기독공보

1999년 07월 17일(토) 00:00

20세기의 가장 중요한 물리학 패러다임의 변화는 상대성이론으로 대표되는 시공 (時空 :
Space-time)에 대한 올바른 이해와 양자론(量子論 : Quantum Theory)이 대변하는 불연속
성과 자연현상에 대한 확률적 개념이다. 물론 DNA의 구조 발견에서 비롯된 유전 및 분자
생물학으로 대표되는 생명과학의 대사건은 20세기 과학의 큰 유산임에는 틀림없다.

그렇지만 이러한 생명과학의 발달 역시 양자론의 기본사고에 힘입은 것을 부인하지는 못할
것이다. 이러한 과학발전의 본격적인 이해는 전문서적에 의존해야 하지만 너무 어렵고 일반
대중에게는 그런 책의 이해를 요구할 수도 없고 또한 그런 기본 소양을 갖추고 있기를 기대
할 수 없다. “스티브 와인버그”는 그의 저서 “최초의 삼분간”에서 논리적인 사고를 할
수 있는 초기 우주의 모습을 그리고 있다. 상대론과 양자론을 이용한 초기우주의 묘사 자체
가 20세기 물리학의 꽃으로 볼 수 있는 “우주론”에서 가장 선명하다고 느끼기에 상대론과
양자론의 소개 대신 “최초의 삼분간”을 택하여 간접적으로 그 본질을 전달해 볼까 한
다.

와인버그 교수는 제 2장 “우주의 팽창”과 제 3장 “우주 배경 복사”에서 상대론을 십분
활용하고 있다. 일반상대론에 의하면 무거운 물체가 (상대론에 의하면 물질과 에너지는 동
등하므로 E=mc²에 의하여 물질은 에너지가 뭉쳐있는 곳이라고도 할 수 있다.) 있는 근방
의 공간은 휘어져있다고 한다. 휘어진 면 즉, 곡면은 이해가 되지만 휘어진 공간을 이해하려
면 4차원의 세계 속의 3차원 공간을 상상해야 한다.

'상대론’과 '양자론’

미국의 천문학자 “허블”에 의하여 관측된 팽창하는 우주는 마치 4차원 풍선의 표면처럼
우리의 우주공간이 팽창하고 있다는 상대론적인 이해를 하고 있다. 4차원 풍선의 표면을 상
상하기란 일반독자에게는 무리이므로 그와 성질이 비슷한 보통 풍선의 표면을 생각하면 된
다. 풍선의 표면에 일정한 간격을 두고 점을 규칙적으로 찍어 두었다고 하자. 풍선에 바람을
불어넣으면 풍선은 팽창할 것이고 그 표면에 있는 점들은 그 간격이 팽창과 더불어 늘어날
것이다. 그런데 풍선의 표면은 완전히 둥근 구의 표면이므로 어느 점이든 동등하고 따라서
어느 점이든 중심일 수 있으며 구의 표면은 그 면적이 유한하면서 (면적은3.14×4×반경의
제곱 즉, 4πr²이다.) 경계는 없다. 콜럼버스 (Columbus)가 동쪽으로 계속 여행하면 다시
그 자리에 돌아온다고 생각한 지구의 표면처럼 경계는 없다. 우주 역시 그렇다. 우리가 살고
있는 우주 공간의 체적은 유한하지만 경계는 없고 모든 점이 중심인 그런 공간이며 이는 마
치 4차원 풍선의 표면처럼 행동하는 휘어진 공간이란 것을 “일반상대론”이란 물리 이론이
우리들에게 말해주고 있다. 좀더 구체적으로는 저 유명한 아인슈타인의 방정식을 제대로 풀
어본 “프리드만 (Freedman)”의 해답이 그렇게 말해주고 있다.

어쨌든 우주는 팽창하고 있음은 “상대론”의 설명이 없더라도 이는 관측된 사실이다. 그렇
다면 시간을 거꾸로 거슬러 올라가는 상상을 하면 (마치 영화필름을 거꾸로 돌리듯이)우주
는 점점 작아질 것이고 그 옛날에는 티끌보다도 작은 점에 불과하였으리라고 상상할 수 있
다. 현재의 우주가 팽창하는 속도에서 짐작해보면 우리가 살고 있는 이 거대한 우주공간은
약 150억년 전에 티끌보다도 작은 우주가 팽창하여 오늘의 거대 우주가 되었다는 대폭발이
론 (Big Bang Theory)이 수긍이 가고 “일반상대론”은 이를 뒷받침해주고 있다.

무엇이든 압축하면 온도가 올라가기 마련이므로 그 옛날 우주는 뜨거웠을 것이 쉽게 짐작된
다. 우주 탄생의 그 순간에는 현재의 모든 에너지가 그 티끌같은 공간에 들어있었으므로 에
너지는 공간을 휘게 하는 일반상대론에 따라 그 공간은 끝없이 휘어지게 하였고 그 휘어짐
은 휘어진 강철이 바르게 되려고 퉁기듯 팽창하게 된다. 팽창하면서 우주는 식어가고 뜨거
운 수증기가 물방울이 되듯 에너지가 뭉쳐서 물질의 알갱이인 소립자가 된다.

이글의 첫머리에서도 말했듯이 양자론에 의하면 에너지는 불연속이어서 최소단위인 알갱이
로 되어있다. 물질도 그렇고 에너지인 빛도 그러하다. 뜨거운 초기 우주에서는 물질의 최소
단위인 “쿼크”라는 소립자와 빛의 알갱이인 광양자 (光量子), 그리고 전자 등이 에너지가
짙게 뭉쳐서 생겨난다. 이들은 서로 부딪치고 그리고 서로가 평형을 이루면서 우주와 함께
팽창한다.

팽창하는 우주

우주의 온도가 식어지면서 “쿼크”들은 뭉쳐서 우리가 알고있는 수소원자의 핵인 양성자
(陽性子 : Proton)가 되고 질량은 거의 같으나 전기를 띠지 않는 중성자 (中性子 : Neutron)
가 되고 이들이 빛의 알갱이인 광양자 그리고 전자 (電子) 와 뒤엉켜서 우주 공간을 꽉채우
고 있었다.

그러나 우주는 식어가고 우주 탄생 후 약 30만년이 되어 우주공간의 온도가 3000도가 되면
우주에는 큰 변화가 일어난다. 양성자와 전자가 한데 엉켜서 수소 원자가 탄생한다.

우주가 아주 뜨거웠을 때는 양성자와 전자가 엉켜서 수소 원자가 되더라도 곧 뜨거운 빛의
알갱이가 그 큰 에너지로서 이를 파괴하여 다시 떨어지게 한다.

즉 3000도 이상일 때는 수소원자는 녹아서 이온화되어 ＋ 전기를 지닌 양성자와 － 전기를
지닌 전자로 분리된 상태를 유지하고 있었다. 그런데 빛은 반드시 전기를 지닌 입자에 의하
여 흡수되어 산란되고 특히 질량이 가벼운 전자는 빛을 잘 흡수하는 것으로 알려져 있다.


이온화된 뜨거운 우주 공간에서는 공간을 어두운 구름처럼 꽉 채우고 있는 전자의 안개 때
문에 빛은 흡수되므로 빛은 전파하지 못하고 없어지게 되므로 칠흑같이 깜깜한 세상이었다.


그런데 3000도가 되면서 그 원인인 전자가 양성자와 더불어 전기적으로 중성인 수소원자가
됨으로서 빛을 흡수하던 전자의 안개가 없어진다.

창세기의 '빛’

따라서 갑자기 봇물이 터지듯 빛이 나타난다. 앞에서 말한 것처럼 우주는 중심이 없고 모든
점이 동등하기에 이 빛은 모든 곳에서 동시에 나타난다. 동쪽과 서쪽, 남쪽과 북쪽 그리고
위와 아래에서 동시에 나타난다.

이 태초의 빛은 은하수에서, 이스라엘에서 그리고 서울에서 어느 한 쪽에서 먼저 나타나는
것이 아니라 동시에 그 찬란한 빛이 나타난다. “빛이 있으라 하시니 빛이 있었고…” 우주
는 창세기를 맞이하게 되는 것이다.

“스티븐 와인버그”는 그 창세기의 빛이 지금은 식어서 －270°의 차디찬 “마이크로파”
가 되어있음을 설득하고 그 전파 (빛도 역시 전파임)를 발견하여 우주 탄생의 비밀을 한 껍
질 벗겨낸 “펜지아”와 “윌슨” 박사의 발견을 제 3장 “우주 배경 복사”에서 생생하게
그려내고 있다.

제 4장 “뜨거운 우주의 성분 재료”에서는 초기 우주가 생기면서 에너지의 알갱이들이 어
떻게 서로 뒤섞여서 존재할 수 있었는지를 설명하고 제 5장 “최초의 삼분간”에서는 중수
소 (수소와 성질은 같으나 질량이 두배인 원소)가 생길 때까지 우주 탄생후 3분간에 일어나
는 일들을 마치 필름을 돌리듯 상세하고 설득력 있게 설명하고 있다.

이 모든 것들의 이해와 발견은 `상대론'과 `양자론'이란 물리의 두기둥을 딛고 서 있으며
20세기 과학의 극치를 보여주고 있다.

이 두 이론은 우주의 비밀을 푸는 역할을 한 것 뿐이 아니라 원자력을 창출했고 반도체 칩
을 가능하게 하였으며 레이저와 컴퓨터도 이들 과학을 바탕으로 하고 있다.

저자가 말하듯 마음의 문을 닫지 말고 논리에 따라 조금만 생각하면 이 한 권의 책속에 숨
어있는 우주의 비밀을 독자들은 쉽게 접할 수 있을 것이다. 정말로 꼭 권하고 싶은 그런 책
이다. 김제완박사(과학문화진흥회 회장/서울대 물리학과 명예교수)

◆ 스티븐 와인버그

스티븐 와인버그 (Steven Weinberg) 교수는 미국 태생 물리학자로서 현재는 텍사스 대학교
물리학과 석좌교수로 재직 중이다. 와인버그 교수는 전자기 (電磁氣)의 힘과 약한 핵력
(Weak Force)을 통합한 이론을 1967년에 미국 물리학회지에 발표했다. 그의 이론은 많은
실험적인 검증을 거쳐서 그 정당성이 인정되어 아브다스 살렘 (Abdas Salem) 교수와 셸던
글라샤우 (Sheldon Glashous) 교수와 함께 1979년도 노벨물리학상을 수상한바 있다.

와인버그 교수의 저서 “중력과 우주론”은 1970년대 “우주론”의 기본교재로서 널리 알려
져 있고 과학의 대중화에도 지대한 공로가 있는 입자물리학의 세계적 선두주자이기도 하다.
그의 저서 “궁극적인 이론을 꿈꾼다” (Dream of a final Theory) 역시 많은 독자를 가진
명저이기도 하다.