인터스텔라의 과학 #1

우리는 이 우주에 대해서 얼마나 알 수 있을까?

 

우리 우주, 간략하게

 

"우리 우주는 어마어마하게 크고 사무치도록 아름답다. 어떤 면에서는 대단히 단순하고, 또 어떤 면에서는 얽힌 실타래처럼 복잡하다. 우리 우주에 관한 풍부한 지식 중에서 우리가 알아야 할 것은 몇 가지 사실 뿐이다"

 

○ 빅뱅

 

우리 우주는 137억 년 전에  거대한 폭발로 태어났다.

우리는 무엇이 빅뱅을 일으켰는지, 빅뱅 이전에 무엇이 있었는지, 무엇인가 있기는 했는지 모른다.

 

그러나 아무튼 우주는 엄청나게 뜨거운 기체로 이루어진 거대한 바다로 태어나서, 마치 핵폭탄이나 가스관이 폭발할 때 생기는 불덩이처럼 모든 방향으로 빠르게 팽창했다. 다만 빅뱅은 파괴적이지 않았다. 오히려 우리 우주의 만물을 창조했다. 아니, 만물의 씨앗들을 창조했다고 해야 더 정확할 것이다.

 

 

○ 은하

 

우리 우주가 팽창함에 따라서 우주를 이루던 뜨거운 기체가 식었다.

기체가 충분히 식자, 밀도가 높은 구역 각각이 중력에 의해서 쪼그라들어 은하(galaxy: 별들과 행성들과 별들 사이에 흩어진 기체로 이루어진 거대한 집단)를 낳았다. 가장 오래된 은하는 우주의 나이가 몇억 년이었을 때 태어났다.

 

가시적인 우주에 있는 은하는 대략 1조 개이다.

가장 큰 은하들은 몇조 개의 별을 포함하며 지름이 약 100만 광년에 달한다. 가장 작은 은하들은 약 1,000만 개의 별을 포함하며 지름은 1,000광년이다. 큰 은하의 중심에는 태양보다 100만배 이상 무거운 거대한 블랙홀이 거의 예외 없이 있다.

 

지구를 포함한 은하를 우리 은하(The Galaxy, Milky Way galaxy)라고 한다.

 

우리 은하에서 가장 가까운 대형 은하의 이름은 안드로메다이다. 지구에서 250만 광년 떨어져 있으며, 약 1조 개의 별을 포함하며 지름은 약 10만 광년이다. 우리 은하와 안드로메다 은하는 크기, 모양, 보유한 별의 개수가 쌍둥이처럼 닮았다.

 

<안드로메다 은하>

 

○ 태양계

 

별은 크고 뜨거운 기체 공이며, 대개 중심부에서 핵연료를 태워서 열을 낸다.

우리의 태양은 전형적인 별이라고 할 만 하다. 지름은 140만 킬로미터로 지구보다 약 100배 더 크다.

 

태양계는 태양보다 1,000배 더 크다. 빛이 태양계를 가로지르려면 11시간이 걸린다.

 

 

○ 별의 죽음 : 백색왜성, 중성자별, 블랙홀

 

태양과 지구의 나이는 약 45억 년이다. 우주의 나이와 비교하면 약 3분의 1에 해당한다.

앞으로 65억 년 정도가 지나면 태양은 중심부의 핵연료를 다 써버리게 될 것이다.

 

그러면 태양은 껍질에 있는 연료를 태우기 시작할 것이고, 그 껍질의 연료마저 소진되면, 태양은 쪼그라들어 덩치는 지구와 비슷하지만, 밀도는 100만 배 높은 백색왜성(white dwarf)이 될 것이다.

 

태양보다 훨씬 더 무거운 별은 수축하여 중성자별(neutron star)이나 블랙홀이 된다.

중성자별의 밀도는 원자핵의 밀도와 같다. 지구와 비교하면 100조 배 높은 셈이다. 원자핵들이 빽빽하게 모여 있는 상태라고 보면 되겠다.

 

반면에 블랙홀은 오로지 휜 공간(warped space)과 휜 시간(warped time)만으로 이루어졌다.

일반적인 중성자별이나 백색왜성과 질량이 유사한 블랙홀의 둘레는 약 22킬로미터이다. 백색왜성과 비교하면 1,000배, 중성자별과 비교하면 4배 작은 셈이다. 그러므로 그런 블랙홀은 별의 죽음을 통해서 태어난 것일 수 없다.

 

 

○ 자기장, 전기장, 중력장

 

우주에는 자기장 외에 전기장과, 중력장도 있다.

 

지구의 중력선들은 어디에서나 지구의 중심을 향하며 물체를 그곳으로 끌어당긴다.

지구의 중력은 지구 중심으로부터의 거리 r의 제곱에 비례하여 감소한다. 이것이 뉴턴이 발견한 중력에 관한 역제곱 법칙이다.

 

우주를 지배하는 법칙들

 

○ 지리 탐사와 물리학 법칙 탐구

 

1690년에는 뉴턴의 물리학 법칙들이 중심에 있었다.

 

1915년에 이르면 뉴턴 법칙들이 아주 빠른 것들(거의 광속으로 운동하는 물체들)의 영역, 아주 큰 것들의 영역(우리 우주 전체), 강한 중력의 영역(예컨대 블랙홀)에서는 통하지 않는다는 강력한 증거가 아인슈타인 등에 의해서 발견되었다. 이 문제들을 개선하기 위해서 아인슈타인은 혁명적인 상대론 물리학 법칙들을 제시했다.

 

1924년에 이르면 뉴턴의 법칙들이 아주 작은 것들(분자, 원자, 기본입자)의 영역에서도 통하지 않음이 명백해졌다. 이 문제에 대응하여 보어, 하이젠베르크, 슈뢰딩거 등은 양자 물리학 법칙들을 내놓았다.

 

1957년에 이르자, 상대론 법칙들과 양자 법칙들이 근본적으로 양립 불가능함이 명백해졌다. 두 법칙들은 중력이 강하고 또한 양자요동(quantum fluctuation)이 강한 영역에서 서로 다르며 양립 불가능한 결과들을 예측한다. 이 영역들에서, 양립 불가능한 상대론 법칙들과 양자 법칙들의 "화끈한 결혼(fiery marriage)"은 새로운 양자중력 법칙들을 낳는다.

 

우리는 양자중력 법칙들을 아직 모르지만, 21세기의 세계 최고 과학자들의 엄청난 노력 덕분에 초끈이론을 비롯한 몇 가지 설득력 있는 통찰들을 얻었다. 그 통찰들에도 불구하고 양자중력(quantum gravity)은 여전히 거의 미지의 영역으로 남아있다.

 

 

○ 진실(true), 지식에 기초한 추측(guess), 막연한 사변(speculation)

 

기존의 과학적 진실을 뒤엎는 혁명은 극히 드물다. 그러나 그런 혁명은 일어나면 과학과 기술에 중대한 영향을 미칠 수 있다.

 

막연한 사변이 지식에 기초한 추측이 되고 이어서 진실이 되는 모습을 당신은 생전에 목격할 수 있을까? 당신에게 확고했던 진실이 뒤집히는 혁명을 당신은 사는 동안 한번이라도 목격한 적이 있는가?