유레카 3 - 일곱번째 이야기
(우리 우주의 시작은 누군가에 의하여 아주 정확하고 세밀한 계산으로 프로그래밍 되어 작동된 것이다)
1부. 우주
2장. 우주 프로그래밍
* 이 글은 <유레카3>의 7번째 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.
첫 글 바로가기 > http://cafe.daum.net/harmonism/JN41/146
20. 급팽창과 우주평탄도
아무튼 원래는 한 점이었던 우리 우주가 무슨 이유인지 평형을 깨고 '빠방' 터졌다. '빠방' 으로 표현한 것은 두 번 터졌다는 의미인데, 한번은 말 그대로 태초의 빅뱅으로 특이점( energy ball/fire ball)이 터졌을 때이고, 또 한번은 급팽창 때인데 인플레이션(급팽창)이 일어난 시기는 대폭발 후 10의 -35초에서 10의 -32초까지로, 이 짧은 시간 동안 시공간은 빛 보다 훨씬 빠른 속도로 팽창하여 우주의 크기는 양성자보다 작은 크기에서 10의 26제곱배 이상 커졌다는 것이다. 양성자 크기에서 갑자기 1광년만 하게 커졌다고 생각하면 된다. 1광년은 빛이 1년동안 가는 거리로 약 10조Km의 거리이다. 태양을 기준으로 본다면 혜왕성, 명왕성을 지나고 헬리혜성이 오는 카이퍼벨트를 지나 태양계를 공처럼 감싸고 있는 오르트구름의 끝자락이다. 물론 태양계의 크기는 여기서 1광년을 더 나아가 반지름 2광년, 직경 4광년의 크기로 알려져 있다.
에게. 조금 실망? 어마어마하게 커졌다며. 겨우 태양계? 그러나 양성자의 크기에서 순식간에 태양계 크기가 된 것은 분명 어마어마한 폭발이다. 그 이 후에는 이 정도의 속도는 아니지만 꾸준히 팽창하여 지금의 우주가 만들어졌고, 지금도 빛의 속도 이상으로 팽창하고 있다.
(급팽창 이론을 설명하는 그래프)
(우주의 확장과 진행을 설명하는 사진)
급팽창이론은 처음엔 뜬금없는 이론이었다가 요즘은 사실로 되어가는 우주론이다. 우리가 관측하는 우주의 현상들이 급팽창이론으로 대부분 잘 설명되어지기 때문이다. 그 중 하나가 우주 평탄도 문제이다.
우리 우주가 지금은 팽창하고 있는데 앞으로도 계속 커질지, 아니면 커지다가 어느 순간부터 다시 수축 될지, 그것도 아니면 아주 운이 좋게도 지금의 상태를 계속 유지할 것인지 과학계에서는 논란이 일어났다.
이 논란이 처음 일어날 때 사실 세 번째 가정은 없었다. 계속 커질 것이냐, 커지다 줄어들 것이냐의 문제이지 계속 유지된다는 가정은 확률 상 있을 수 없는 일이었기 때문이다. 동전을 던졌는데 앞면으로 떨어지느냐 뒷면으로 떨어지느냐를 생각하는데 옆으로 설 경우를 따지는 것이라 생각하면 될 것이다.
이것은 우리 우주가 담고 있는 질량에 의해 결정된다. 헉! 또 한 번 질량이다. 질량은 본질이 아니라 주어진 거라면서 왜 이리 자주 써먹지? 여기서 이런 의심을 하는 것은 당연한 생각이다.
만약에 우리 우주가 담고 있는 질량이 많다면, 지금 팽창하고 있는 우리 우주는 그 중력에 의해 다시 수축되어, 원래의 Energy Ball 형태로 되돌아 갈 것이다. 이것을 빅뱅에 대비해 빅크런치 (Big Crunch, 대붕괴, 大崩壞)라고 한다.
만약 이와는 반대로 우주가 담고 있는 질량이 너무 작으면, 팽창을 막을 수 있는 힘이 없기 때문에 계속 팽창하여 결국 흩어질 것이다. 우주는 점점 차가워지고 희미하게 사라지는 것이다. 생각만으로도 슬퍼진다.
만약에 위 두 경우의 딱 중간이라면 우리 우주는 안전하게 유지될 것이다. 이 상태를 평탄한 우주라고 해보자. 그런데 과연 그럴 수 있을까? 아까 확률 상 있을 수 없는 일이라 했는데.
평탄한 우주가 되기 위한 우주의 밀도는 1세제곱미터의 공간에, 그러니까 가로, 세로, 높이가 각각 1m인 공간, 즉, 세탁기만한 공간에 수소원자 5개가 있으면 된다. 이것을 임계 밀도라 한다. 지구의 입장에서는 '에게? 겨우 고만큼?'이라고 생각이 들겠지만 우주 대부분의 공간은 비어있다고 생각한다면 이것이 그리 만만치 않은 양이 된다.
아무튼 임계밀도보다 크거나 작으면 우리 우주 공간은 일그러진다. 그런데 빛의 이동을 보면 우리 우주는 평편하다고 한다. 빛은 중력의 영향을 받지 않는 한 직진한다.
우리 우주는 다행스럽게도 정확하게 중간 무게를 지니고 있다. 그래서 138억년이나 지난 지금까지도 우리 우주는 멀쩡하고, 은하와 별들이 생기고 지구와 같은 행성에선 생명체가 살고 있는 것이고 내가 존재하는 것이다.
또 하나의 이유는 급팽창이론의 전제가 평탄한 우주이다. 평탄한 우주가 아니면 급팽창이론이 성립하지 않는다. 그런데 급팽창이론은 사실로 밝혀지고 있으므로 우리 우주는 평탄하다는 반증이다.
급팽창이론으로 해결할 수 있는 또 하나의 문제는 우주 지평선의 문제이다. 현재 모든 과학의 도구를 사용하여 우주를 관측한 결과 우리의 거대한 우주는 잘 흔든 소금물처럼 우주 어느 곳에서나 균일하다. 거대한 우주의 한쪽 끝과 다른 쪽 끝이 균일하기 위해서는 지금과 같은 우주 팽창 속도로는 설명이 되지 않고, 순식간에 빛보다 훨씬 더 큰 속도로 급팽창했다는 전제 아래에서 비로소 가능하다.
21. 밀도의 한계, 확률의 한계
아까부터 평탄한 우주가 되는 것은 확률이 없다고 말하였다. 어느 정도이기에 이런 말을 할까? 그리고 이 의미는 무엇일까?
만약에 우리가 동전 10개가 바닥에 떨어져 있는 것을 보았는데 10개가 전부다 앞면이라면 어떤 생각이 들까? 동전 10개를 공중에 뿌렸는데 우연히 다 앞면으로 떨어졌다고 판단해야 할까, 아니면 보지는 못했지만 어느 누군가가 동전의 앞면만 보이도록 놓았다고 생각하는 것이 타당할까? 만약에 동전 10개가 아니고, 100개라면, 1000개라면, 1만개라면, 1억개라면 어떨까? 1억개의 동전을 던졌는데 우연히 전부 앞면으로 떨어진다. 뭐 그럴수도 있지 않을까?
<4472해 2591경 7218조 5074억 0128만 4016g/cm3>
앞에 소개한 '인문강단 락(樂)'의 강의 내용으로 이 어마어마한 숫자는 빅뱅 후 10억분의 1초 때의 우주밀도라고 한다. 물 1g을 담을 수 있는 1cc의 부피 안에 들어있는 무게가 저 숫자라는 것인데, 저 숫자를 찾아낸 과학자들도 정말 대단하지만, 더 놀라운 것은 저기서 단 1g만 많거나 적어도 우리 우주는 팽창하여 흩어지거나 다시 수축한다는 것이다. 즉, 우리 우주는 1g의 오차도 없이 정확한 밀도를 가지고 있는 것이다. 4472해로 시작되는 이 숫자의 끝에 16g이 아니고 17g이나 15g이면 우리 우주는 지금처럼 평탄할 수가 없는 것이다.
(인터넷으로 이 그림을 찾을 수 없어서 이석영 교수님의 강의 텔레비젼 영상을 직접 찍었다.)
이것은 동전 1억 개를 공중에 던졌는데 우연히 전부 앞면을 보고 있는 확률보다 더 작을 것이다.
로또에 당첨될 확률은 약 1/840만이라 한다. 대략 천만분의 1이라 가정한다면 이것이 나에게 맞을 확률은 '0' 이라 해도 과언은 아니다. 그러나 대한민국 전체를 보면 일등이 나올 확률은 '1'에 가깝다. 실제로 일등 당첨자가 매주 몇 명씩 나온다. 이렇게 된 이유는 경우의 수가 워낙 많기 때문이다. 우주에서 몇 억분의 일 정도의 확률은 흔히 일어나는 일중에 하나이다.
그러나 4472해로 시작하는 이 숫자에 일의 자리를 맞추는 일은 확률로는 설명할 수 있는 일이 아니다. 나는 이석영교수의 저 강의를 들으며 뒤통수를 한껏 얻어 맞은 것 같은 느낌이 들었다.
저건 뭐지?
그리고 한참 후 외쳤다.
<유레카!>
이석영교수의 강의내용처럼 우리 우주 바깥에 수없이 많은 Energy Ball이 있어 끊임없이 폭발하고 있다고 생각할 수도 있을 것이다. 어떤 것은 폭발했다 수축하기를 반복하고 어떤 것은 터져서 없어지고. 수억 개, 수조 개, 수경 개, 수해 개의 우주가 폭발하였는데 그 중에 하나가 우리 우주이고, 우리 우주는 운이 좋게 아주 정확한 질량을 가지고 있어 우리 우주는 평탄한 우주이다. 백번 양보해서 그렇다고 해도 Energy Ball이 그냥 우연히 폭발했다고 보는 것은 타당하지 않다. 폭탄에 아무런 짓도 하지 않았는데 그 폭탄이 터질 수는 없는 일이 아닌가?
이제 우리는 합리적 의심을하여야 한다.
그 첫번째가 밀도의 한계이다. 정말 우리 우주가 한 점이었을까? 그 한 점이 정말 우리 우주가 생기기 전 즉 빅뱅 전에 존재할 수 있었을까? 우리가 어떤 한 점을 찍어 놓고 그 점의 무게를 1억톤으로 하든, 1경톤이든, 1해톤으로 하든 그리 정할 수는 있을 것이다. 그러나 실제로 그 한 점이 그 무게에 도달할 수 있을지는 당연히 의문이든다. 허블(Edwin Powell Hubble, 1889년 11월 20일 ~ 1953년 9월 28일, 미국 천문학자)이 우주를 관측한 결과 우리 우주가 팽창하고 있음을 알게 되었다. 과학자들은 팽창하는 우주의 시간을 거꾸로 돌리면 점점 우주가 작아지다가 마침내 한 점이 될것이라고 생각하였다. 그리고 그 한 점이 폭발하였다. 이것이 우주 빅뱅의 기초이론이다. 우리 지구를 구성하는 모든 원자들을 양성자와 전자를 합쳐 중성자를 만들고, 나머지 중성자를을 꽉꽉 눌러 한치의 빈 공간도 없게 압축한 중성자별이 된다고 가정한다면 직경이 약 60M 정도되는 보통 학교 운동장 반 만한 아주 작은 별이된다. 그러나 이것을 더 줄이고 압축하여 온 우주를 한 점으로 만드는 일이 가능할까? 우리는 혹시 다르게 생각해야 하는 것은 아닐까? 혹시 없었던 것은 아닐까? 그러면 우주는 어떻게 폭발하고 어떻게 생겨난 것일까?
그 두번째가 확률의 한계이다. 위에 제시한 밀도의 숫자가 어떻게 가능할 수 있을까?
1. 정말 우연히 우주 우주는 정확한 질량을 가진 것일까?
2. 계산상으로 일부러 누군가가 정확하게 맞춘 것일까?
3. 아니면 정확하게 맞추어질 수 밖에 없는 그런 상황이 있었던 것은 아닐까? 그럼 그런 상황은 어떤 상황일 때 가능할까?
('유레카3'의 2차 수정때까지 나는 두번째 가정을 염두에 두었다. 그래서 '우주 프로그래밍'이라는 제목을 달았다. 그러나 1년이 더 지난 2015년 10월 나는 세번째 가정에 대한 새로운 깨달음에 도달했고, 그로 인하여 3차 수정작업을 하게 되었다. 제목을 바꿀까하다가 크게 어긋나지는 않는 것 같아 그대로 쓰기로 하였다.)
아인슈타인의 상대성이론의 결론 중 하나를 다시 되새겨본다.
모든 입자는 <장(場)>을 형성한다. 반대로 어떤 장이 존재한다면 그 장이 <입자(粒子)>를 만들어 낸다.
혹시 우리 우주는 무한대의 입자에 의해서 장이 만들어진 것이 아니라, 장(場)에 의해서 입자(粒子)가 만들어지지는 않았을까? 거대한 에너지 장이 순식간에 유입되었고, 그것이 폭발하였다. 그리고 그 폭발력으로 입자들이 생긴 것은 아닐까? 마치 TV나 컴퓨터 모니터를 켜듯이 우리 우주는 그렇게 생긴 것이 아닐까? 우리는 당연히 무엇이 있었고, 그것이 폭발하였다고 생각한다. 아무것도 없는 데 갑자기 무엇이 생긴다는 것은 논리적이지도 과학적이지도 않아보인다. 그래서 우리는 너무나 당연하게 우주를 축소하고 축소하고 축소하면 현재 우주의 모든 질량과 에너지를 담은 한 점이 될 것이라고 생각했을 것이다. 그리고 우리 우주의 폭발 흔적과 증거들이 나타나자 당연한 듯이 '최초의 한 점'이 폭발했다는 결론에 도달하였다.
그러나 위에서 제시한 3번째 가정을 생각하면서, 폭발이 먼저 일어나고 그 폭발력에 맞는 질량이 생긴 것이라는 새로운 가정과 결론에 도달하였다. 그렇게 가정하는 것이 우리 우주의 밀도와 확률의 한계를 극복하는 유일한 대안이다. 이것에 대한 나의 철학적 결론과 그에 따르는 우주 모델은 다음 장인 '우주 시뮬레이션'에서 다루도록 하겠다.
아무튼 구체적인 각론에서 약간의 차이가 있을 수 있겠지만 밀도와 확률의 한계로 볼 때 우리 우주는 우연히 만들어진 것이 결코 아니라는 것이 나의 철학적 판단이다. 우리 우주는 누군가의, 혹은 무엇인가의 작용에 의하여 프로그래밍되어 형성되었다고 보는 것이 보편 타당하다. 그리고 이렇게 판단하는 것이 빅뱅이론으로 설명하지 못하는 부분을 보충하여 완성하고, 몇가지 우주의 물리적 의문들을 해소할 수 있게한다.
동굴 안에서 다시 소리가 들린다.
<겉모습이란 속임수이다.>
원문 ; 2014년 2월 7일
1차 수정 ; 2014년 4월 4일
2차 수정 ; 2014년 10월 16일
3차 수정 : 2015년 11월 10일