유레카 3 - 아홉번째 이야기
(우리 우주는 아주 작은 비대칭, 불균형에 의하여 형성되었다)
1부. 우주
3장. 우주 시뮬레이션 2
* 이 글은 <유레카3>의 9번째 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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25. 최초 우주 전쟁의 역사
1) 빅뱅(Big Bang)의 순간 (시간의 처음 ~10^ -43초)
최초의 우주는 아무도 모른다. 물리적으로 측정 가능한 가장 짧은 시간을 플랑크시간이라 한다. 하이젠베르크의 불확정성원리에 따라 계산된, 물리학이 정의할 수 있는 최소의 시간단위인 플랑크 시간보다 짧은 시간에 대해서는 어떠한 설명도 할 수 없다. 즉, 과학이 측정할 수 있는 최소의 단위는 약 10의 -43제곱초(좀 더 정확하게는 5.399106의 10의 -44제곱초)이다. 이보다 더 짧은 시간은 과학의 접근이 허용되지 않는 시간이다. 이것의 의미는 우리는 우리 우주가 어떻게 폭발했는지 알지 못한다는 것이다. 즉, 빅뱅의 순간부터 10의 -43제곱초까지 과학은 접근불가 통보를 받았다. 가장 중요한 빅뱅의 순간과 그 이유를 과학은 알지 못한다. 그래서 과학자들은 우연히, 왜 그랬는지는 모르지만, 상식적으로는 이해가 안가고 불가능한 것처럼 보이지만 아무튼 어찌어찌해서 우주가 대폭발 했다고 설명한다. 우주가 현실적으로 존재하는데 과학적으로 설명할 수 없다고 우주는 존재할 수 없다고 할 수는 없지 않는가?
이석영교수는 양자터널을 지났다는 표현을 쓴다. 양자역학적으로는 우리 상식으로 불가능한 것도 수없이 시도를 하면 확률적으로 나타날 수 있다고 설명한다.
나는 우연이 아니라 누군가에 의해 작동된 것이란 결론을 앞글에서 내렸다.
오늘 우리가 해야 할일은 이 최초의 순간 즉, 천지창조에 대한 철학적 해석을 하는 것이다. 두근거리지 않는가? 종교는 이미 태초의 세상이 어떻게 만들어 졌는지 여러 신화를 통해 우리에게 알려주었다.
세상에는 우리가 흔히 알고 있는 '빛이 생겨라!'로 시작되는 창세기 히브리인들의 창조 설화만 있는 것이 아니다. 위에 소개한 중국의 반고신화는 얼마나 아름답고 숭고한가? 위대한 창조자 반고는 자신을 희생하여 우주를 만들었다.
<천지 창조>
과학의 천지 창조와 신화의 천지 창조 사이에는 어떤 다름이 있을까? 그것은 우리가 어느 시대에 살고 있느냐에 따라 달라진다. 그것은 시각의 문제이다. 모르는 것을 최대한 알려고 하는 인간의 노력은 모두 같을 것이다. 다만 어느 시대의 시각으로 보느냐에 따라 신화가 되기도 하고, 과학이 되기도 한다. 신화가 생겼을 그 무렵 그 신화는 그 시대의 과학이었다.
2) 대통일 시대 (GUT era. 10^ -43초 ~ 10^ -35초)
플랑크시간 이 후의 우주는 대통일 시대이다. 우주의 온도는 상상을 초월한다. 10의 27제곱도. 물질과 에너지는 녹아있는 상태이고, 힘도 중력을 제외한 강력, 약력, 전자기력도 분리되지 않고 합쳐져 있었다. 사실 중력이 빠졌으니 대통일이라 하기는 좀 그렇긴 하지만 과학자들이 그리 부르니 나도 따라할 수밖엔 없다. 중력은 왜 합쳐지지 않았는지는 아직까지 알 수 없다. 중력이 항상 문제이긴 하다. 아무튼 중력은 별종이다. 과학자들도 중력에 대해선 그 결과만 알지 원리에 대해선 아는 것이 없다.
3) 급팽창(Inflation. 10^ -35초 ~ 10^ -32초)
대통일 시대 이 후는 앞글에서 소개한 급팽창의 시간이다. 급팽창 이 후 태양계만한 우주가 은하의 크기로 팽창하는 것은 순식간의 일이다. 그래도 우주의 모든 물질과 에너지의 재료가 태양계만한 작은 공간에 몰려있으니 말 그대로 꽉 찬 우주였다. 우주는 용광로와 같았다. 그러나 팽창을 거듭하면서 온도가 조금씩 낮아지고 틈이 생기기 시작한다.
4) 강입자의 시대(Hardron era. 10의 -32초 ~ 1만분의 1초)
드디어 쿼크와 쿼크가 합쳐져 양성자와 중성자가 만들어지기 시작한다. 이때를 강입자의 시대라 한다. 우주의 시간은 어느덧 1만분의 1초만큼 흘렀다. 힉스가 요술을 부리는 시기이기도 하다.
올림픽 때 선수들이 거의 동시에 들어오면 사진 판독을 한다. 통상 올림픽 경기의 사진은 1천분의 1초 단위로 찍히기 때문에 아두 미세한 차이로도 누가 먼저 결승점을 통과했는지 대번에 알 수 있다. 그러나 우주는 다르다. 대폭발 후 대통일 시대, 급팽창을 거쳐 강입자의 시대까지 우주가 세 번이나 환골탈퇴를 하였지만 시간은 고작 1만분의 1초가 흘렀다. 사진판독기로도 판정 불가한 시간에 우리 우주는 세 번이나 옷을 갈아입은 것이다. 1만분의 1초라는 눈깜짝할 시간보다도 훨씬 작은 시간 동안 우리 우주는 우주를 구성할 모든 준비를 마쳤다. 어떻게 이런 것이 가능할까? 컴퓨터의 게임 속의 우주를 만드는 것과 유사하지 않은가? 소스를 내려받고 실행을 누르면 순식간에 우주 하나가 탄생한다.
5) 입자와 반입자의 탄생 (1만분의 1초 ~ 1초)
1만분의 1초에서 1초까지 비교적 긴 시간동안 우리 우주는 그 크기를 계속 키워나가면서 드디어 입자와 반입자를 만들기 시작한다. 우주가 아직 작기 때문에 전 우주에 걸쳐 이런 일들은 순식간에 일어난다. 최초의 우주에서는 모든 입자들이 쌍으로 만들어졌다. 모든 재료가 녹아 있는 아주 아주 뜨겁고 끈끈한 젤리와 같은 형태의 우주로 생각해보면 이해가 쉬워진다. 스푼으로 사과 모양으로 젤리를 떼어낸다면 원 젤리에는 반사과모양이 남겨졌을 것이다. 포도 모양을 떼어내면 반포도모양이 생긴다. 입자엔 반입자, 쿼크엔 반쿼크, 전자엔 반전자가 생긴다. 이를 전체적으로 물질과 반물질이라 한다. 모양은 똑 같지만 성질은 반대이다. 입자와 반입자가 만들어지긴 했지만 아직 우주가 너무 작아 활동을 할 수 없다.
6) 빅뱅 핵 합성(Big Bang nucleosynthesis)의 시기(1초 ~ 3분)
드디어 우주 나이 1초. 우주의 온도는 100억도~1억도 정도까지 낮아진 상태로, 양성자간의 결합 작용, 즉 수소 핵융합 반응이 일어나는 환경이다. 그 결과로 전 우주에서 다량의 수소와 헬륨이 생성되었다. 지금 우주에 있는 수소의 99%와 대부분의 헬륨원자가 빅뱅 핵 합성 시기인 우주나이 1초에서 3분 동안 만들어진다. 헬륨은 지금도 태양과 같은 별에서 핵융합을 통해 열심히 만들어지고 있다.
우리 몸의 대부분은 물이고 물은 수소원자 2개와 산소원자 1의 결합이다. 또 몸을 구성하는 단백질, 탄수화물, 지방의 삼대 영양소에는 어김없이 수소가 포함되어 있다. 이 모든 수소는 138억 년 전, 까마득한 옛날 한 처음에 만들어져 우리에게 전달된 것이다. 놀랍지 아니한가? 그 무구한 시간을 지나 나에게 와 내 몸의 일부가 되었다는 사실이 경이롭고, 이 텅 빈 우주에 우리 지구에 이만한 입자들이 몰려 있어, 나와 우리와 자연과 지구가 만들어졌다. 이 모든 것이 중력의 힘이니 우리는 중력에 감사해야한다. 이런 의미라면 우주는 중력이 만들었다는 호킹 박사의 말도 아주 틀린 말은 아니다.
7) 우주 대전쟁 (3분 ~ 38만년)
3분부터 38만 년까지는 우주 대전쟁의 시기이다. 우주는 계속 팽창해 입자와 반입자들이 움직일 수 있는 공간도 제법 넓어졌다. 입자가 (+) 라면 반입자는 (-)이다. 똑같은 양의 (+)입자와 (-)반입자가 만나면 그 둘은 당연히 상쇄된다.
입자와 반입자의 쌍생산과 쌍소멸, 온도에 의한 운동량은 남아 있기 때문에 입자들은 소멸되고 에너지는 빛으로 남게 된다. 그러나 아직도 우주는 좁고 물질은 꽉차있는 상태라 빛은 아직 자유롭게 이동하지 못한다.
전쟁이란 단어를 사용하였다. 싸움이다. 싸움에는 승자와 패자가 있기 마련이다. 이 최초의 우주전쟁의 승자는 입자이다. 입자와 반입자가 같은 수로 만들어져 쌍소멸 하였는데, 놀랍게도 입자만 남아, 그 남은 입자로 은하를 만들고 태양을 만들고 지구를 만들고 나를 만들었다. 대략적인 계산에 의하면 10억분의 1의 확률로 입자가 남았다고 한다. 반입자 10억 개에 입자 10억 1개. 이 입자들이 모여 우리가 보고 있는 물질의 세계를 만들었다.
왜 하나가 남았을까?
이 이유를 물리학에서는 '대칭성의 자발적 붕괴 (Spontaneous Symmetry Breaking)이론으로 설명한다. 이에 대한 사전적 의미는
"물리계는 큰 대칭성에 대해 불변이나, 진공은 그 부분적인 대칭성에 대해서만 불변인 경우 우리는 대칭성이 자발적으로 붕괴되었다고 한다."이다. 설명이 더 어렵다.
2008년 노벨 물리학상은 일본인 3명에게 주어졌는데, 바로 대칭성의 자발적 붕괴에 관한 내용이다.
고바야시 마코토(小林誠)와 마스카와 도시히데(益川敏英)는 "자연적 쿼크가 적어도 3개 이상 존재할 거라 예상하는 대칭 붕괴의 원리의 발견"에 관한 내용으로, 난부 요이치로(南部陽一郎)는 "아원자 물리학의 자발 대칭 붕괴의 메커니즘에 관한 발견"에 관한 업적이었다.
한국말인데도 한국어가 아닌 단어를 나열해 놓은 것 같은 이 어려운 내용이 중요한 것은 <대칭성의 자발적 붕괴로 일어나는 비대칭>이 바로 <우주를 만든 원리>이기 때문이다.
어려운 단어가 나와 또 신경질이 난다. 우리는 지금 우주 창조를 이해하려는 것이다. 과학자들은 수십 년을 연구해서 겨우 찾아내었는데 우리는 겨우 문장 하나로 우주 창조가 너무 쉽게 이해되면 오히려 그것이 이상하지 않겠는가? 여기서 이해를 못했으면 [우리 우주는 아주 작은 비대칭, 불균형에 의하여 형성되었다] 정도로 이해하고 그냥 넘어가도 된다.
그래도 입자와 반입자가 똑같은 수가 만들어져서 똑같이 상쇄되었는데 어느 한쪽만 남았다는 것은 말이되지 않는다. 혹시 반물질의 우주가 별도로 존재하지는 않을까? 위치나 운동량의 비대칭은 이해한다 해도 똑같이 만들어진 입자와 반입자의 개수가 차이나는 것은 도무지 이해할 수 없다.
어쩌면 과학과 종교의 대립을 주제로 한 영화인 천사와 악마(Angels & Demons; 2009)나, 유명한 공상과학(SF) 시리즈물인 스타트랙(Star Trek)에서와 같이 물질과 반물질의 반응을 이용한 에너지로 초(超) 광속의 속도를 내는 우주전함으로 우주를 여행하는 이야기처럼 반물질이 우리 우주내에 존재하거나 혹은 우리 우주와 똑같은 우주가 하나 더 있는지도 모른다. 그래서 혹시 우리 우주와는 반대로 반물질이 남아 반물질의 세계로 만들어 진 우주가 있을지도 모른다고 생각하는 과학자들도 있고, 우리 우주 내에서 반물질로 만들어진 은하나 별이 있을지도 모른다고 생각해 열심히 반물질로 이루어진 별을 찾는 과학자들도 있다. 만약에 반우주가 존재한다면 거기엔 또 다른 내가 있다. 만약에 그와 내가 만나면 우리는 격렬한 반응을 하며 엄청난 빛만 남긴 채 소멸될 것이다.
아무튼 이 최초의 우주 전쟁의 결과 물질의 세계가 만들어지는 원인이 되었다.
원문 ; 2014년 2월 13일
1차 수정 ; 2014년 4월 7일
2차 수정 : 2014년 10월 16일
3차 수정 : 2015년 11월 13일