우주의 건축

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.

바리온수(중입자) 보존과 반물질의 수수께끼

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.

별들의 거리 측정–검증 가능한가?

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.

별의 진화–어디까지 사실일까?

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.

별빛이 수십억 년을 말해주나?

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.