유레카 3 - 열두번째 이야기
(사실 수많은 선지자들이 이 세상은 본질이 아니라, 본질의 세계는 따로 있다고 가르쳤지만 어리석은 우리들은 보이는 것이 세상의 전부인 줄 안다)
1부. 우주
4장. 세 개의 우주 시스템 2
* 이 글은 <유레카3>의 12번째 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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31. 4가지 힘
우리 우주에는 4가지 힘이 있다. 힘은 홀로 독립되어 작용하지 않고 항상 상호작용한다. 이 힘은 우주안의 모든 물질과 에너지를 움직이는 규칙이다. 모든 물질과 에너지는 이 규칙 없이 움직이지 못한다.
1) 중력(重力)
우리에게 가장 친숙한 힘이다. 만유인력이라고도 불리는 이 힘은 질량을 가진 물체사이에서 작용하는 힘으로 인력만이 작용한다. 자연계의 4가지 힘 중에서 가장 약하지만 작용 범위가 무한대이다.
수식에서처럼 중력은 거리의 제곱에 반비례하고 각 물체의 무게의 곱에 비례한다.
G는 만유인력상수로 비례상수이다.
현대물리학에서 중력은 '중력자(graviton)'라는 매개입자를 가지고, 일반상대성이론으로 나타낸다. 그러나 중력자는 아직 발견도 안 되었고 제대로 된 이론도 없다.
2) 전자기력(電磁氣力)
전자기력 또한 우리 생활과 밀접한 힘으로 인류의 문명은 전자기력의 도움을 많이 받고 있다. 전하를 띤 입자들 사이에서의 상호작용이며 매개입자는 광자이다. 빛은 정말이지 멋진 놈이다.
전자기력은 4가지 힘 중에서 2번째로 강한 힘이고, 인력과 척력이 모두 존재하며, 중력과 마찬가지로 거리의 제곱에 반비례하지만 작용범위가 중력에 비하면 아주 작다.
고전역학에서 전자기력은 맥스웰 방정식으로 나타내고, 현대물리학에서는 파인만 등의 물리학자들이 만든 QED(Quantum Electrodynamics:양자전기역학)로 표현한다. 수식을 옮겨 쓸 수는 있지만 우리가 찾는 것은 과학적 증명이 아니라 철학적인 의미를 찾는 것이므로 옮기지는 않겠다.
3) 강력(强力, 강한 상호작용)
강한 상호작용은 쿼크사이에 작용하는 힘이다. 매개입자는 글루온이다.
1970년대 이전에는 양성자와 중성자가 기본입자로 생각되었고, 양성자 사이에는 전기적인 척력이 작용하므로, 이를 극복하는 강력한 힘을 '강력'이라고 불렀지만, 양성자, 중성자를 만드는 기본입자인 쿼크가 발견된 후에는 강력이 쿼크를 결합시키는 힘으로 밝혀졌다.
강력의 특징은 4가지 힘 중에서 가장 강하고, 작용 범위는 엄청나게 짧다.(약10의-15m)
강력은 고전물리학 시대에서는 발견이 되지 않았기 때문에, 강력을 서술하는 고전물리학식은 없다.
현대물리학에서는 강력을 QCD(Quantum Chromodynamics:양자색역학)으로 나타낸다.
4) 약력(弱力, 약한 상호작용)
약력은 중성자의 중성자가 양성자로 바뀌는 베타붕괴에서 관찰할 수 있는데, 베타붕괴 또한 일반인들에겐 생소하다. 핵반응 후 생기는 방사능도 약력의 일종이다. 매개입자는 W, Z 보존으로 보존 중에 질량을 갖는 보존이다.
약력은 강력과 마찬가지로 살아가면서 배우지 않았다면 알 수가 없는 일상생활에서 경험할 수 없는 힘이다. 이 힘을 경험하는 것은 별로 좋은 생각이 아니다. 일본의 후쿠시마 사람들은 이 힘의 위력을 경험하고 있다. 얼마 전 뉴스를 보니까 일본 후쿠시마에서 버려지는 고철덩어리를 사들여와 집을 짓는 철근으로 사용해 어느 아파트에서는 기준치를 훨씬 초과하는 방사능이 검출되었다고 한다. 약력의 힘을 한국사람들에게도 느끼게 해주려는 양심을 팔아버린 나쁜 수입업자들은 자기가 무슨 짓을 했는지도 모를 것이다. 돈의 힘은 약력보다도 강하다. 돈은 인간의 양심보다 상위하고 그로 인하여 피해를 보는 것은 아무것도 모르는 착한 백성들이다.
약력의 특징은 4가지 힘 중에서 3번째로 강하다는 것이고, 유효거리가 강력보다도 더 짧다.(10의-17m)
현대물리학에서 약력을 서술하는 이론은 약전자기력으로 높은 에너지상태에서 약력과 전자기력이 하나로 통합되어 나타나는 힘이다.
4가지 힘의 크기를 비교하면, 강력>전자기력>약력>>>>중력 순서이다.
숫자로 표현해보면 중력의 크기를 1로 하였을 때, 강력은 10의38제곱, 전자기력은 10의36제곱, 약력은 10의25제곱이다. 이렇게 보면 중력의 힘은 너무 작아서 중력자를 발견하지 못하는 것도 일견 이해는 간다.
중력이 왜 이렇게 작은가에 대해서는 현재도 연구 중이며, M 이론, 초끈 이론 등으로 중력이 왜 약한가를 설명하는 물리학자들도 있지만, 중력은 나머지 3개의 힘과는 달라도 너무 다른 별종임에 틀림없다.
우주를 지배하는 4가지 힘인 중력, 전자기력, 강력, 약력의 특징을 살펴보면, 이들 기본 상호 작용은 우주의 특정한 부분의 구성을 책임지고 있다는 사실이다. 중력은 거시세계에서만 작용한다. 전자기력은 원자사이의 미시세계에서만, 강력과 약력은 양성자, 중성자와 같은 극미세계에서만 작용되어 별개의 독립된 힘으로 보인다는 점이다.
원자 내부에는 양전하와 음전하가 완벽하게 동일한 양으로 포함되어 있기 때문에 거시세계에서는 전기력이 나타나지 않는다. 한편 미시세계인 원자를 구성하는 원자핵과 전자는 질량을 지니고 있으나 중력의 세기가 전자기력에 비해 너무 약하기 때문에 없는 것이나 마찬가지이다. 강력은 핵자인 양성자와 중성자의 외부로는 나나타지 않기 때문에 원자 간의 미시세계나 거시세계에서는 동작하지 않는다.
4개 힘들의 현상은 위와 같지만 그들이 우리 우주 시스템에서 맡고 있는 역할에 대한 철학적고찰은 앞에서 이미 이야기하였다. 여기에 나의 상상력을 살짝 더해 철학적 의미를 가미해보고자 한다. 형이상학(形而上學)의 시작은 상상(想像)이다.
결론적으로 전자기력은 우주를 팽창시키는 역할을 한다. 강력은 우주를 수축시키는 역할을 한다. 중력은 그 거대한 줄다리기 판 위를 돌아다니는 구슬과 같다. 베타붕괴라는 특수한 상황에서 일어나는 약력은 아무래도 붕괴와 관련이 있으므로 팽창의 힘일 것이다. 그런 의미에서는 약력과 전자기력은 약전자기력으로 통합해서 생각하는 것이 가능할 것이다. 실제로 온도가 높아지면 약력과 전자기력은 통합되어 약전자기력이된다. 온도가 훨씬 더 높아지면 약전기력은 강해지고 강력은 점점 약해져 이 3개의 힘이 통합된다. 고온에서는 팽창하려는 힘이 강해지고 수축하는 힘이 약해지는 것은 당연한 이치이다. 우주 초기상태의 고온에서 3가지 힘이 통합되어 있었던 것을 설명할 수 있다. 중력은 이 거대한 판을 구성하는 힘 위에 올려진 구슬과 같은 별종의 힘이므로 힘의 종류와 방향이 다르다. [강력 : 약력과 전자기력 연합군]의 힘을 옆으로 작용하는 힘이라하면 [중력]은 위에서 아래로 작용하는 힘이다.
중력이 왜 약한가? 만약 중력이 전자기력과 같이 세다면 우리는 지구를 뚫고 들어갈 것이다. 지구위에 아무리 무거운 물체를 놓아도 지구와 물체의 닿은면의 원자와 원자는 서로 닿지 않는다. 그것은 각 표면의 전자들이 척력으로 작용하여 서로를 밀어내기 때문이다. 만약 그렇지 않고 원자와 원자가 맞닿으면 그 원자들은 붕괴하기 시작할 것이고 핵반응이 일어날 것이다. 그러나 전자기력이 중력에 비해 워낙 강하기 때문에 자연적인 현상으로 그런 일이 발생할 수는 없다. 우주 전체의 입장에서도 마찬가지이다. 팽창력과 수축력이 팽팽하게 맞서고 있는 우주 공간에 중력이 이와 비슷한 힘으로 작용한다면 공간은 심하게 왜곡되거나 찢어지고 말 것이다. 그러므로 중력은 약할 수 밖에 없다. 팽창은 우주 외부를 향하고 있고, 수축은 우주내에 골고루 퍼져있는 물질의 내부를 향하기에 팽창력과 수축력은 힘의 결집이 가능하다. 그러나 중력은 개별적이다. 우주 공간의 입장에서 보면 중력을 나타낼 수 있는 별들은 아주 드물게 듬성듬성 퍼져있다. 태양과 가장 가까운 별이 4.2광년 떨어져 있음을 우리는 이미 알고 있다. 은하의 내부에서도 이렇게 멀리 떨어져 있는데 은하와 은하의 거리는 훨씬 더 멀리 있다. 그러므로 중력은 결집될 수 없고 개별적으로 작용하여 아무리 무거운 별이라도 공간을 살짝 휘어지게 하는 정도로 약한 위력을 갖는다.
초기 우주에서 중력이 통합되지 않는 것은 이렇게 생각하면 어쩌면 당연한 이치이다. 나는 여기에 한가지 상상을 더 가미한다. 뒤에 나오지만 우주를 잡아당기는 역할을 하는 것은 암흑물질이다. 팽창시키는 역할은 암흑에너지이다. 우리 우주는 물질4%, 암흑물질 23%, 암흑에너지 76%로 구성되어 있다. 우주 평탄도가 유지되기 위해서는 팽창력과 수축력이 동일할 것이다. 즉, [수축력 = 팽창력]이 될 것이고, [강력 = 약력 +전자기력]으로 생각할 수 있지 않을까? 이 수식이 맞는지 안맞는지를 따지는 것은 과학자들의 몫이고 나의 철학적 판단은 여기까지이다. 일종의 역할분담이라 할까? 여기까지 생각한 것도 무척 힘들었는데 골치아픈 수학까지 하라는 것은 반칙이다. 아무튼 우리 우주는 물질의 중력4% + 수축력 23% + 팽창력 23% = 50%로 나타낼 수 있을 것이다. 이러면 나머지는 딱 절반인 50%가 남는다. 50%는 어디에 있을까? 앞의 물질우주와 반물질우주의 우주모형 1번을 기억하는가? 혹시 그것이 아닐까? 이런 이유로 그 우주 모형이 마음에 들지는 않지만 어쩔수 없이 그렸던 것이다. 그렇지 않다면 아인슈타인이 우주 상수라 불렀던 우리 우주의 기본 팽창력으로 생각할 수도 있을 것이다. 우리는 이러한 것들이 동시에 존재하는 관념 우주에 살고 있는 듯 보인다.
32. 3개의 프로그램
<통일장 이론>이라는 게 있다. 우주를 지배하는 네 가지 힘을 하나의 규칙으로 설명하고자 하는 이론이다.
우리 우주가 하나의 형상이라면 당연히 가능해야할 이 이론은 거시우주를 대변하는 법칙인 고전역학과 미시우주를 대변하는 양자역학이 서로 충돌하면서 도저히 하나로 결합할 수 없다는 쓸쓸한 결론에 도달한 것 같다.
기존의 물질체계로는 이 이론의 설명이 안 되자 우주를 26개 차원으로 분리하고, 초끈이론이라는 우주를 끈의 진동으로 보는 새로운 개념도 도입해보고 더 발전시켜 우주를 천막처럼 흐물흐물 진동하는 것으로 보는 막이론과 M이론 등으로 설명하려 했지만 이 이론은 그리 성공한 것으로 보이지 않는다.
우리 우주를 구성하는 작은 입자들이 모여 물질과 에너지를 이루고, 결국 이 물질과 에너지가 모여 별과 은하, 나아가 우주를 구성하고 있다면 작든 크든 간에 이 입자를 지배하는 규칙은 동일하여야 한다.
그런데 거시우주를 지배하는 고전역학과 미시우주를 지배하는 양자역학은 전혀 서로 다른 개념이다.
나는 이 현상을 서로 다른 프로그램의 중첩으로 이해한다. 우리 우주에는 동시에 여러 프로그램이 중첩되어 있는 듯 보인다.
고전역학에서 물질의 미래는 이미 정해져 있다. 정확한 인과율처럼 최초의 원인이 한 결과를 만들고, 그 결과가 다시 원인이 되어 정해진 결과를 낳는다. 여기엔 새로운 변수가 있을 수 없다. 만약 그러한 변수가 튀어나온다면 원인의 분석을 잘못한 까닭이지 느닷없는 변수에 의해 결과가 바뀌는 것은 아니다. 거시 우주에 있어 우주는 최초의 원인에 의해 시간이 종료될 때 까지 정해진 길을 걸어갈 것이다. 거시 우주에서는 우주의 운명이 이미 정해져 있다. 철학에서는 인과율, 종교에서는 예정론이 거시우주적인 표현방법이다.
그러나 미시 우주를 규명하는 양자역학의 미래는 조금 다르다.
미시세계에서 미래는 정해진 것이 아니라 확률에 의해서 결정된다. 똑같은 원인이라도 그 결과는 확률적으로 서로 달라진다. 나는 미시세계의 비대칭의 원인을 확률로 설명했다. 우주 초기의 입자와 반입자의 비대칭, 우주 배경복사에너지의 아주 작은 비대칭이 결국 우리 우주를 지금의 형태로 만들었다.
예를 들어 우주를 카페로 표현하면 거시우주의 카페에서는 커피를 주문하면 커피가, 콜라를 주문하면 여지없이 콜라가 나온다. 그러나 미시우주의 카페에서는 커피를 시키면 커피가 나올 확률 60%, 콜라가 나올 확률 20%, 오렌지주스가 나올 확률 15%, 기타 다른 것이 나올 확률 5%라는 식의 확률적인 결과가 나온다.
세 번째 프로그램인 생명우주는 전혀 색다른 프로그램이다.
생명은 결정성과 확률성을 포함해 생명만이 가지는 독특한 의지성을 갖는다. 의지는 위에 설명한 4가지 힘을 거슬러 행할 수 있다. 카페에 비유하자면 거시우주의 카페에서는 이미 내가 커피를 주문하여 마실 것으로 결정되었고, 미시 우주의 카페에서는 커피를 마실 확률은 높지만 여차하면 콜라를 마실 수도 있는 것이고, 생명 우주의 카페에서는 메뉴를 보고 내가 골라먹는 형상이다. 내가 무엇을 먹을지는 내 마음이다.
그리하여 나는 우리 우주를 세 개의 우주라고 표현한다. 하나의 공간에 서로 다른 세 명의 프로그래머가 자기 규칙을 동시에 접목시켰다고 보는 것이다. 그런데 하나의 물질을 두고 어떻게 이것이 가능할까?
우리 우주가 실증적인 <실체 존재>라면 이것은 불가능하다.
그러나 만약 우리 우주가 시뮬레이션과 같은 <관념 존재>라면 이것은 가능하지 않겠는가?
<우리 우주는 거대한 시뮬레이션이다.>라는 전제하에서라면 바로소 이것이 가능해진다.
우리 우주는 같은 물질과 에너지에서라도, 거시 우주의 고정불변 고전역학과, 확률적으로 규명되는 양자역학과 그 물질과 에너지가 생명체의 한 부분이었을 때는 전혀 다른 규칙인 의지의 지배를 받는 부분으로 나뉜다.
물론 이것이 가능한 것은 우리 우주를 만들었던 최초의 <특이점(特異點)>이 무한대의 질량과 에너지를 지녔던 실체적 존재가 아니라, 우주 프로그래머가 구성한 관념적 존재이기 때문에 가능하다.
물론 인간의 입장에서는 초월적 존재인 우주프로그래머의 관념은 우리 인간의 관념과는 서로 다른 차원일 것이다. 그럼에도 불구하고 우리 우주가 <관념 존재>일 것이라는 사실은 더욱 명확해진다.
우리는 서글프게 원래부터 존재하는 본질이 아니라, 컴퓨터에서 활동하는 게임의 형상처럼 프로그래머에 의해 주어진 관념이거나 수식일 것이고 우주는 이 게임을 구성하는 공간과 같을 것이다.
2500년 전 석가모니 부처는 보리수 아래에서 우주 삼라만상의 이치를 깨달았다한다. 석가는 무엇을 깨달았던 것일까?
불교의 부처와 선지자들은 이 세상이 본질이 아니라 윤회의 수련장임을 깨달았을 것이다.
그리스도교도 이 세상은 지나가는 세상이요, 영원한 생명의 세상은 따로 있다고 가르친다.
사실 수많은 선지자들이 이 세상은 본질이 아니라, 본질의 세계는 따로 있다고 가르쳤지만 어리석은 우리들은 보이는 것이 세상의 전부인 줄 안다.
우주(宇宙)!
어쩌면 그것은 아무것도 아니다.
<우주는 누군가에 의해 작동된 것이다.>
<우주는 시뮬레이션 프로그램과 비슷한 프로그램으로 작동된다.>
<우주를 작동하는 세 개의 프로그램이 있다.>
오늘까지의 결론이다.
원문 ; 2014년 2월 17일
1차 수정 ; 2014년 4월 9일
2차 수정 ; 2014년 10월 17일
3차 수정 : 2015년 11월 24일