이동용

우리가 살고 있는 이 우주가 얼마나 다이내믹한 세계인지를 가장 실감 나게 경험할 수 있는 방법은 우주선을 통해서이다. 지난 반세기, 대형 로켓 엔진이 개발 되면서 국가 기술의 상징으로 우주탐사는 최고의 관심사가 되었다. 그동안 국가 간 경쟁으로 지금까지 쏘아 올린 우주선은 첩보용, 통신용, 기상용 등 수없이 많다.

이 순간에도 이들은 잠시도 쉼 없이 지구 궤도를 날며 주어진 임무를 수행하고 있다. 마치 하늘을 날고 있는 비행기를 공중에서 정지시킬 수 없는 것처럼 어느 우주선도 우주 공간에 잠시도 멈춰 세울 수가 없다. 이 우주선들은 모두가 운동법칙에 따라서 정확히 비행한다. 이들 어느 것도 저절로 이뤄진 것은 단 하나도 없다. 물론 수명이 다 되어 더 이상 사용할 수 없게 되면 지구의 중력으로 인해 대기권으로 추락하면서 타버리고 남은 잔재가 지표로 떨어지게 된다. 하지만 예외 없이 모두가 운동 법칙에 따라 주어진 운동을 한다.

성경의 창세기 1장 둘째 절 말씀이다. 이는 1절에 창조된 땅(地)에 대한 구체적 묘사이다. 1절은 ‘지(地)’라는 한자로 2절은 한글인 ‘땅’으로 번역되어 있어서 서로 다른 것처럼 보일 수 있다. 그러나 히브리 원어로는 둘 다 우리가 발을 딛고 있는 지구 에레츠(erets)이다. 영어 성경도 둘 다 우리가 살고 있는 지구(earth), 우리말 성경도 모두 ‘땅’으로 번역되어 있다.

그 땅에 대해 개역개정 성경에서 ‘혼돈과 공허’로 번역한 것은 다소 해석적인 면이 있다. 이는 실제로 ‘물질의 형태가 결정되지 않은 상태며 비어있다’는 표현으로 중립적인 묘사이며, 오히려 하나님의 선한 성품을 드러낸 보기에 좋은 모습임에 틀림없다. 왜냐하면 첫째 날 창조 사역 가운데 빛을 만드시며 “보시기에 좋았 더라”고 하신 일련의 과정에서 발생한 것이기 때문이다. 전능하시며 선하신 것이 하나님의 능력과 성품이며, 이것이 창조 사건에도 그대로 나타나고 있는 것이다.

이어서 “흑암이 깊음 위에 있다”고 하여 주위가 매우 어둡고 깊음은 우리가 상상할 수도 없는 포텐셜(고에너지)의 모습을 그리고 있다. 이때 깊음은 깊은 물을 의미하는데, 홍수 심판 때 “깊음의 샘들이 터지며”(창 7:11)에 등장하는 단어다. 즉 지구는 처음부터 물이 존재하는 상태로 창조되었다는 의미다. 이는 곧바로 하나님의 영이 수면에 운행하시니라”고 하시며 물을 의미하는 ‘수면’이 언급되어 이를 뒷 받침한다. 앞으로 자신의 형상으로 지음 받을 사람이 살게 될 지구를 감 싸며 창조사역에 함께 참여하고 계시는 성령님의 모습을 엿볼 수 있다.

우주는 거대한 집이다. 즉 우주는 만물이 거할 수 있는 만유의 집이다. 이 거대한 집을 누가 지었나 아니면 저절로 지어졌나? 또 지은 것이 사실이라면 건축 자재는 무엇이며 그 의도는 무엇인가?

성경에서 창세기 1장의 창조 첫째 날에 나오는 요소들은 시간과 공간과 물질과 빛이다. (창1:1-5) 그런데 오늘 날 물리학자들 역시 우주의 건축자재는 시간과 공간, 그리고 물질과 빛이라고 말한다. 또 과학자들은 시간과 공간과 물질은 연합되어 있어서 서로 나눌 수 없고 또한 빛이 없이 이들이 존재할 수 없다고 여긴다. 그러면 이렇게 4가지 요소로 이루어진 우주, 그 끝이 있을까? 그렇다면 시 간과 공간과 물질과 빛으로 이뤄진 우주의 경계는 무엇으로 되어 있다는 말인 가? 이는 시간과 공간을 벗어나 보지 못한 인간의 입장에서 답을 줄 수 있는 문제가 아님이 분명하다. 이는 시공 속에 갇힌 물질계를 다루는 과학의 영역을 벗어나기 때문이다. 그렇다면 먼저 시공을 넘어서 창조를 증거하는 성경을 살펴보자.

“태초에 하나님이 천지를 창조하시니라”(창 1:1)
성경의 첫 구절이며 하나님께서 하신 첫번째 일이다. 모든 것을 초월하신 하나님께서 태초라고 하는 시간의 시작과 동시에 하늘이라는 공간과 지구라는 첫 물질을 창조한 것이다. 여기서 시간-공간-물질은 모두 동시에 함께 창조된 것이다. 시간-공간-물질 이 세 가지를 함께 표현하는 것은 이들을 각각 구분해서 나눌 수 없기 때문이다.
성경의 첫째 날 첫 번째 구절에 사용된 창조라는 단어는 히브리 원어로 바라 (Bara)이며 이는 절대 무(無)에서 무엇인가를 만들어 낼 때 비로서 사용할 수 있 는 단어이다. 여기서 절대 무(無)라는 개념은 시간과 공간과 물질과 빛이 존재하지 않는 상태를 말한다. 그러므로 우주의 끝, 다시 말해서 우주의 경계는 절대 무(無)와 유(有)의 경계를 말한다고 할 수 있다. 따라서 절대 무(無)를 알지 못하는 상태에서 우주의 끝이나 그 한계를 논하는 것은 크게 모순이 된다.

우주에 보이는 모든 것은 물질이다. 물질은 원자로 이뤄졌는데 원자는 가운데 원자핵과 그 핵을 돌고 있는 전자로 구성되었다. 여기서 원자핵은 다시 양성자와 중성자가 강력하게 결합된 구조이다. 그리고 지금까지 개발된 다양한 가속기들을 통하여 원자핵을 양성자와 중성자로 나눌 수 있었고, 또 분리된 양성자를 더 작게 쪼개는 실험으로 양성자빔을 만들고 이 빔들을 가속시키고 서로 충돌시켜 쿼크(quark)라는 아원자(subatomic particle, 원자보다 작은 입자 혹은 원자를 구성하는 기본 입자)들을 만들어냈다.

지금까지 입자물리에서 발견되었거나 이론으로 추측하는 모든 입자는 기본입자와 이들의 조합으로 이뤄진 합성입자로 구분한다. 기본입자는 물질을 구성하는 가장 작은 입자들이다. 이 기본입자는 스핀값(양자역학에서 입자의 회전정도를 나타내는 고유한 각운동량)에 따라 보손(Boson)과 페르미온(Fermion)으로 구별한다. 먼저 보손은 스핀값이 정수이다. 한편 표준모형에서 페르미온의 스핀값은 반정수(1/2)이며 각 페르미온 입자에 대응하는 반입자가 존재한다. 그리고 페르미온 입자는 다시 강한 상호작용을 설명하는 이론에 따라서 쿼크와 경입자(Lepton)로 나뉜다.

[2018년 8월 뉴스레터] “태초에 하나님이 천지를 창조하시니라” (창1:1) 구약성경의 창세기 1장 첫 절이다. 창조 첫째 날 하나님이 아무것도 없는 무(empty) 로부터 시간과 공간 그리고 물질(earth)을 창조하셨다(창1:1)고 선포하고 있다. 이어 다음 구절에서 물질은 아직 그 형태가 결정되지 않았고 공간도 비어있는 상태임을 말해 주고 있다. 또한 고에너지로 생각되는 깊음이 있었고 하나님의 영이 수면 위에 운행하고 계셨다(창1:2)고 기록하고…

실제로 별들의 거리를 어떻게 결정할까? 또 결정된 거리는 얼마나 정확한 것일까? 그리고 검증은 가능한가? 여기서 별들의 거리를 결정하는 방법을 소개하려고 한다. 천문학자들은 별들의 거리를 추정하는데 시차(Parallax)방법을 사용한다. 시차라는 것은 소위 겉보기 변위(Shift)를 말하는데 한 물체를 관측할 때 두개의 서로 다른 조준선(Line of Sight)이 교차하면서 배후 면에 만드는 거리이다.

실제로 별들의 거리를 어떻게 결정할까? 또 결정된 거리는 얼마나 정확한 것일까? 그리고 검증은 가능한가? 여기서 별들의 거리를 결정하는 방법을 소개하려고 한다. 천문학자들은 별들의 거리를 추정하는데 시차(Parallax)방법을 사용한다. 시차라는 것은 소위 겉보기 변위(Shift)를 말하는데 한 물체를 관측할 때 두개의 서로 다른 조준선(Line of Sight)이 교차하면서 배후 면에 만드는 거리이다.

s01

지구가 태양의 궤도를 선회함에 따라서 가까운 거리의 별들은 보다 먼 별들 에 대하여 상대적으로 위치가 더 크게 변하는 것으로 보인다. 그림과 같이 1월 에 하나의 별을 관측하고 6개월 후 7월에 동일한 그 별을 관측하면 원거리 배경 에 있는 별들에 대하여 위치가 변한 것을 알 수 있다. 이 때 그 움직인 정도를 각 도로 표시한 것이 그 별의 ‘연주시차(annual parallax)’이다.[1]

d = 206,265 AU/p
여기서 시차각 (p)의 단위는 아크초(arc seconds ”)이며 1도를 3600으로 나눈 매우 작은 각도(0.0002777°)이다. 이는12.8km (8마일) 떨어진 지점에서 6.2cm 직경의 테니스 볼이 이루는 각과 같다. 거리(d)의 단위 pc(parsec)는 206,265 AU, 즉3.26광년(단위 광년은 빛이 진공에서 일년 동안 달리는 거리)이다. 따라서 파 세크(pc) 단위로 하나의 별의 거리(d)는 다음의 간단한 식으로 결정될 수 있다.

별은 핵융합 반응으로 스스로 빛을 방출하는 항성이다. 별은 중심에서 수 소가 헬륨으로 변환되는 핵융합과정으로 고온의 에너지가 생성되는데, 이때 밖 으로 향하는 방출압력과 항성 내부로 당겨지는 중력이 균형을 이뤄 구형의 가스체를 유지하는 것으로 본다. 이러한 이해를 기초하여 별의 수명은 핵융합의 연료인 수소 가스를 모두 소모하게 되는 기간으로 추산한다. 오늘날 항성의 진 화 분야에서는 별의 생성에서부터 종말까지를 다루며, 진화천문학자들은 모든 항성이 그림과 같이 탄생으로부터 성장과 죽음의 과정을 거치는 것으로 여긴다.

태양 크기의 별들은 중심에서 수소의 연소가 어느 정도 끝나가면서 외부로 뿜어내는 방출압력이 약해지고 그결과로 중력과의 균형이 깨지게 된다. 이 과 정에서 예상되는 물리적인 현상이 간단하지 않지만 결국 내부 물질들은 자체 붕괴를 일으킬 것이다. 중력의 수축으로 별의 중심 온도가 다시 올라가면 헬륨 의 핵융합 반응을 점화시키고, 방출압력이 다시 상승하면서 급팽창을 일으켜 서 거성(Giant)이 된다는 설명이다. 그 후 연료의 고갈로 더욱 불안정한 상태에 이르게 되면, 바깥 부분은 팽창해버리고, 중심은 붕괴하여 백색왜성이라는 종 말 단계를 맞는다는 것이다.

지금까지 측정된 빛의 평균속도는 진공에서 초당 299,792 km로 약 초속 30만 km 이다. 문헌에 따르면 1676년 이후 164회 이상 광속을 측정한 것으로 보고하고 있다. 하지만 이 광속 측정 값들의 정확도에 대해서는 검증이 어렵고 변화가 거의 없거나 미량이므로 첨단 장치로도 광속의 증감을 알아낸다는 것은 매우 힘든 일이다. 여하간 광속이 일정하다고 할 때 빛의 속도는 1초에 지구둘레를 일곱 바퀴 그리고 반 바퀴를 더 도는 거리를 진행한다. 이 빛의 속도로 달리면 지구에서 달까지 약1초 걸리고 태양까지는 약 8분이 소요된다. 말하자면 우리가 현재 바 라 보는 태양은 8분전 과거의 태양을 보는 것이며 이 순간 태양이 사라진다면 우리 눈에는 8분 후에야 하늘이 깜깜해질 것이다. 같은 원리로 태양에서 만들어진 빛이 진공에서 측정된 광속을 유지하고 달리면 태양계의 끝 행성인 해왕성까지 약 5시간 30분 소요되고, 지구에서 가장 가까운 별인 센토리(α Centauri)까지는 4년 6개월이 걸린다. 이처럼 빛이 일정한 속도로 먼 천체로부터 지구를 찾아 온다고 생각할 때 그 별빛을 보는 것은 그 별의 과거를 보는 것이 된다.

별을 정말 보셨나요? 천문우주 강의시 묻는 질문이다. 이 질문을 하면 어떤 분들은 “예” 또 다른 분들은 “아니오”라는 엇갈린 반응을 보인다. 잠시 후 “정직하게 말해서 무엇을 본 것이지요?”라고 하면 곧 질문의 의도를 알아차리고 “빛이요”라고 답한다. 그렇다! 우리는 밤하늘에 반짝이는 빛들을 바라보면 서 그 빛을 별빛이라고 생각한다.

청명한 밤하늘이라면 육안으로도 수많은 빛을 볼 수 있다. 우리가 실제로 보고 있는 이 빛 중에는 그동안 지상에서 보낸 인공위성들이 반사하는 빛들도 있고, 태양계를 구성하는 행성들과 각 행성을 돌고 있는 위성들, 또 화성과 목성 사이에 띠(벨트)로 존재하는 수많은 소행성이나 운석들이 반사하는 빛들, 또 태양계를 돌고 있는 혜성들이 반사하는 빛도 있다. 하여튼 우리는 밤하늘 에 많은 빛을 보면서 별들을 보고 있다고 말한다.

별에 대하여 언급하기 전에 먼저 맑은 물이 들어있는 유리컵에 동전을 넣고 관찰해보자. 물속에 들어 있는 동그란 동전을 어느 각도에서 보더라도 바르게 보기가 쉽지 않다. 공기와 유리 그리고 물속의 빛의 굴절이 다르기 때문이다. 일상의 경험을 통해서 가까운 거리에 있는 물체일지라도 우리의 시력은 사실 그대로 보기 어려운 경우가 많다.