천지창조

최초에 빛이 있었느니라(구약성경 1,1)

물리학에서는 우주는 빛과 함께 시작 (천지창조) 되었다는 것이며 이 말이 뜻하는 것은 “이 세상에는 영원이란 존재하지 않는다” 는 것이다.

영원이란?

1916년, 독일의 아인슈타인(A. Einstein;1879~1955)은 '일반 상대성 이론'을 발표하였다. 아인슈타인의 방정식(Rμν-1/2gμνR=8ΠG/C⁴Tμν)에 따르면, 공간은 그 곳에 존재하는 물질의 중력으로 팽창하거나 수축한다. 1917년에 그는 이 방정식을 우주에 적용시켰다. 단 그대로 적용시키면 은하 등 우주에 있는 물질의 중력으로 우주는 자꾸만 수축해 버린다.

아인슈타인은 우주는 영구불변하다고 믿었기 때문에 수축을 막는 '우주항(Λgμν)'을 방정식에 덧붙였다.

우주항(Λgμν)이란 공간끼리 서로 반발하여 배척하는 힘이다. 우주 전체에서 보면 이 우주항의 배척력과 중력에 의한 수축의 힘이 어우러져, 우주는 수축도 팽창도 하지 않고 가만히 정지하고 있는 것으로 생각된다.

1922년, 러시아의 프리드만은 우주항을 방정식에서 떼어 내어 우주에 적용한 결과 세 가지의 해답이 있다는 것을 발견하였다. 이 해답에 따르면, 만일 우주에 있는 물질의 질량이 작다면 우주는 영원히 팽창을 계속한다. 반대로 우주에 있는 물질의 질량이 크다면 우주는 팽창에서 수축으로 전환한다. 두 경계인 경우에는 우주는 감속하면서 영원히 팽창을 계속한다. 우주는 시간과 함께 변화한다는 것이다.

1929년, 미국의 허블(E. P. Hubble;1889~1953)은 실제로 우주가 팽창하고 있다는 것을 발견하였다. 허블의 관측에 따르면 은하는 우리로부터 멀어지고 있고, 더욱이 그 속도는 은하까지의 거리에 비례하고 있다. 우주는 한결같이 팽창하고 있는 것이다.

이 관측 결과를 알게 된 아인슈타인은, 방정식에 우주항(Λgμν)을 덧붙인 것을 '생애 최대의 과오'라 하며 탄식했다고 한다. 1940년대 이후 이 우주의 팽창을 설명하기 위해 두 우주 모델이 발표되어 큰 논쟁이 벌어졌다.

대논쟁! 빅 쟁 이론과 정상 우주론

우주가 팽창하고 있다면, 과거로 거슬러 올라갈수록 우주는 작아질 것이다. 이렇게 생각한 벨기에의 신부 르메트르(Lemaitre)는 1927년 아인슈타인의 ‘중력장 방정식의 해’를 풀어내면서 우주가 작았을 때의 극히 초기의 상태를 '우주의 알' '원시 원자(특이점)' 등이라고 하였다.

이것은 1947년 미국의 가모프(G. Gamow;1904~1968)가 발표한 '빅 뱅 이론(Big Bang Theory;대폭발설)'의 선구가 되는 것이었다.

빅 뱅 이론은 초기의 우주가 초고온 초고밀도의 불덩이였다고 하는 이론이다. 이것은 물리학이 닿을 수 있는 한계인 t= 10⁻³⁶sec, T=10²⁸̊̊℃, a=10⁻³³cm의 순간에서 대폭발을 일으켰다는 것이며, 초고온, 초고밀도의 상태에서는 물질이 양성자와 중성자로 따로따로 흩어져 있다. 그것이 팽창하여 식어갈 때, 핵융합 반응으로 원소(수소와 헬륨)가 형성되었다고 하는 것이다.

빅 뱅 이론은 우주가 왜 대폭발을 일으켰는가에 대한 물음에 답할 수 없었다. 또 관측의 정확성도 불확실하여, 당시 허블이 계산한 약 20억년이라는 우주의 나이가 지구의 나이 약 48억년보다도 짧아지는 모순도 생겼다.

빅 뱅의 증거를 발견!

1940년대 후반에 거의 동시에 나타난 빅 뱅 이론과 정상 우주론은 둘 다 결정적인 논리적 증거가 없어, 그 후 십수 년에 걸쳐 격렬한 논쟁이 전개되었다.

그 논쟁에 거의 매듭을 짓게 한 것은, 1965년 미국 벨 전화연구소의 펜저스와 윌슨에 의해 발견된 '우주 배경 복사(comic background radiation)'이다.

빅 뱅 이론에 따르면 초고온이었던 우주는 팽창함에 따라 온도가 내려가고, 마침내 '우주의 맑아 오름'이라 불리는 시기를 맞이한다. 그 때 약 4000K(절대 온도)였던 빛의 복사가 우주의 팽창에 따라 그 온도가 내려가, 지금은 수 K가 된 채 한결 같이 우주를 채우고 있을 것이다. 가모프 등의 빅 뱅 이론 제창자들은 이렇게 예언하고 있었다.

1965년, 펜저스와 윌슨은 우주의 모든 방향에서 어떻게 설명할 수 없는 잡음(노이즈)이 같은 세기로 통신 위성용 안테나에 잡히는 것을 발견하였다. 그 잡음이 바로 가모프 등이 예언하고 있었던 것이다. 이 복사는 후에 우주 배경 복사라 불리게 되었는데 그 온도는 약 3(정확히 2.73)K임이 밝혀졌다.

당시 가모프는 빅 뱅으로 모든 원소가 형성되었다고 했다. 그 후 빅 뱅 때에 생긴 것은 헬륨 등 가벼운 원소뿐이라는 것이 이론적으로 밝혀졌다. 이론적으로 예측되는 헬륨의 양이 실제로 관측되는 양과 일치한다는 것도 알게 되고, 따라서 이것도 빅 뱅의 증거가 되었다.

일반 상대성 이론과 원자핵 물리학에 기초를 둔 빅 뱅 이론은 팽창 우주와 우주 배경 복사, 더욱이 우주에 존재하는 헬륨의 양이라는 관측 사실에 의해 대략 확립되어, 우주론의 표준적 모델로 자리 잡아 갔다.

최신판 우주 창생의 시나리오

우주 배경 복사의 발견으로 빅 뱅 이론은 관측적 증거를 얻었다. 그러나 아직 커다란 문제가 남아 있다. 그것은 빅 뱅 이전의 우주는 어떻게 되어있었나 하는 문제이다. 여기서는 현재 생각되고 있는 우주의 탄생에서 빅 뱅을 거쳐 “우주의 맑아 오름”까지의 최신 시나리오를 소개하고자 한다.

우리의 우주는 150억년 전, 양자 중력적 효과로 '무(無)'에서 태어났다고 생각되고 있다. 탄생 직후의 우주는 진공의 에너지를 가지고 있다. 그 에너지에 의해 공간끼리 서로 강한 배척력으로 밀어내고, 우주는 즉시 '인플레이션'이라 불리는 급격한 팽창을 일으킨다. 이것은 10-32초 동안에 10100배나 팽창하는 상상을 초월하는 급격한 것이다.

인플레이션이 끝남과 동시에 진공의 에너지는 숨은열(잠열)로서 해방되고, 우주는 뜨거운 불덩이(fire-ball)가 된다. 빅 뱅 우주의 탄생이다.

빅 뱅 우주에서 가장 먼저 일어나는 것은 물질의 창생이다. 바로 이때에 몇종류의 원시 입자가 형성된다. 인플레이션 직후의 우주에서는 물질(quark)과 반물질(down quark)이 같은 양만큼 존재한다. 다시 말해서 물질과 반물질이 완벽한 대칭성을 이루었다. 이 무렵 원시입자 중에 X입자라고 하는 입자가 있었고, 또한 같은 수만큼의 반입자인 ⃐X가 있어서 우주를 날아가고 있었다. 바로 이 순간 입자와 반입자는 곧 붕괴되어 전자와 쿼크, 그리고 양전자와 반쿼크가 탄생된다. 이것은 우주가 탄생되어 t= 10⁻³⁶sec이고, 우주의 온도가 T=10²⁸̊̊K일 때이다. 그러나 입자와 반입자의 붕괴 다시말해서 소립자 반응에 포함되는 매우 근소한 대칭성의 깨짐으로 입자 10억1개에 대하여 반입자는 이보다 한 개가 모자란 10억의 “비대칭성”이 이루어졌다. 이때 입자와 반입자는 결합하여 소멸되어 빛이 되었다. 이때 우주는 전자와 쿼크로 채워졌다. 우주는 점차 팽창하고 물질과 반물질은 우주의 온도가 내려감에 따라 쌍소멸하여 거의 사라지고 빛과 중성미자가 되었다. 우리의 몸을 형성하고 있는 물질은 이 때 적게나마 반물질보다 많았기 때문에 쌍소멸을 면할 수 있었다. 여기에서 우리는 사랑하고 용서하며 밑져 사는 인생임을 알 수 있다.

우주가 탄생되어 10⁻⁶초 후이고 온도가 10조K가 되었을 때 세 개의 쿼크(quark)가 결합하여 양성자와 중상자가 태어난다. 우주 탄생에서 3분 후 우주의 온도가 10억 K까지 내려갔을 때 양성자와 중성자가 결합하여 헬륨의 원소핵이 탄생되며 우주탄생에서 30만년 후 최초의 수소원자와 헬륨원자가 탄생되고, 이보다 무거운 원소들은 별의 탄생과 초신성 폭발에서 만들어졌다. 더욱이 온도가 수천 K까지 내려갔을 때 원자핵이 전자를 포착하여 우주는 빛에 대해 투명해진다. 이것이 ‘우주의 맑아 오름’이다. 1992년, 우주 배경 복사 관측 위성(COBE)가 그려 낸 화상은 이 우주가 맑게 갰을 때의 모습이다.

1964년 게르만과 스와이즈 이 두 학자는 양*중성자보다 작은 기본 입자를 쿼크라고 명명하였고, 이를 확인하기 위해 1967년 MIT 대학의 가속기를 이용 확인 실험을 했다. 그러나 양성자와 중성자 안에 단단한 심이있음을 확인했을뿐 쿼크를 보지는 못했다. 결국 그 존재는 분명하게 있는데 본 사람은 없었다. 물리학은 ‘실존의 학문’ 이다. 물리학에서는 존재하는 것을 반드시 관측이 되어야 하고, 관측이 안되는 것은 존재하지 않는다. 라는 명제를 가지고 있으나, 쿼크를 통해서 물리학의 주장이 무너졌다. 곧 비록 관측은 안되다해도 존재하는 것은 존재한다. 어린왕자와 여우의 대화에서 “큰 것은 보이지 않는다. 하지만 존재한다.”는 말처럼 우리 신앙에서 하느님의 존재는 관측할 수는 없지만 그 존재는 알 수 있다.