칼럼 [5]:가능성의 세계(5)-우주의 시초
들어가기 전에 + 우주의 시초 즉, “태초란 무엇인가?”를 알기 위해선 먼저 ‘우주’가 무엇인가부터 먼저 알아보는 것이 순서일 것이다. 과학에서 얘기하는 ‘우주’의 사전적인 의미는 “존재하는 모든 것(Universe)”이라고 정의 내릴 수 있다. 영어 단어에는 ‘우주’를 지칭하는 세 가지 단어가 있는데, 마커스 초운 Marcus ChownWiki(English)이 정리한 바에 따르면 아래와 같다. Space:Time and '스페이스'의 바로 그 스페이스. '우주'이며, '공간'이고, 또한 '우주 공간'이다. 물질이 존재하고, 사건과 현상이 일어나는 무대로서의 space. Universe:존재하는 모든 것이다. 오늘날 우리가 태양계라고 부르는 실체를 지칭하기 위해 과거에 사용했던 탄력적인 용어라고 한다. (근대 과학의 초창기까지 서양 사람들이 활용했던 용어법. 수금지화목토성까지만.) 보다 최근에는 우리가 오늘날 은하수(Milky Way)라고 부르는 것을 지칭하는 데 사용되었다. 현재는 모든 은하의 총합을 가리키는 데 사용된다. 관측 가능한 우주에는 약 1,000억 개의 은하가 존재하는 것으로 추정된다. ('유니버스'는 우주학과 관련해서 시대마다 상당히 구체적인 실체를 가리키는 용어였던 듯하다.) Cosmos:(능히 짐작할 수 있듯이) 혼돈(chaos)과의 대비 속에서 사용되며, universe의 대체어. 남미 원산의 아름답고 소박한 꽃 '코스모스'도 같은 철자를 사용한다. '조화'와 '균형', '질서 정연한 체계'라는 대체로 '긍정적'이랄 수 있는 가치 판단이 개입된 용어. [참조] cosmology: 한영 사전에는 '우주론'이라고 나오지만 '우주-학(ology)'으로 바꿔써 주는 게, 미래를 생각한다면, 더 바람직하다. 실제로 ≪오리진 Origin 지호 출판사≫의 용어 해설에서도 '우주학'(cosmology)이라는 새김말을 올려놓고 있다. [박스글 출처] http://sumbolon.egloos.com/3880474 동양에서는 우주를 한자어로 집 우(宇)자와 집 주(宙)자를 써서 우주(宇宙)라고 번역했는데, 우(宇)는 공간적인 의미를 나타내며, 주(宙)는 시간적인 의미를 나타낸다고 한다. 한자어인 우주(宇宙)는 상대성이론에서부터 시작된 “시공(時空)”의 의미를 내포하고 있는 아주 훌륭한 번역이 아닐 수 없다. 마커스 초운의 견해를 따르자면 우주론을 얘기하는 과학적인 글에서는 우주=Universe라는 등식을 적용해도 일반적으로 크게 무리는 없으리라 여겨 진다. 우주의 시초는 아득히 먼 수 백억년이라는 시간의 규모로 측정되는, 과학의 가장 매혹적인 문제 가운데 하나이다. 이렇듯 터무니없이 엄청난 문제가 지금까지 SF에서 등한시되어 왔다는 것은 이상한 일로 생각된다. 그러나 현대의 이론에 따르면, 우주가 원자마저도 살아남을 수 없을 만큼의 대단한 에너지로 넘쳐 있었던 그 당시의 일을 도대체 어떻게 얘기하면 되는 것일까? 폴 앤더슨의 장편, ≪타우 제로 Tau Zero≫에는 우주의 창조를 눈 앞에 볼 수 있는 얘기가 나오는데, 그는 이 작품을 성립시키기 위해 사실을 약간 어거지로 만들어 버렸다. 그는 이 작품에 멀지 않아 우주가 되는 모든 질량과 에너지를 포함한, 이 덩어리의 <바깥>의 궤도를 도는 우주선을 등장시키고 있는 것이지만, 그러나 현대 물리학에 의하면 우주의 <바깥>같은 것은 존재하지 않는다.주⑴:아인슈타인의 상대성이론 우주론자가 현재 지지하고 있는 빅뱅이론에 따르면, 우주는 태초에 있었던 폭발 이래 급격히 팽창하고 있다는 것이다. 먼 곳에 있는 은하에 대한 관측은 그 은하 모두가 우리들로부터 멀어져 가고 있음을 말해 준다(이는 기차가 멀어져 갈 때 기적 소리가 낮게 들리는 것과 마찬가지로, 은하가 방출하는 빛이 스펙트럼의 빨간 쪽으로 이동하고 있는 것으로 알 수 있다.[도플러 효과주⑵의 적방편이]). 그렇다고는 하나 우리가 살고 있는 이 우주의 평균적 부분이 다른 모든 것이 도망쳐가는 도심의 빈민촌 거리와 같은 것이라고 생각할 근거는 없다. 그와는 반대로 그 같이 먼 곳의 은하도 우리들과 마찬가지로 자신을 중심으로 다른 은하가 멀어져 가고 있는 것을 보고 있다고 생각해도 무방한 이유가 있는 것이다. 우주가 계속 팽창하는 동시에 <공간> 그 자체가 커가기 때문에 모든 것이 다른 것으로부터 멀어져가고 있는 것이다. 이를 이해하기 위해서는 모든 은하가 그려진 풍선의 표면과는 같은 것이 우주라고 생각하면 된다. 풍선이 약간 부풀면 그 표면의 면적은 커지고 모든 은하 사이의 거리는 증가한다. 물론 우주는 펌프로 무엇인가가 주입되어 팽창되고 있는 것은 아니다. 최초의 폭발에 의한 충격파 전선(前線)처럼 바깥측을 향한 운동량 때문에 표면이 무한대로 넓어지는 것이라고 생각해도 좋을 것이다. 여기서 만일 우주가 무한한 것이라 하더라도 은하가 서로 일정한 비율로 멀어져 가는 것이므로 표면이 팽창해간다는 표현은 충분한 의미를 가지고 있다. 우주가 팽창해 가는 비율과, 팽창해 가는 속도가 떨어지는 비율을(은하는 흩날려가면서도 중력으로 서로 끌어당기고 있기 때문이다) 알게 되면 우리는 우주의 기원으로까지 거슬러 올라갈 수 있다. 그것은 현재로서는 137억년 전에 일어났던 모양이다. 갓 형성된 우주는 앞서 설명한 바와 같이 공상의 <풍선> 표면을 (페인트)가 짙게 칠하면서 덮어 버린 것과 같은 상태였다. 그리하여 풍선이 팽창함에 따라 이 페인트는 얇은 조각으로 부셔진다. 흩어진 얇은 조각 하나하나가 은하라기보다는 원시은하(마침내 은하로 농축되는 뜨거운 가스구름)에 해당된다. 따라서 탄생 직후의 우주에는 페인트도 칠해지지 않은 곳은 없다. 우주 어느곳에도 자유로운 공간은 없었던 셈이다. 태초의 우주는 하나의 덩어리였던 것이다. 물리학자인 스티븐 와인버그는 ≪최초의 3분간 The First Three Minutes (1977)≫에서 과학에 의해 수학적으로 확인된 창조에 관한 최초의 순간을 명백히 하였다. 무엇보다도 태초에 우주의 온도는 무척 높았고, 또한 무한한 것이었을 것이다. 팽창하기 시작한 100분의 1초 사이에 고(高) 에너지의 중간자(中間子)와, 어쩌면 자유 쿼크(여러 이론에 따르면 양자와 중성자와 같은 기초적인 입자를 만들어내는 입자)마저도 출현, 우주의 모습은 터무니없이 복잡한 것이 된다. 100분의 1초 후에 온도는 섭씨 약 1000억도가 되며, 이미 안정된 상태의 양자와 중성자를 파괴할만한 정도의 것으로는 볼 수 없다. 그리고 더욱 가벼운 입자(전자, 양전자)라든가, 그 중에서도 특히 방사선으로 우주는 가득 채워지고 있다. 그 농도는 물의 수십억배가 된다. 즉, 이 우주를 채우는 플라즈마는 1㎤당 수천톤의 무게를 지니고 있었던 것이다. 현재의 우주는 무한한 것이며 생겨났을 때도 무한한 것이었다는 견해도 있으나, 일반적으로 현재의 우주는 유한한 것이며, 그 주위는 약 1250억 광년으로 예상하고 있는데, 이 경우 우주 탄생으로부터 100분의 1초 후에 주위는 약 4광년이 된 것이라는 계산이 나온다. 그러나 우주의 풍선위를 벌레가 기어간다고 생각할 때 제 아무리 기어간다 하더라도 끝까지는 당도할 수 없는 것이다. 다시 말하자면 여기서 주위라고 하는 것은 직선적으로 어디까지는 가되 실제로는 굽은 공간을 지나 같은 곳으로 되돌아 오기까지의 거리이다. 약 14초 후에 온도는 겨우 30억도 정도로까지 내려가 있지만, 이 정도의 온도라면 에너지로부터 그 이상의 전자와 양전자가 만들어지기에는 너무나도 낮으며, 전자와 양전자는 서로가 비비적거려 그 태반이 소실되어 있다. 3분이 약간 지나면 온도는 사뭇 낮아지며(10억도 이하), 100분의 1초로 만들어진 비교적 소수의 중성자와 양자는 높은 방사선에너지로 말미암아 뿔뿔이 흩어짐이 없이 서로 결합되어 원자핵이 된다. 그러나 원자가 형성되는 것은 다시 70만년 후, 즉 아직도 우주에 가득 차 있는 방사선이, 전자를 핵으로부터 떼어 놓을 수 없는 온도로 내려갔을 때의 일이다. 그 뒤 이렇게 해서 만들어진 원자를 중력이 원시 은하, 은하, 원시항성, 그리고 항성으로 계속 농축되어간 후 보다 무거운 원소가 항성 속에서 만들어졌다가 신성(新星)폭발로 흩뿌려지게 되는 것이다. 이같은 이론에 있어 유명한 한가지 증거는 태초부터 우주에 차 있는 방사선(우주배경복사 CMB: Cosmic Microwave Background 주⑶)으로부터 얻게 되었다. 온도의 저하는 우주 팽창에 따라 짧은 고(高)에너지의 파장이 길고 낮은 에너지 파장으로 확대하는 데서 일어난다. 태초의 방사선은 아직도 우리들의 주위에 있으나, 실제로는 완전히 늘어나 있다. (절대 0도보다 3도가 놓은 곳까지 떨어진 이 <화석> 방사선이 1965년 물리학자 아르노 앨런 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨에 의해 검출되었다. 이 두 사람은 1978년 '우주배경복사'의 발견으로 노벨 물리학상을 공동수상했다.) 그렇다면 우주는 영원히 계속 팽창해나갈 수 있는 것인가? 이 문제에 대해서는 [엔트로피와 우주의 종말]이라는 칼럼으로 따로 언급하기로 하겠다. | ||||||
주석 註釋 | ||||||
주⑴ 아인슈타인의 상대성이론
주⑵ 도플러 효과 도플러 효과(Doppler effect)는 크리스티안 도플러가 발견한 것으로, 어떤 파동의 파동원과 관찰자의 상대적 위치가 변함에 따라 진동수와 파장이 바뀌는 현상을 가리킨다. 소리와 같이 매개체를 통해 움직이는 파동에서는 관찰자와 파동원의 매개체에 대한 상대속도에 따라 효과가 변한다. 그러나 빛이나 특수 상대성 이론에서의 중력과 같이 매개체가 필요 없는 파동의 경우 관찰자와 파동원의 상대속도만이 도플러 효과에 영향을 미친다. [출처] 위키백과 주⑶ 우주배경복사 CMB: Cosmic Microwave Background 우주배경복사는 1965년 A. 펜지어스와 R. W. 윌슨이 우연히 안테나를 수리하다가 발견하게 된다. 우주배경복사는 초기에는 매우 뜨거웠다가 점차 식어가면서 옅어졌고, 현재는 약 3K의 온도에 해당하는 흑체복사 형태로 남아있다고 한다. 이 설명에서 많은 부분이 생략되어 있으므로 이해가 잘 안 될 것이라고 생각한다. 초기 우주배경 복사는 매우 높은 상태로 전 우주에 '거의' 균일하게 존재하고 있었다. 여기서 높은 상태라는 것은 매우 파장이 짧은 전자기파(즉 광자)가 서로 만나서 수없이 많은 입자-반입자 쌍들을 만들고, 이 입자들과 반입자들은 다시 합쳐 저 광자가 되는 과정을 수없이 반복하고 있었다. 하지만 우주가 팽창하면서 입자들과 광자들의 밀도가 점점 적어졌고, 광자가 입자를 만드는 일이 점점 안 일어나게 됐다. 어느 순간 물질과 입자들이 반응하지 않게 됐으며, 그 순간에 존재하던 전자기파가 현재의 우주배경복사에 보여 지는 광자들인 것이다. 시간이 지나면서 점차 광자들의 에너지가 줄어든 것은 허블의 법칙과 관련이 있다. 우주 초기에 거의 동일한 에너지를 갖고 있던 광자들은 점차 다른 광자들과 만나기 힘들어지면서 혼자 운동하게 됐는데, 광자가 직선으로 움직인 거리가 길수록 만나는 다른 광자들은 초기에 우주에서 더 멀리에 있던 광자들인 것이다. 우주는 초기에도 (인플레이션 이론의 영향을 무시한다면) 광속과 같이 팽창하고 있었으므로 멀리 존재하던 광자들은 만났을 때 현재의 도플러 효과에서와 같이 적색편이가 발생하고 있었다. 따라서 만나는 광자는 우주가 오래될수록 적색편이가 더 커져서 우주에서 오는 전자기파 - 우주배경 복사는 점차 온도가 낮은 흑체에서 나오는 빛과 비슷해지게 됐다. 그리고 현재의 우주배경 복사는 약 3K의 온도를 갖는 흑체에서 나오는 것과 이론상 일치한다. | ||||||
【참고어】 | ||||||
ㆍ도플러 효과 ㆍ우주배경복사(Cosmic Microwave Background) | ||||||
작가 소개 (가나다)순 | ||||||
+ 폴 앤더슨 | Paul Anderson (1926~2001) [상세 정보] 1926년 미국 펜실베이니아 주에서 스칸디나비아계 이민의 자손으로 태어나 미네소타 대학에서 물리학을 전공했다. 대학 시절에는SF와 판타지 팬들의 모임인 미네아폴리스 판타지 협회에 가입, 고든 R. 딕슨이나 클리포드 D. 시맥같은 작가 지망생들과 친교를맺었고, 졸업 1년 전인 1947년에 F. N. 월드롭과 함께 쓴 단편「내일의 아이들 Tomorrow’s Children」을『어스타운딩』 지에 발표하여 SF 작가로 데뷔했다. 원래는 과학자가 되는 것이 꿈이었지만 2차 대전 뒤의 취직난 탓에 전업 작가가 되는 길을 택했고, 1952년에 첫번째 장편인『시대의 하늘 Vault of the Ages』을 출간했다. 핵전쟁 후의 지구를 배경으로 한 이 청소년 SF는 그다지 SF계의주목을 끌지 못했지만, 다음 해에 잡지에 게재됐던 장편 『뇌파 Brain Wave』는 평단과 독자들의 격찬을 받았고, 앤더슨을비슷한 시기에 등단한 딕슨 및 시맥과 더불어 50년대의 가장 유망한 신인 SF작가의 반열에 올려놓았다. 그는 향후 40여 년 동안 무려 100편에 육박하는 장편과 2백 편이 넘는 중단편을 발표했으며, 7개의 휴고상과 3개의네뷸러상을 수상하면서 거장으로서 확고한 명성을 쌓았다. 대표작으로는 『타우 제로』(1970),『FireTime』(1974),『Dominic Flandry』시리즈(1951-1985), 『타임 패트롤』시리즈 등이 있다. 앤더슨은 하드 SF, 역사 SF, 스페이스 오페라, 판타지를 자유자재로 넘나드는 박학다식하고 폭넓은 작풍을 선보이며 ‘가장과학소설다운 과학소설을 쓰는 작가’로 평가받았다. 미국 SF작가협회(SFWA) 6대 회장을 역임하는 등 SF 팬덤에서도적극적으로 활동했고, 하드 SF작가로 유명한 그렉 베어를 사위로 맞기도 했다. 1997년에는 SFWA가 수여하는 제16대 그랜드마스터로 추대받았고, 21세기를 앞두고도 활발한 집필 활동을 벌이다가 2001년에 전 세계 SF팬들의 애도를 받으며 작고했다. | ||||||
참고 - 서적, 웹사이트 | ||||||
- 세계 백과 대도전 - (그림으로 보는) 시간의 역사 - 스티븐 호킹 - 오리진 - 닐 디그래스 타이슨, 도널드 골드스미스 - 최초의 3분 - 스티븐 와인버그 著 (1977년 초판본) - 태초 그 이전 - 마틴 리스 著(1997년 초판본) + 인터넷 이곳저곳 - http://may.minicactus.com/100145 - http://kin.naver.com | ||||||
+ 더 읽어야 할 책과 영상 | ||||||
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칼럼 [6] 가능성의 세계(6): ▷ 반중력
+ 본 SF 칼럼은 40여회 분량으로 실을 예정입니다.
+ 짜투리 시간 쪼개서 작성하는 것이라서 주기적으로 올리지는 못할 겁니다. 되는 대로 쓰고 되는 대로 올리겠습니다.
+ 전문적인 SF 칼럼니스트 만큼의 깊이는 없겠지만, 나름대로 기획해서 성심성의껏 올려보겠습니다. 많은 격려바랍니다. ^^
※ 이 칼럼은 퍼다 나르지 않으셨으면 합니다.
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