외경심을 불러일으키는 우주

대폭발설이 설명해 주는 것—설명해 주지 못하는 것

매일 아침 기적이 일어납니다. 아침에 떠오르는 태양의 안쪽 깊숙한 곳에서는 수백만 도의 온도에서 수소가 융합되어 헬륨으로 변화됩니다. 엄청난 위력을 지닌 X선과 감마선이 태양의 중심핵에서 핵을 둘러싸고 있는 층들로 쏟아져 나옵니다. 만약 태양이 투명한 상태라면, 이 광선들이 폭발하듯 뚫고 나와 순식간에 태양 표면에 도달할 것입니다. 그러나 이 광선들은 빽빽이 들어찬, 태양의 “절연체”와 같은 원자들에 부딪히고 반사되기 시작하면서 점차 에너지를 상실합니다. 여러 날, 여러 주, 여러 세기가 흘러갑니다. 수천 년이 지나, 한때 치사적이었던 그 광선이 부드러운 노란 광선이 되어 마침내 태양 표면에서 쏟아져 나옵니다—더 이상 위협적이 아니며, 오히려 지구를 그 온기로 감싸 줍니다.

매일 밤에도 기적이 일어납니다. 다른 항성들이 우리가 속한 은하의 광대한 공간을 뚫고 우리를 향해 반짝입니다. 그것들의 색깔과 크기와 온도와 밀도는 아주 다양합니다. 어떤 것들은 초거성(超巨星)이라서 그 중 하나를 태양이 있는 중심 위치에 놓으면 지구마저 전부 그 초거성의 표면 아래로 들어가게 될 정도입니다. 다른 항성들은 조그만 백색 왜성으로서—크기는 지구보다 작지만, 무게는 태양과 비슷합니다. 어떤 것들은 수십억 년 동안 평화롭게 운행될 것입니다. 또한 초신성(超新星) 폭발을 하기 직전에 있는 것들도 있는데, 그것들은 잠깐 모든 은하의 밝기보다 더 밝게 빛을 낸 다음 사라질 것입니다.

원시 시대의 사람들은 우주에 대해 바다 괴물이나 싸움을 벌이는 신들, 용이나 거북이나 코끼리, 연꽃이나 꿈꾸는 신들과 같은 상징적인 말로 설명하였습니다. 나중에 소위 이성의 시대에, 그 신들은 새로 발견된 “마법”인 미적분학과 뉴튼의 법칙에 밀려났습니다. 지금 우리는 고대의 시와 전설을 잃어버린 시대에 살고 있습니다. 오늘날 원자 시대에 자란 아이들은 창조의 전형적인 예로 고대의 바다 괴물이나 뉴튼이 만든 태양계의 모형이 아니라 20세기의 지배적인 상징인 원자 폭탄을 택해 왔습니다. 그들의 “창조주”는 폭발입니다. 그들은 우주의 폭발을 빅 뱅 즉 대폭발이라고 부릅니다.

대폭발설이 “설명해 주는” 것

창조에 대한 이 세대의 견해 중 가장 인기 있는 것은 이러합니다. 약 150억 내지 200억 년 전에는 우주도 허공도 존재하지 않았고 시간도 물질도 없었고, 오로지 특이점이라고 하는 무한히 높은 밀도에 무한히 작은 크기의 한 점만 있었는데 그것이 폭발하여 현재의 우주가 되었다는 것입니다. 그 폭발 과정에는, 처음 몇분의 일 초간에 초기의 우주가 빛의 속도보다 훨씬 빠른 속도로 팽창하는 짧은 기간이 포함되어 있었다고 합니다.

대폭발이 진행되는 처음 몇 분간 핵융합이 우주적인 규모로 발생해, 별과 별 사이의 공간에 수소와 헬륨과 적어도 리튬의 일부가 현재 측정되는 것과 같은 농도로 생겨났습니다. 대략 30만 년쯤 후에, 우주적인 규모로 커진 불덩이의 온도가 떨어져 태양 표면의 온도보다 약간 낮아지자, 전자들이 원자 주위의 궤도로 안착하게 되고 번쩍이는 광자 즉 빛이 발산하게 되었습니다. 온도가 매우 낮은 상태이긴 하지만 오늘날 이 원시의 빛을 측정할 수가 있는데, 이 빛은 초단파인 우주 배경 복사로서 즉 대폭발시 방출된 복사선의 잔재로서 2.7K의 온도에 해당합니다.a 사실, 대부분의 과학자들이 대폭발설에 어느 정도 타당성이 있다고 확신하게 된 것은 1964-65년에 이 배경 복사를 발견하였기 때문입니다. 그 이론은 또한 우주가 사방으로 팽창하는 것처럼 보이는 이유, 그리고 멀리 떨어져 있는 은하들이 우리에게서 그리고 서로로부터 빠른 속도로 멀어져 가는 것처럼 보이는 이유를 설명할 수 있다고 자처합니다.

대폭발설이 매우 많은 사실을 설명해 주는 것 같은데, 그것을 의심할 이유가 무엇입니까? 대폭발설이 설명해 주지 못하는 것도 많기 때문입니다. 예를 들면, 고대의 천문학자 프톨레마이오스는 태양과 행성들이 큰 원을 그리며 지구 주위를 돌면서, 동시에 주전원(周轉圓)이라고 하는 작은 원을 그린다는 이론을 세웠습니다. 그 이론은 행성들의 움직임을 설명하는 것처럼 보였습니다. 여러 세기에 걸쳐 천문학자들이 더 많은 자료를 수집하였을 때에도, 천동설을 주장하는 우주론자들은 언제나 그들의 주전원에다 가외의 주전원을 덧붙여서 새로운 자료를 “설명”할 수 있었습니다. 그러나 그렇게 한다고 해서 그 이론이 정확함을 의미하는 것은 아니었습니다. 결국 자료가 너무 많아져 설명이 불가능하게 되었고, 다른 이론들, 이를테면 지구가 태양 주위를 돈다는 코페르니쿠스의 생각이 사물을 더 훌륭하게 그리고 더 간단하게 설명해 주었습니다. 오늘날은 천동설을 주장하는 천문학자를 찾기 어렵습니다!

프레드 호일 교수는 오늘날 대폭발설 신봉자들이 그들의 이론을 계속 신빙성 있게 하기 위해 바치는 노력을, 천동설 우주론자들이 새로 발견된 사실들을 앞에 놓고도 자기들의 실패한 이론을 재확립하려고 애쓰던 모습에 빗대어 말합니다. 호일은 「지성 있는 우주」(The Intelligent Universe)라는 자기의 저서에서 이렇게 기술하였습니다. “연구가들은 점점 더 복잡해지며 다루기 어려워지고 있는 개념을 확립하기 위해, 주로 대폭발설의 모순을 감추려고 노력해 왔다.” 호일은 프톨레마이오스가 자기의 이론을 구해 보려고 헛되이 주전원을 사용한 것에 대해 언급하고 나서, 계속 이렇게 썼습니다. “그 결과 현재 빛깔이 바랜 장막이 대폭발설에 드리워져 있다고 나는 주저함 없이 말할 수 있다. 앞서 언급한 것처럼, 일련의 사실들이 이론과 배치될 때, 경험에 의하면 그 이론은 원상 복구가 거의 어렵다.”—186면.

「뉴 사이언티스트」지 1990년 12월 22/29일 호도 비슷한 생각을 거듭 지적하였습니다. “대폭발설에 의한 우주론 모형에 ·⁠·⁠· 프톨레마이오스식 방법이 함부로 적용되어 왔다.” 그런 다음 동 지는 이렇게 묻습니다. “소립자 물리학과 우주론에서 우리가 어떻게 참다운 진보를 이룰 수 있겠는가? ·⁠·⁠· 우리는 우리가 가장 소중히 여기는 일부 가설들의 순전히 이론적인 본질에 대해 좀더 정직하고 솔직해야 한다.” 현재 새로 관찰된 사실들이 쏟아져 나오고 있습니다.

대폭발설이 대답하지 못하는 질문들

대폭발설에 대한 도전은 주로, 허블 우주 망원경의 정확한 렌즈를 사용하여 다른 은하들과의 거리를 측정한 관찰자들에 의해 제기된 것입니다. 새로운 자료로 인해 그 이론가들은 당황하고 있습니다!

천문학자 웬디 프리드먼을 비롯하여 여러 사람들이 최근에 허블 우주 망원경을 사용하여 처녀자리에 있는 한 은하까지의 거리를 측정하였는데, 그 측정 자료는 우주가 이전에 생각했던 것보다 더 빨리 팽창하고 있으며 따라서 우주의 나이도 훨씬 젊다는 것을 시사하고 있습니다. 사실, 그 측정 자료는 “우주의 나이가 80억 년밖에 안 되었음을 시사한다”고 「사이언티픽 아메리칸」지는 바로 작년 6월에 보도하였습니다. 80억 년이 꽤 긴 기간처럼 들릴지 모르지만, 그것은 현재 추정하는 우주의 나이의 절반 정도밖에 안 되는 기간입니다. 이로 인해 특별한 문제가 제기되는데, 그 보도에서 계속 기술하는 바와 같이, “다른 자료는 어떤 별들의 나이가 적어도 140억 년은 된다고 암시”하고 있기 때문입니다. 만약 프리드먼의 수치가 옳음이 증명된다면, 그 오래 된 별들은 대폭발이 있기 훨씬 전에 존재한 것이 될 것입니다!

대폭발설에 제기되는 또 다른 문제는, 우주에는 크기가 1억 광년이나 되며 바깥쪽에는 은하들이 있지만 안쪽에는 아무 것도 없는 “거품” 영역이 있다는 증거가 꾸준히 늘어나는 데서 제기된 것입니다. 하버드-스미스소니언 천체 물리학 센터에서 일하는 마거릿 겔러와 존 허크라를 비롯한 여러 사람들은 북반구의 하늘에서 길이가 5억 광년쯤 되는, 그들이 칭하기를, 은하들로 이루어진 거대한 벽이라고 하는 것을 발견하였습니다. 7인의 사무라이로 알려진 또 다른 집단의 천문학자들은, 그들이 칭하기를, 거대 견인자(牽引者)라고 하는 특이한 우주적 혼합체가 남반구의 바다뱀자리와 켄타우루스자리 근처에 있다는 증거를 발견하였습니다. 천문학자들인 마크 포스트먼과 토드 라우어는 틀림없이 그보다 훨씬 더 큰 어떤 견인자가 오리온자리 너머에 있어서, 마치 “우주의 강”을 흘러가는 뗏목처럼 우리의 은하를 포함하여 수백 개의 은하가 그쪽 방향으로 흘러가게 한다고 믿습니다.

이러한 구조는 모두 당혹스러운 것입니다. 우주론자들은 대폭발의 잔재로 여겨지는 우주 배경 복사로 볼 때, 대폭발로 인한 폭발이 매우 고르고 균일한 것이라고 말합니다. 그렇게 균일하게 시작된 것이 어떻게 그러한 거대하고 복잡한 구조물들을 만들 수 있었겠습니까? “최근에 발견된 벽들과 견인자들로 인해, 우주의 나이 150억 년도 안 되는 기간에 어떻게 그렇게 많은 구조물들이 생겨날 수 있었는지 신비감이 커진다”고 「사이언티픽 아메리칸」지는 시인합니다. 이러한 문제는, 프리드먼을 비롯한 여타의 사람들이 우주의 추정 나이를 한층 더 줄이게 되면, 더 복잡해지기만 합니다.

‘우리가 어떤 근본적인 요소를 빠뜨리고 있다’

겔러는 덩어리로 되어 있거나, 서로 얽혀 있거나, 거품처럼 되어 있는 수천 개의 은하 집합체에 대한 삼차원적인 지도를 만들어, 과학자들이 우주에 대해 묘사하는 방식을 변형시켰습니다. 그는 자기가 보게 된 것을 이해한다고 자처하지 않습니다. 중력만 가지고서는 그가 발견한 은하들의 거대한 벽을 설명할 수 없을 것 같습니다. “나는 종종, 우리가 이 구조물을 이해하려고 시도할 때 어떤 근본적인 요소를 빠뜨리고 있다는 생각이 든다”고 그는 시인합니다.

겔러는 자신의 의혹에 대해 이렇게 부연 설명합니다. “대폭발설의 맥락으로 보면 커다란 구조물을 어떻게 해석해야 할지 난감하기만 하다.” 현재의 천체 지도를 기초로 하여 우주의 구조를 해석한다면 결코 명확하지 않을 것입니다. 그것은 다분히 미국의 로드아일랜드 주에서 관찰한 것을 가지고 전세계를 묘사하려고 하는 것과 같을 것입니다. 겔러는 계속 이렇게 말합니다. “우리는 언젠가 우리가 조각들을 올바로 맞추지 못해 왔다는 것을 알게 될지 모르며, 그 때가 되면 왜 좀더 빨리 그렇게 생각하지 못했는가 하고 의아해할 게 매우 분명한 것 같다.”

이로 인해 무엇보다도 가장 중요한 질문이 제기됩니다. 즉 대폭발을 일으킨 것은 대체 무엇인가? 대폭발설이라는 매우 인기 있는 팽창 이론의 창안자 중 한 사람인 안드레이 린데와 같은 권위자도 이 표준 이론이 그러한 근본적인 문제는 다루고 있지 않다고 솔직히 시인합니다. 그는 이렇게 말합니다. “으뜸가는 중요한 문제는 대폭발이 있었다는 사실 그 자체이다. 사람들은 ‘그 이전에는 무엇이 있었는가?’ 하고 의아해할지 모른다. 그 때 시공(時空)이 존재하지 않았다면 모든 사물이 어떻게 아무 것도 없는 상태로부터 출현할 수 있었는가? ·⁠·⁠· 이 시초의 특이점—그 모든 것이 언제 어디서 시작되었는지—을 설명하는 일은 아직도 현대 우주론에서 가장 해결하기 어려운 문제로 남아 있다.”

「디스커버」지는 최근에 한 기사에서 “합리적인 우주론자라면 대폭발설이 결정적인 이론이라고 주장하지 않을 것”이라고 결론지었습니다.

이제 밖으로 나가서 별이 총총한 하늘의 아름다움과 신비를 찬찬히 관찰해 보도록 하십시오.

[각주]

[5면 네모]

광년—우주의 잣대

우주는 매우 광대하여 그것을 마일이나 킬로미터로 측정하는 것은 마치 런던에서 도쿄까지의 거리를 마이크로미터로 측정하는 것이나 마찬가지일 것이다. 좀더 편리한 측정 단위는 광년으로서, 1광년은 빛이 1년에 여행하는 거리 즉 약 9,460,000,000,000킬로미터이다. 빛은 우주에서 가장 빠른 물질로서 달까지 가는 데 1.3초밖에 안 걸리고 태양까지 가는 데는 8분 정도밖에 안 걸리므로, 광년은 정말 엄청난 거리이다!