡음보다 100배 강한 세기를 갖고 있었으며 하늘에 균일하게 퍼져 있었다. 그들은 자신들이 탐지한 파장 7.35cm의 전파 단순히 지구, 태양 또는 우리 은하에서 오지 않았음을 확신하였다.
한편 불과 60km 떨어진 프린스턴 대학교에서는 천체물리학자 로버트 디키, 짐 피블스, 데이비드 윌킨슨은 이에 대해서 연구하고 있었다. 그들은 빅뱅이 일어났을 때, 은하를 형성할 수 있는 물질들 말고도 막대한 양의 에너지가 방출되었을 거라고 생각했다. 아노 펜지어스는 대폭발 이후 생긴 전파가 우주 전역에 퍼져 있을 것이라는 논문의 예고를 접했다. 펜지어스와 윌슨은 자신들의 발견이 심상치 않다는 것을 깨닫기 시작했다. 그들이 발견한 전파의 성질은 프린스턴 대학교의 디키와 그 연구원들이 예측한 전파와 정확히 일치하였다. 펜지어스는 프린스턴대학교의 디키를 벨 연구소로 초대해 혼 안테나와 그를 통해 측정한 배경 잡음에 대해서 이야기하였다. 프린스턴 연구팀은 마침내 이 전파를 빅뱅의 신호라고 해석할 수 있었다.
그들은 논문을 공동으로 작성하여 학회에 투고하였다. 프린스턴 연구팀인 디키와 그의 동료들은 빅뱅 우주론과 연계되는 우주배경복사의 중요성에 대해서 저술하였고, 펜지어스와 윌슨은 우주배경복사의 존재와 발견에 대해서 저술하였다.
1978년에 펜지어스와 윌슨은 우주배경복사를 발견안 공로로 노벨 물리학상을 수상하였다.