아이작 아시모프의 파운데이션을 보면 정말 많은 영감을 받게 된다. 인간의 미래, 인간 집단의 미래를 수학적으로 예측하는 것이 가능할까, 라는 생각에서부터 - 현재 주류를 이루고 있는 신고전주의 경제학에서 합리적이고 이기적인 선택을 하는 개인을 중심에 둠에 따라 몇 가지 모델들이 만들어지고 있기는 하다 - 그가 말한 이상적인 세계, 갤럭시아가 과연 가능할 것인가, 여기에 더하여 이런 생각으로 마무리 된다 : 우리 인간이 살 수 있는 행성이 우리가 지금 발을 딛고 있는 이 지구, 외에도 또 존재할까? 라는, 인류의 숙원과도 같은 그런 생각말이다. 그러나 이런 생각부터 먼저 가지기에는 우리의 과학 기술 수준이 너무 낮은 것도 사실이다. 따라서 우리는 '우리 인간이 살 수 있는 행성'을 찾기 보다는 '어떤 생물이든 일단 살고 있는 행성' 을 찾는 작업부터 시작하게 된다. 그렇지 않다면 '혹시나 외계에 지성체가 살고 있는가' 라는 질문에서 시작하거나 말이다. 전자는 요즘 많이 뜨고 있는 우주생물학에서 담당하고 있고, 후자는 세티SETI계획을 포함한다.
먼저 전자의 경우를 보자. 사실 우주생물학자들은 직접적으로 우주에 나가서 실험을 하기 어렵기 때문에, 보통 우주와 다름없는 극한 환경에서 조사를 하는 경우가 많다. 예를 들어 심해라던가, 혹은 펄펄끓는 용암지대같은 곳 말이다. 그렇게 생물이 어디까지 살 수 있는지, 그리고 어떻게 살 수 있는지를 조사하고, 천문학의 영역과 합쳐 이런 환경적 요인을 고려하여 생물이 생존할 수 있는 별들을 조사한다. 그런데 이 부분에서 우리는 이런 질문을 던질 수도 있을 것이다. 지구는 이미 '생명이 존재하는 행성이다.' 부연하자면, 현재 지구에서 존재하는 생명체들은 이미 '생명이 존재할 수 있는' 환경을 밟아온 것이다. 그러나 외계의 행성은 다르다. 그 행성들은 '생명이 존재할 수 없는 환경일 가능성이 높'은 곳들이다. 벌써 생명이 존재하고 있는 환경에 적응한 생물체들의 예를 조사한다고 해서 우리가 우주공간에 대하여 무엇을 알 수 있겠는가? 하지만 이런 회의적인 태도에는 예를 하나 들면 좋을 것이다. 이 지구에는 곰벌레Water bear라는 벌레가 존재하는데, 완보동물문에 속한다. 완보, 그러니까 천천히 걷는 이 동물들은 지구상 어디에나 존재한다고 보아도 무방한데, 과학자들은 그들의 강인한 생명력에 주목한다. 섭씨 -272도에서 생존을 했다던가, 진공상태에서 살아남았다던가. 바퀴벌레는 명함도 못내미는 강력한 생존력이다. 심지어 우주공간에서도 태양광선을 그대로 흡수하여 DNA구조가 파괴되었지만 그걸 수복한 개체도 있다고 하니, 대기의 보호를 받는 이 지구상에도 이런 동물이 있는데 설마 우주공간에 이보다 더한 녀석이 없겠는가, 라고 상상의 날개를 펼쳐봄직하다.
저렇게 버티는 것이 장기인 생물이 있다면, 작은보호탑해파리와 같은 극단적인 생명력을 가진 개체도 있다. 작은보호탑해파리에 대하여 처음 들어보는 사람들이 있을 것이다. 이 해파리는 소위 '불멸의 생' 을 가진다고 알려져있는데, 다음과 같은 생의 순환을 겪는다. 먹이가 없거나, 수명을 다하게 되면 자신의 몸을 뒤집어 세포 덩어리로 돌아가며, 그렇게 생성된 세포는 폴립을 형성하고 이윽고 어린 개체로 돌아간다. 그러면 그 어린 개체는 다시 자라서 성체가 되고, 이 성체는 다시 어린 개체로 돌아가며, 이런 생을 무한히 반복한다(고 여겨진다). 따라서 영생을 하는 것이다. 분명 후비안(닥터 후, 를 즐겨보는 팬층)들이라면 닥터의 재생성을 떠올릴 것이다. 젠장, 개인적으로는 10대 닥터가 가장 좋았다. 아니, 이야기가 다른 곳으로 새었다. 하나만 더, 닥터의 재생성은 닥터 본인이 무슨 상태라도 가능하지만 저 해파리는 외적인 요소에 의한 죽음을 저런 식으로 회피하지는 못한다. 그래도 외부적인 요인이 존재하지 않는다면 아마도 저렇게 계속 살아가리라.
저렇게 극단적인 생명력을 가진 생물을 본다면 우주공간에도 어쩌면 살아가는 존재가 있을지 모른다는 희망적인 느낌이 든다. 칼 세이건은 일찍이 목성에서 살아가는 마치 해파리같은 부유하는 생명체를 상상한 적이 있다. 거기에 대한 내용이 왼쪽의 코스모스에 한 장을 차지하는데, 은근히 그럴듯하다. 물론 목성은 상식적으로 생물체가 살아가기에는 매우 힘든 환경이다. 하지만 상상력은 끝이 없는 법, 칼 세이건은 목성의 폭풍을 헤치고, 마땅히 내려앉을 땅도 없는 그 대기를 타며 포식자와 피식자가 아웅다웅 살아가는 모습을 잘 그려놓았다. 여기서 그치지 않는다. 칼 세이건은 적어도 2005년까지는 거의 관심을 못받았던 엔셀라두스 - 토성의 위성 - 에 관심을 기울였던 사람이기도 하다. 오른쪽의 도서 창백한 푸른 점, 은 그의 역작 중 하나인데, 이 책에서 그는 엔셀라두스에 대하여 '최근의 얼음이 녹은 것에 주목' 하라고 이야기한다. 보통 지구를 제외한 행성이나 위성은 자신을 보호해주는 대기가 약하거나 없어서 크레이터가 많이 생긴다. 하지만 엔셀라두스에서는 그런 모습이 보이지 않았다. 얼음이 녹아서 그 흔적을 지운 것이리라. 그런데 얼음이 왜 녹았을까? 안에서 무엇이 분출되어서 얼음을 녹인것은 아닐까? 그리고 2005년 카시니호가 접근하면서 엔셀라두스의 남극에서 수증기가 분출되는 것을 확인하였고 최근 연구로 바다가 존재하리라고 생각된다.
그러나 아무래도 우리 태양계에서 가장 생명이 존재할만한 가능성이 높은 위성은 브라이언 콕스, 에 따르면 목성의 에우로파이다. 그의 2010년 TED강연을 링크하겠다. 자막은 영어밖에 없다..
http://youtu.be/HdwOlk6HIVc
한국어 자막이 있는 영상이 분명 있으니 찾아서 보아도 좋다. 영어가 되시는 분은 그대로 보시면 된다. 여하튼 브라이언 콕스의 요지는 과학 탐험에 드는 예산을 아끼지 말자, 정도로 요약할 수 있겠지만, 중간에 에우로파와 엔셀라두스에 대하여 잠깐 설명을 한다. 엔셀라두스에 대해서는 위 문단에서 잠깐 이야기했고, 에우로파에 대해서 콕스가 하는 말을 요약하자면 다음과 같다. 봐라, 목성의 자기장과 에우로파가 분명 서로 영향을 주고 받을텐데, 그것을 감안하여 에우로파의 얼음의 움직임을 살펴본다면, 분명 그 얼음은 밑에 유동하는 액체 위에 떠있을 수 밖에 없다, 라는 것이다. 좀 더 직관적으로 이야기하자면 에우로파 행성 자체가 물로 이뤄진 행성이라는 말이다. 물, 모든 생명의 근원인 물로 이루어져있다면 당연히 생명도 있지 않을까. 하지만 어디까지나 추측에 지나지 않는다.
그럼 태양계 밖에는 생명이 없을까. 앞서 전자와 후자를 이야기했었는데 이번엔 후자다. 그러니까 외계에는 지성체가 없을까? 최근 연구결과에 하나의 항성이 물망에 올랐다. 그 항성의 이름은 글리제 581이다. 적색왜성이며 지구로부터 20광년가까이 떨어진 - 광년은 모두가 알다시피 빛이 1년동안 간 거리다 - 이 항성이 도대체 왜 물망에 오른 것일까? 그것은 이 항성의 주위를 공전하는 행성들 중 생물이 있으리라고 여겨지는 영역, 생물권에 속해있는 행성이 있기 때문이다. 천문학에서 생물권, 이라고 하는 용어 생명체 거주가능 영역이며, '지구상의 생명체가 거주 가능한' 곳이다. 아마 천문학에 관심이 있는 사람들이라면 골디락스 존, 이라는 이야기를 들어본 적이 있을 것이다. 그 골디락스 존이 바로 생물권이다. 이는 골디락스와 세 마리 곰에 관련된 우화에서 가져온 용어인데, 그 내용은 다음과 같다.
골디락스라는 소녀가 어느 집에 들어갔는데 의자가 셋 있었다. 첫 번째 의자는 너무 컷고 두 번째 의자는 너무 작았다. 세 번째 의자가 자신의 몸에 꼭 맞아서 앉아서 푹 쉴수 있었다. 그리고 식탁 위에는 죽이 있었는데, 첫 번째 죽은 너무 뜨거웠고 두 번째 죽은 너무 차가웠다. 마지막 죽의 온도가 그나마 적당하였다. 의자에 앉아 쉬고, 죽까지 먹은 골디락스는 졸리기 시작한다. 그래서 방을 돌아봤는데 침대가 셋 있었다. 첫번째 침대는... 두번째는... 그렇다. 똑같이 반복하여 가장 적당한 침대를 찾아 쉬었다. 사실 저 집, 그러니까 소녀가 쉬던 집은 곰 세마리의 집이었다. 너무 큰 의자는 아빠곰, 너무 작은 것은 새끼곰, 중간 정도는 어미곰의 것이었는데, 곰 세마리가 집에 돌아와보니 너무 어이가 없었으리라. 이상한 녀석이 자신들 죽도 다먹고 침대서 자고 있으니. 그래서 아기곰이 깨우니 골디락스는 그야말로 당황하여 후다닥 도망쳐버린다.
남의 집에서 민폐를 끼친 소녀의 개념을 탓하기 전에, 우리는 저 '적당' 이라는 말에 주목해야 한다. 우리 지구가 만약에 지금 위치에서 조금만 더 태양과 가까웠다면? 아니면 조금만 더 태양과 멀었다면? 과연 우리가 지금 이렇게 키보드, 혹은 휴대전화기로 이 글을 보고 있을 수 있었을까? 이런 적당한, 부연하자면 지구와 비슷한 환경을 가진 소위 말하는 골디락스 행성계, 를 찾기 위하여 수많은 관측과 계산이 이루어졌고, 그 결실이 바로 위에 말하는 글리제 581이다. 물론 글리제 581 항성계에 속하는 행성만 후보에 있었던 것은 아니지만, 결과적으로 살아남은 항성계는 글리제 581이다. 이 항성계에는 e,b,c,g,d,f로 명명된 행성이 있는데, 이중 581d가 우리 지구와 비슷하리라고 여겨지고 있다. 연구결과로는 c까지 포함시키고 있으나, 여기는 너무 온실효과가 강하지 않을까, 추측되고 있다.
하지만 말이다. 여기서 다시 골디락스 우화로 돌아가보자. 내가 괜히 저렇게 우화를 길게 이야기한 것이 아니다. 결과적으로 골디락스가 들른 집은 곰의 집이었고, 곰의 집에서 운좋게 후다닥 도망쳐나오기는 했지만, 어쨌든 골디락스가 본인이 살 수가 있던 집은 아니었다. 이게 무엇을 의미하냐고? 최근의 (올해 7월이다) 연구결과를 추가하자면, 골디락스 행성이라고 여겨진 d는 애초에 존재하지 않는 행성이라고 한다. d뿐만이 아니다. g도, f도 모두 존재하지 않는 광학적인 현상에 지나지 않았다. 결국 글리제 항성계는 다시 원점으로 돌아가, c에 모든 것을 걸 수 밖에 없는 신세가 되고 말았다. 골디락스가 자신의 집이 아닌 곰의 집에서 후다닥 도망쳐버린 것 처럼.
어찌되었든, c는 가짜 행성이 아니니 다행이다. 그러나 이 행성이 실제로 생명을 품고 있다고 할지라도, 우리는 저기까지 갈 수가 없다. 도대체 무슨 방법으로 갈 수 있겠는가? 광속으로 여행할 수 있는 우주선이 있다고 하더라도 20년이나 걸릴텐데. 젠장, 20년이라니. 이를 단축시킬 수 있는 방법은 영영 없는 것일까? 특수상대성이론에 따르면 어떠한 것도 빛보다 빨리 운동할 수 없다고 한다. 물론 냉동인간처럼 생명을 보존하는 방법도 있을 것이다. 하지만 그런 수단을 쓰게 된다면 우리는 지구에 남겨둔 가족과는 단절되고 말리라. 그렇다면 우리는 어떤 수단을 쓸 수 있을까? 여기서 편법이 있다. 빨리 달리는 것에 한계가 있다면 달리는 거리를 줄여버리면 되지 않겠는가? 아인슈타인의 이론은 정말 훌륭한 이론인데, 특히나 훌륭한 점들 중 하나가 바로 시간과 공간을 하나로 합쳐, 시공간으로 생각하게 만들었다는 점이다. 시간이 조건에 안맞아? 공간을 조건에 맞추면 되리라. 이런 생각에서 나온 것이 바로 아인슈타인-로젠 다리, 웜홀이다.
웜홀에 대하여 알아보기 전에, 블랙홀에 대하여 몇 마디 이야기하는 것이 좋을 듯 하다. 사실 자세한 설명은 레너드 서스킨드, 가 쓴 블랙홀 전쟁을 읽어보면 나와있겠지만, 그렇다고 해서 여기다가 '저 책 읽어봐' 라고만 덩그러니 써놓을 수는 없는 노릇이다. 특히 홀로그래피 이론이 나오는 부분부터 점차 머리가 아파올 것이다. 따라서 이 글에서는 블랙홀의 종류와 구조에 대해서만 간단히 이야기해볼 생각이다. 사실 블랙홀을 생각할때 우리는 시공간의 구멍, 을 주로 이미지한다. 그런데 블랙홀은 이름이 저렇게 붙어있기는 하지만 분명 천체이기는 하다. 극단적인 예로, 저 책에 나오는 일화이기는 하지만, 우리 지구가 갑자기 블랙홀이 되어버린다고 해도, 껍데기만 잘 씌워놓으면, 그러니까 지각만 지금 지구 형태로 잘 보존되어있다면 우리는 살아가는데 큰 지장이 없을 것이다. 응? 블랙홀은 모든 것을 빨아들이는 그런 것 아닌가? 분명 모든 것을 빨아들인다. 하지만 빨아들이려면 블랙홀의 근처에 있어야 한다. 생각해보면 당연한 것이다. 만약 블랙홀이 진공청소기같이 빨아들인다면, 우리 지구는 이미 블랙홀에 빨려들어가고 있으리라. 하지만 그렇지는 않다. 블랙홀의 구조는 블랙홀 본체인 특이점, 그리고 특이점 주변의 사건의 지평선, '자전'하는 블랙홀의 힘이 미치는 영역인 작용권, 그리고 특이점에 접해있는 강착원반, 그러니까 빨려들어가는 물질들로 구성된 둥근 소용돌이형태로 구성된다. 다음 영상을 보라.
http://youtu.be/Y6Iv07NZ4QI
그렇다, 인터스텔라에서 나오는 블랙홀이다. 고백하자면 이 글의 반은 인터스텔라때문에 쓰여진 글이긴 하다. 그러나 내가 아직 인터스텔라를 안봤다는 사실... 큼큼, 여튼 다시 블랙홀로 돌아가서, 아마 가장 최근 연구결과로 시각화된 모습이니 가장 실제와 비슷하지 않을까, 그렇게 생각한다. 다시 본론으로 돌아가서, 그런데 블랙홀이라고 해서 다 같은 블랙홀은 아니다. 아까 말했던 구조 중 작용권의 경우에는 블랙홀이 회전하고 있는 경우에 생긴다. 회전하는 블랙홀이 있다면 회전하지 않는 블랙홀도 있을 것이다. 이를 구분할때 블랙홀의 무모정리 - 무모, 대머리라는 뜻이다 - 라고 불리는 것을 이용하는데, 저렇게 적어두니까 뭔가 있어보이지만 말 그대로 블랙홀은 다른 블랙홀과 구분하지 못한다는 의미이다. 마치 대머리를 다른 대머리로 구분하지 못하는 것 처럼. 단, 몇 가지 조건을 제외한다면 말이다.
그 조건 중 첫 번째는 회전 유무이다. 회전하는 블랙홀도 있을테고, 회전하지 않는 블랙홀도 있을 것이다. 이를 각운동량으로 파악한다. 두 번째 조건은 전하다. 전하를 띄는가? 세 번째 조건은 질량이다. 얼마나 무거운가? 이 세 가지 조건을 제외하면 블랙홀의 무모정리에 의하여 한 블랙홀은 다른 블랙홀과 구분될만한 특징이 없고, 저 조건들은 한 블랙홀에 여러 개가 같이 있어도 괜찮다. 자주 나오는 블랙홀이 커 블랙홀인데, 위의 인터스텔라의 블랙홀도 시각화된 영상으로 미루어 짐작하건데 커 블랙홀로 판단된다. 커 블랙홀은 질량을 가지고 돌고 있는 블랙홀이다. 이 정도만 이름을 기억해두면 좋을 것 같다.
그런데 왜 웜홀에 대하여 이야기하기 전에 블랙홀에 대하여 이야기를 꺼냈을까? 그것은 많은 사람들이 블랙홀을 웜홀의 입구로 생각하는 경향이 많기 때문이다. 분명 한때는 블랙홀이 웜홀의 입구였었던 때도 있지만, 사실 반드시 그런 것은 아니다. 아직까지도 블랙홀과 이에 대비되는 화이트홀에 대한 이야기들이 많이 퍼져있는데, 현재 블랙홀의 반대쌍으로서의 화이트홀은 부정된 상태다. 당초에 화이트홀의 존재의의가 블랙홀이 물질을 빨아들였을테니, 이 물질이 어딘가에 분명 나오기는 하여야 하지 않나, 라는 생각에서 생긴 것이었다. 그런데 우리의 스티븐 호킹에 따르면 블랙홀은 물질을 스스로 뱉어낼수가 있다고 한다. 바로 호킹 복사에 의해서 말이다. 그렇다면 블랙홀만 있다면 굳이 화이트홀을 끌고 올 필요가 없게 되리라. 그런데 이게 무슨 말인지 의아할 것이다. 갑자기 왜 뜬금없이 호킹 복사가 나오지? 라고. 호킹 복사는 블랙홀이 증발해가는 과정이라고 이해하면 될 것이다. 이 세상의 모든 것은 죽음을 맞이한다. 블랙홀이라고 예외가 될 수는 없다. 사실 생각같아서는 블랙홀은 안죽을 것 같다. 배고프면 주변 물질을 먹으면 될 것 아닌가? 하지만 그게 그렇지가 않아서, 블랙홀에서도 열역학적 법칙들이 적용되고 (심지어 블랙홀의 엔트로피가 그 자신의 사건의 지평선에 비례한다는 것까지 알려져있다 - 여기에 대해서는 또 긴 이야기가 필요할테니 위의 블랙홀 전쟁, 을 읽어보라고 권하는 게 나을 듯 하다.) 상대성 이론과 양자 역학 이론을 모두 적용시키면 이윽고 증발할 수도 있다는 결론이 나왔다.
증발하는 메커니즘은 다음과 같다. 우리는 진공을 아무것도 없는 무의 세계라고 생각하지만 실제로 진공은 매우 들끓는 에너지를 가진 곳이다. 이 진공 상에서 입자와 그에 반대되는 반입자 쌍이 생긴다. 순간적으로 생긴 반입자는 블랙홀의 강한 중력에 이끌려 블랙홀에 빠지게 되는데, 생각해보라. 블랙홀은 입자로 이루어져있지 않겠는가? 그런 입자와 반입자가 부딪힌다면 당연히 쌍소멸이 일어날 것이고, 입자 하나만큼 블랙홀의 질량은 줄어들 것이다. 이게 바로 호킹 복사다. 이 사건이 운좋게 사건의 지평선 근처에서 생겨났다면 저런 일이 분명 생길 수도 있을 것이다. 그런데 사건의 지평선 너머를 살펴보자. 사건의 지평선 너머로 입자는 빠져나가는 것 처럼 보인다. 따라서 우리가 밖에서 볼때는 입자 하나가 블랙홀의 중력에서 탈출해서 나오는 것 처럼 보일 것이다. 결과적으로는 그렇게 보이겠지만 실제로는 전혀 다른 과정을 밟았는데도 말이다. 다만 여기서 블랙홀 정보 역설이 생긴다. 블랙홀에게서 나오는 (것 처럼 보이는) 저 입자는 블랙홀에서 실제 나온것이 아니기 때문에 블랙홀 내부에 대하여 아무런 정보를 주지 않는다. 블랙홀안에 빨려들어간 물질의 정보는? 모른다. 그럼 그 정보는 그대로 소실될까? 여기에 대해서 논란이 분분하다. 현재 경향으로는 아마 정보가 그대로 보존되리라고 보는 견해가 우세하다.
여하튼 결과적으로 블랙홀의 반대로써의 화이트홀은 존재하지 않으리라고 보는 견해가 우세하다. 그런데 블랙홀의 반대가 아니라면 존재할 수도 있을지도 모른다. 물리학적인 상상력을 발휘한다면 태초의 빅뱅도 화이트홀의 한 형태라고 할 수도 있고, 또 다중우주도 화이트홀과 관계가 있다. 블랙홀 너머는 사실 누구도 모르기 때문에 (사건의 지평선 자체가 이미 '탈출할 수 없는 사상들, 어려운 말로 사상이지만 그냥 사건들이라고 생각해두라, 의 집합으로 정의될 수 있다) 그 너머로는 상상의 나래를 펼칠 수 있다. 자, 블랙홀로 당신에 빨려들어갔다. 그런데 왠걸, 이 블랙홀 너머에 새로운 세상이 있는거다. 당신은 당신의 우주, 모우주, 에서 자식우주로 넘어갔으며 자식 우주의 입장에서는 이 블랙홀이 화이트홀로 보일 수 있을 것이다. 하지만 어느 쪽이든 우리가 원하는 목적 - 웜홀을 통한 현재 우주에서의 거리 단축 - 과 거리가 있다.
그런데 이런 블랙홀이 실제로 있기는 있는 걸까? 사실 의문을 많이들 가질 수도 있을 것 같다. 결론부터 말하자면 있(을 가능성이 매우 높)다. 실제적으로 관측을 통하여 백조자리 X-1이라던가, 은하 내부의 초거대질량블랙홀과 같은 천체를 높은 신뢰도 수준으로 확인하였다. 은하 내부의 별의 움직임은 중심에 이와 같은 천체가 없으면 도저히 설명이 안된다. 물론 끝까지 눈에 보이지 않잖아, 어디있어? 거짓말 하지마, 라고 한다면 뭐라고 할 말이 없기는 없다. 사실 과학에서의 이론, 은 늘 이런 부분이 있을 수 밖에 없으나, 그렇다고 해서 이론이 신뢰성이 없다는 것이 아니다. 기본적으로 과학은 우리 인간이 이 자연을 자연에 있는 것들만으로 충분히 설명하고 구성할 수 있다는 것으로부터 시작한다. 이를 방법론적 자연주의, 라고 부른다. 그리고 이 블랙홀은 충분히 그동안 수많은 검증을 거쳐 탄탄한 기반을 가진 일반상대성이론으로부터 귀결될 수 있는 내용이다. 따라서 있다고 믿어도 좋을 것이다.
일반상대성이론은 블랙홀의 존재를 예견한다. 보통 일반상대성이론에서의 가장 중요한 원리는 등가원리이다. 중력의 영향과 가속도의 영향은 구분할 수 없다는 원리인데 (사실 더 기초적인 것은 관성질량과 중력질량은 구분할 수 없다, 라는 명제이지만) 직관적인 예를 들어보자. 우리가 우주선을 타고 날아가고 있다. 창밖에는 길다란 줄이 (그래, 우주공간에 빳빳한 줄이 떠있다) 있다. 그렇다면 날아가는 우주선 안에 탄 우리의 눈에 저 줄은 어떻게 보일까? 우주선은 수직으로 움직이고 줄은 수평이다. 그렇다면 우리 눈에는 줄은 휘어보이지 않을까? 이번에는 정지한 우주선에서 저 줄을 본다고 가정해보자. 그런데 여전히 우리 눈에 줄이 휘어보인다. 응? 하고 아래를 쳐다봤더니 아래에 커다란 행성이 있어 줄을 중력으로 끌어당긴다. (물론 우리가 탄 것은 최첨단이라 중력의 영향을 안받는다) 결과적으로 어느 쪽이든 줄은 우리 눈에 휘어보이고, 이렇게 휘어보인다면 굳이 우주선이 움직이는 것이나, 거대한 질량을 가진 물체의 인력때문에 움직이는 것이나 구분할 필요가 있겠는가? 아니, 구분할 수가 있겠는가?
저 줄을 빛이라고 생각해보자. 빛은 항상 직진, 최단거리로 향한다. 그런데 이 빛이 휘어보인다. 그렇다면 우리는 빛이 다니는 길이 휘었다는 생각도 해볼 수 있을 것이다. 강한 질량을 가진 물체가 주위 시공간을 모두 휘어지게 만들었다. 따라서 빛이 그 휘어진 공간을 따라서 가느라 휘어보인다. 얼마나 깔끔한 이야기인가. 그렇다면 이 생각을 계속 발전시킨다면 이윽고 그 빛조차 빠져나가지 못하는 우그러진 공간을 떠올릴 수 있을 것이다. 그것이 바로 블랙홀이다.
블랙홀에 대한 이야기는 이정도로 하고, 다시 웜홀로 돌아가는 이 지점에 킵 손이 나선다. 왼쪽의 블랙홀과 시간 굴절은 그의 책인데 매우 흥미롭다. (아마 많은 사람이 스티븐 호킹의 시간의 역사, 에서 프라이빗 아이와 펜트하우스를 건 내기를 한 사람으로 기억하리라.) 저 책을 읽은지 3년이 넘은지라 사실 세세한 내용이 기억나지는 않지만, 저 책에는 이런 내용이 나왔던 것으로 기억한다. 킵 손이 연구원일때 원자의 가속에 대하여 연구를 진행하다가 새로운 사실을 발견해내고는 그것을 검증받기 위해서 러시아의 (구 소련) 어느 과학자를 찾아가고, 또 미국의 어느 과학자를 찾아갔는데, 둘 다 한결같이 그건 이미 알고 있는 사실이라고만 답할 뿐이었다. 나중에야 킵 손은 이미 원자폭탄을 개발하는 당시에 그런 연구들이 모두 이루어졌었겠구나, 라고 납득하게 된다. 결국 냉전 시기에 핵물리학의 발전이 상당히 많이 일어난 셈이다. 물론 전쟁은 당연히 좋지 않은 일이지만, 그럼에도 불구하고 군비경쟁만큼이나 과학 기술의 발전을 가져오는 경우는 그렇게 많지 않은 것이 냉혹한 현실이기도 하다. 어쨌든 이 킵 손은 중력 이론에 대하여 연구를 진행하는데, 결과적으로 그는 음의 질량을 가지는 엑조틱 물질이 존재한다면 블랙홀이 입구가 아니더라도 충분히 공간과 공간 사이를 연결하는 웜홀을 만들 수 있다는 이론을 제시한다. 그리고 저 책을 쓸 당시까지는 웜홀에 대하여 연구를 계속하고 있었다.
그러고보면 현대 중력이론에 영향을 미친 몇 몇 대가들을 비교하면서 이야기한 부분을 빼놓을 수가 없다. 존 휠러와 시아마, 오펜하이머를 비교했는데, 킵 손의 말에 따르면 각각의 스타일이 모두 다르다고 한다. 내 기억으로는 시아마 - 스티븐 호킹의 스승 - 가 상당히 따뜻한 스타일로 가르쳤다고 말했던 것 같은데 자세히 떠오르지는 않는다. 그러나 가장 중요한 부분은 아마 저 책의 마지막이리라. 마지막에 이런 부분이 나온다. 우리 우주는 웜홀과 같은 것이 생성하도록 쉽게 허용하지 않노라고. 좀 더 자세하게 말하자면, 웜홀은 너무 불안정하고, 그 불안정한 와중에도 겨우 웜홀을 생성하는데 성공하더라도 파동의 붕괴가 일어나 과거로든, 미래로든 어느 쪽으로든 물질의 이동을 막는다, 라는 내용이었던 것 같다. 사실 이렇게 웜홀 연구에 커리어를 바쳐온 사람도 이런 이야기를 하는데, 과연 웜홀이라는 것이 실제로 상용화될수는 있을까?
어쩌면 입자 하나 정도 만큼 작은 세계에서는 웜홀이 허용될지도 모른다. 왼쪽의 책에 따르면 양자 세계로 들어가게 되면 끊임없이 거품처럼 부글부글 끓는다고 한다. 겉으로는 평평하게 보이는 곳이라도 실제로는 매우 역동적인 모습을 취하고 있는 것이다. 괜히 우주적 거품이라고 부르는 것이 아니다. 이 공간에서는 순간적으로 이곳과 저곳을 잇는 다리가 존재할 수 있고, 그 다리는 한 입자와 다른 입자를 이어줄 수 있다. 이를 두고 양자에서의 얽힘, 으로도 해석이 가능할지도 모른다, 라는 이론도 나와있기는 하다. (아마 얽힘에 대해서는 많이들 알려져 있겠지만, 여기서 조금 설명하자면, 두 입자가 얽힘 상태에 놓여있는 경우 이들 입자를 아무리 멀리 떨어뜨려놓아도 마치 정보를 주고 받는 것 처럼 보이는 모습을 나타낼 수 있다. 내가 여기서 관측한 입자가 왼쪽으로 돈다면, 멀리 떨어져 있는 저 입자는 오른쪽으로 돌 것이다, 라는 것을 알 수 있다는 이야기이다. 얼핏 들어서 무슨 말인지 모르겠다면 명확하게 이 문장을 이해한 것이다. 이렇게 종종 양자 역학은 거시세계와는 다른 모습의 행동양식을 보여주는 경우가 많다. 주의해야 할 점은 이런 얽힘 상태에 있다고 실제로 정보를 빛보다 빠르게 교환하는 것은 아니라는 점이다. 이를 두고 아인슈타인은 그 유명한 EPR논문을 썼고, 이 논쟁을 통하여 양자역학과 국소성, 실재에 관한 이해가 깊어졌다.) 그렇다면 웜홀연구는 국소성과 비국소성 실재론과도 연결되어 있는 셈이 되고, 더 진척되어 가시적인 결과를 낸다면 기존의 양자 역학의 패러다임을 뒤흔들 가능성을 내포하고 있는 것이 된다.
사실 이 글은 우리가 사는 이 지구 외에 다른 곳에 생물체가 존재할 수 있을까, 그리고 그 생물체에 도달할 수 있을까, 에 대한 내용이었는데, 어느 순간 양자역학으로 넘어와버렸다. 뭐, 사실 이게 당연하다면 당연할 수 밖에 없다. 요즘이야 과학이 극도로 전문화되었지만 실제로 현실을 기술하는 과학이라는 것은 이 분야 저 분야가 모두 연결되어있어야만 한다고 나는 믿는다. 그렇기에 학제적 교류가 많이 일어나야만 하리라. 당장 이 부끄러운 글만 하더라도 생물학, 천문학, 물리학으로 연결되지 않는가. 그래서 이왕 여기 저기서 잡다한 지식을 끌어왔으니 이 글의 마무리는 다시 원점으로 돌아가서 생물학으로 끝내보도록 하겠다. (사실 내 전공이 생물과 관련있기도 하다.)
루돌프 쇤하이머, 라는 학자가 있다. 아마 생물과 무생물 사이, 라는 왼쪽의 책을 읽은 사람이라면 이름을 들어봤을텐데, 이 학자는 생물에 대하여 새로운 시각을 만드는데 일조했고, 저 책을 쓴 후쿠오카 신이치는 그 시각을 통하여 동적 평형이라는 개념을 만들었다. 동적 평형이라는 것이 무엇인가? 후쿠오카 신이치는 하나의 이미지를 제시한다. 모래사장에 모래들을 떠올려보라. 파도에 의하여 수많은 모래들이 씻겨가지만 동시에 쌓이기도 한다. 결과적으로 모래사장은 없어지지 않고 그대로 유지가 된다. 인간의 몸도 마찬가지라서, 쇤하이머의 연구에 따르면 우리가 먹은 음식은 모조리 분해되서 우리 몸 모든 곳에 머물렀다가 빠져나간다. 그 빠져나가는 것과 우리 몸을 이루는 것 사이의 균형을 동적 평형이라고 부른 것이다. 그런데 여기서 의문이 생긴다. 저렇게 빠져나가버리면 우리 몸이 금방이라도 무너지는 것은 아닐까? 그런데 그게 그렇지가 않다. 여기서 직소 퍼즐 이야기를 하는데, 직소 퍼즐은 한 조각을 잃어버려도 주변만 유지되면 다시 복구할 수 있다. 생명도 마찬가지이다. 교환이 일어나는 순간 그 주변은 보존되며, 그런 일들이 순차적으로 일어나 생명은 그 모습을 유지한다. 그리고 이것이 바로 생명의 특이한 점이라고 저자는 주장한다. 실제로 연구를 하다보면 생명이라는 것은 정말 특이한 경우가 많다. 분명 이론적으로는 그럴듯한데 실제로는 그렇지 않은 경우가 비일비재하다. 그런데 말이다. 이런 복잡성이야말로 생명의 강점이다. 만약에 우리 생물이 단순하게 무언가를 넣으면 똑같은 결과가 나오는 그런 패턴이라면 진즉에 멸망했었을런지도 모른다. 그런데 이는 우주공간에서도 그대로 적용되리라. 나는 여기서 더 나아가서, 우주에 있는 다른 생명체들이 있다면 그들도 분명 이런 평형을 따르리라고 본다. 아니, 이런 평형이 있어야만 그 거친 우주공간에서 살아남을 수 있을 것이다. 분명 그들도 나름의 진화를 거쳐 자신들만의 생체 복잡성을 형성하고, 그렇게 삶을 살아가고 있을 것이다. 때때로 의식이 있는 생명체는 밤하늘을 쳐다보면서 이런 말도 하리라.
"우리 말고 다른 생명체들이 있다면, 그들은 모두 어디 있지?"
엔리코 페르미
p.s. 과학 독서 모임을 만들겠다고 해놓고 과학에 대한 포스팅이 별로 없기에..