우주의 96퍼센트가 행방불명이다
(사진은 Daum의 '광우의 문화읽기'에서 볼 수 있습니다.)
표지판에 ‘제주 보리 막걸리’라고 쓴 게 보이죠?
(우린 우리가 어디서 왔을까 하고 의문을 품게 됩니다. 먼저 조상님을 생각하겠지요. 그럼 조상님들은 어디서 왔을까 하는 의문이 생깁니다. 침팬지와 비슷한 인류의 조상을 생각하겠지요. 그들은 어디서 왔을까?
얼마 전 EBS 텔레비전에서 소개한 프로그램에는 인류의 조상을 쥐로 묘사하고 쥐는 물고기 뭍에서 나온 결과로 묘사했습니다. 과학자들이 인체에 투여할 약물을 먼저 쥐에게 실험하고 있지 않습니까? 유전적으로 아주 많은 부분들이 쥐와 인간이 일치하기 때문입니다. 여기서부터 우리는 우리가 어디서 왔느냐고 묻기보다는 생명이 어디서 왔을까 하는 의문을 갖게 됩니다. 큰 물고기들 틈에 잡혀먹으니까 작은 물고기가 뭍으로 나와 쥐가 되었습니다. 뭍에는 공룡 외에 큰 동물들이 살고 있어 쥐는 잡혀 먹히지 않기 위해 밤에만 활동했습니다. 그래서 시력이 발달하고 청각이 발달하게 되었습니다. 공룡이 멸종되고 쥐는 낮에도 활동할 수 있게 되었습니다.
그럼 물고기는 어디서 왔을까? 물속에서 번식한 박테리아를 떠올리게 됩니다. 박테리아는 어디서 왔을까? 모든 생명현상을 관장하는 단백질의 기본구성 단위인 아미노산amino acid에서 왔습니다. 우리가 어디서 왔을까 하는 의문은 결국 아미노산이 어떻게 생성되었느냐 하는 문제로 집약됩니다. 지구 자체에서 생성되었을까? 아니면 외계에서 온 걸까? 호주에 떨어진 외계의 암석에서 아미노산이 발견되어 인간이 외계에서 왔다는 유머가 퍼졌습니다. 그러나 생명의 기원을 푸는 아미노산이 어떻게 생성되었는지 아직 밝혀지지 않고 있습니다.
따라서 인간의 기원은 생명의 기원을 말하는 것이며, 동시에 우주의 기원을 말하는 것입니다. 제가 세 가지를 같은 의미로 반복해 사용한 건 그 때문입니다. “그렇담 너무 복잡해서 우리가 어디서 왔는지 궁금해 하지 않겠어” 하고 생각하는 분이 있다면, 그분은 더 이상 아래의 글을 읽을 필요가 없습니다. 그러나 “복잡하지만 어디 과학자들이 그 문제를 어떻게 푸는지 알아야겠어” 하고 생각하는 분은 좀더 여러 편의 글을 읽어야 합니다.
이쯤되면 진화론 따위는 접어두는 겁니다. 진화론은 생명이 존속하기 어떻게 다르게 변해왔는지에 관한 이론입니다. 그러나 생명의 기원은 진화론이 시작되기 훨씬 이전의 어떻게 생겼느냐 하는 문제입니다.)
지난번 글 ‘우리는 천조분의 일에 해당하는 복권에 당첨되었다’에서 빅뱅이 일어날 때 하나의 점에서 나온 유픽셀들이 38만 년 뒤 수소와 헬륨, 빛으로 변형되었다 한 것 기억하십니까? 현재 우리가 살고 있는 세계에는 수소와 헬륨보다 더 복잡한 화학원소들이 있습니다. 최초의 별들이 형성된 때 수소가 형성되었고, 약 7,500만 년 이후에 질소 같은 몇몇 원소들이 만들어진 것으로 과학자들이 추정합니다.
우주에 굉음을 내며 폭발한 빅뱅이 만든 최초의 별들의 크기는 엄청났답니다. 그 크기가 무려 우리 태양보다 1천 배나 됩니다. 현재 우리가 보는 수십억 년 된 별들과는 달리 최초의 별들은 단 몇 백만 년 동안만 존재했습니다. 이런 별들에서 거대한 열과 압력을 일으키는 핵융합으로 인해 화학원소들이 만들어진 것입니다. 최초의 별들은 거대한 폭발과 함께 탄소, 규소, 산소 같은 화학원소로 된 초신성supernovae[엄청난 에너지를 방출하는 폭발하는 별]이라는 별 먼지로 흩어지며 생을 마감했습니다.
화학원소들이 추가로 생성되면서 우주는 더욱 더 복잡해졌습니다. 말하자면 유픽셀들이 보다 복잡한 실체로 진화한 것입니다. 새로운 별들이 형성되면서 더욱 무거운 원자들이 만들어졌을 뿐만 아니라 원자들이 결합해 물과 같은 분자를 형성하기도 했습니다.
더욱 복잡한 실체들이 형성되는 걸 이해하면 우리의 기원 혹은 생명의 기원을 이해하는 데 도움이 됩니다. 20세기 초 물리학자이며 천문학자인 아서 에딩턴 경Sir Arthur Stanley Eddington(1882-1944)은 “별에 대한 지식으로 통하는 길은 원자를 통해 인도되었고, 원자에 대한 중요한 지식은 별들을 통해 도달되었다”고 했습니다. 실로 우리와 우리 세계의 모든 화학원소들은 빅뱅의 여파이거나 별들의 핵반응 중 하나에서 비롯된 것입니다.
1998년 별들에 대한 연구가 우주론과 물리학에서 큰 혼란을 야기했습니다. 멀리 있는 별을 관측하던 과학자들이 우리 우주가 이전보다 더 빠르게 팽창하고 있다는 증거를 발견한 것입니다. 별들이 집단으로 우리로부터 멀어지는 것입니다. 왜 이런 현상이 일어날까요? 아무도 설명하지 못합니다. 우리 우주는 지난 70억 년 동안 팽창률이 증가되어왔습니다. 이를 설명하기 위해 과학자들은 암흑에너지dark energy(hypothetical form of energy)의 존재를 제시했습니다.
암흑에너지? 과학자들도 그것을 알지 못합니다. 과학자들이 아는 건 암흑에너지가 척력으로 작용해 우리 우주 속에 있는 모든 것을 한쪽으로 밀어내는 원인이라는 것뿐입니다. 그것이 무엇인지는 모르더라도 과학자들은 우주의 질량을 추정함으로써 그 속에 얼마나 많은 암흑에너지가 있는지 추정할 수 있습니다. 그런 뒤 우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지를 측정해 현재의 가속비율로 우주를 한쪽으로 밀어내기 위해 중력을 이겨내는 데 얼마나 많은 에너지가 필요한지 예측할 수 있답니다.
팽창에 막대한 에너지가 필요하다는 걸 모르는 사람은 없을 겁니다. 그렇지만 우주를 더욱더 팽창시키려면 우주 만물을 모두 에너지로 전환시킨다 하더라도 충분치 않습니다. 따라서 우주에는 물질보다 엄청나게 많은, 즉 물질보다 15배나 더 되는 암흑에너지가 있을 수밖에 없다고 말할 수밖에 없는 것입니다. 시카고 대학의 물리학자 마이클 터너Michael Turner는 우리는 실로 불합리한 우주에 살고 있다고 말합니다. 암흑에너지 외에도 암흑물질dark matter이 또한 잠복해 있으며, 그것이 최초의 별과 은하를 형성하는 동기가 되었습니다. 암흑물질은 전자기파를 복사하지 않은 채 오직 별과 은하들에 중력의 영향을 미치는 물질이지만, 별빛이나 현재의 장비로는 그 자체를 밝혀낼 수 없으므로 그야말로 ‘암흑dark’인 것입니다.
은하계 바깥에 있는 별들의 급속한 속도를 측정하기 위해 암흑물질이라는 것이 제안되었습니다. 그렇지 않으면 정상물질normal matter이 너무 적게 존재해서 뉴턴의 운동법칙과 중력법칙에 위배됩니다. 뉴턴의 법칙을 수용하려면 얼마나 많은 물질이 요구될까? 답은 우리가 측정하고 체험할 수 있는 정상물질의 약 10배가 필요합니다. 따라서 암흑에너지와 암흑물질은 우리 세계의 마이너 성분이 아닙니다. 그렇다면 이 모든 암흑성분들은 어디에 있는 걸까? 일부 물리학자들은 그 답이 모든 곳, 즉 우주에, 여러분에게, 나에게 있다고 말합니다.
암흑에너지와 암흑물질은 측정할 수 없고 오직 우리 세계에 미치는 영향에 의해서만 추론할 수 있으므로 그것들은 행방불명인 것입니다! 과학자들은 우리 우주의 96퍼센트가 행방불명missing이라고 말합니다.
암흑물질에 관한 다양한 추론들이 제기되지만 유력한 이론은 없습니다. 빅뱅 발생 후 수 초 이내에 우리 우주를 에워싼 에너지 장인 힉스장Higgs field(힉스 입자의 바다)이 만들어졌습니다. 힉스 입자란 모든 소립자에게 질량을 부여하는 입자를 말하는데, 피터 힉스가 1967년 자신의 논문에서 이 입자를 도입한 후 그의 이름을 딴 것입니다. 힉스장이 암흑에너지의 출처가 될 수도 있습니다. 이는 최근의 견해이지만 개량된 입자가속기들이 다음 수년 안에 이 미스터리 힉스장의 증거를 제공해줄 것입니다. 입자가속기particle accelerator란 물리학자들이 핵의 구조, 핵력의 성질, 그리고 자연 상태에서 발견되지 않는 핵들의 성질에 대해 연구하는 데 필요한 것입니다.
스위스 제네바에 우리 돈으로 8조 원을 들여 14년의 공사 끝에 대형강입자가속기LHC(Large Hadron Collider)가 완성되어 작은 규모의 빅뱅을 실험할 준비를 마쳤습니다. 실험은 양성자끼리 1초에 6억 번 충돌이 일어나게 하는 것으로 충돌 순간의 온도가 태양 중심 온도의 10배에 달할 것으로 추정됩니다. 이 실험으로 지구에 큰 재앙이 발생할 거라고 반대하는 사람들이 시위했다는 뉴스를 여러 분들이 접했을 것입니다. 그들은 실험에서 생기는 블랙홀이 지구를 삼킬지도 모른다고 우려하는 것입니다. 매우 위험하지만 인간의 기원 혹은 생명의 기원을 밝히는 데 매우 중요한 실험입니다. 찬성하는 사람들은 블랙홀의 수명이 짧아 주변의 물체를 삼키기도 전에 사라질 거라고 말합니다. 이런 내용은 신문에 기사로 이미 소개되었습니다.
2003년 6월 과학저술가 찰스 세이프Charles Seife는 저널 『사이언스 Science』에 이렇게 적었습니다. “우주를 한쪽으로 밀어내고 있는 보이지 않는 성분이 무엇인가 하는 것이 물리학에서의 가장 큰 의문이다.”
물리학 분야의 탁월한 많은 사람들이 그들의 장비로 이 암흑성분을 발견하는 데 실패했습니다. 숨겨져 있는 암흑물질과 암흑에너지는 창조의 미스터리 목록에 추가되었습니다. 암흑물질과 암흑에너지는 현재의 과학 이론의 결함을 드러내고 더욱 심원한 실재에 대한 잠재적 단서를 제시합니다.
별과 은하의 운동 연구가 우리를 암흑 미스터리로 끌고 갔습니다. 우리 태양계의 기원을 이해하는 것도 수수께끼를 더 추가하는 걸까?