[책 한 모금]빅뱅으로 탄생한 우주는 왜 캄캄한가

편집자주 - 그 자체로 책 전체 내용을 함축하는 문장이 있는가 하면, 단숨에 독자의 마음에 가닿아 책과의 접점을 만드는 문장이 있습니다. 책에서 그런 유의미한 문장을 발췌해 소개합니다.

우주는 138억년 전 빅뱅에서 탄생했다고 알려졌다. 빅뱅 직후 우주에 일어난 여러 변화는 과학자들의 오랜 관심사였다. 이 책은 빅뱅 직후의 순간을 설명하려는 과학자들의 분투를 담고 있다. 미지의 세계에서 답을 찾는 노력이다. 아인슈타인의 상대성이론을 통해 우주가 팽창하고 있다는 사실을 발견했지만, 도대체 왜라는 질문은 아직 답을 찾지 못하고 있다. 우주의 95%를 이루는 암흑물질과 암흑에너지도 미지의 영역으로 남아있다. 저자는 그 답을 찾아가며 우주론의 큰 흐름을 쉬운 언어로 풀어낸다.

이 책을 통해, 나는 독자들이 우리 우주의 첫 순간들로 여행을 떠나도록 안내할 것이다. 시간과 공간의 본질에 대한 아인슈타인의 혁명적인 깨달음에서 출발해, 이 아이디어가 어떤 과정을 거쳐 우주가 탄생한 뜨겁고 조밀한 상태인 빅뱅의 발견으로 이어졌는지 살펴볼 것이다. 또한 망원경부터 입자 가속기까지 다양한 장비를 사용해 우리 우주의 초기 역사를 탐구해온 과정도 최선을 다해 설명할 것이다. 이를 바탕으로, 우리 우주의 첫 몇분의 1초를 어수선하게 만드는 퍼즐과 미스터리, 미해결된 문제들을 집중적으로 조명할 것이다. 우리 우주에는 어쩌다 그렇게 많은 물질과 그렇게 적은 반물질이 있게 되었을까? 암흑물질은 어떻게 형성될 수 있었을까? 우리 우주는 어떻게, 왜 짧은 시기의 급속한 팽창을 경험하게 되었을까? 그리고 이것은 우리 우주가 오늘날 다시 한번 가속 팽창하고 있다는 사실과 연관이 있을까? - p.24~25

그러나 20세기의 물리학자들은 시간과 공간이 그렇게 단순하지도 간단하지도 않다는 것을 깨달았다. 아리스토텔레스, 갈릴레오, 뉴턴과는 달리, 이제 우리는 시간과 공간이 변화하고 진화할 수 있으며, 모양을 갖추고 늘어나고 변형될 수 있다고 이해한다. 시간과 공간은 팽창하고, 수축하고, 휘감기고, 꼬이고, 끊어지고, 휘고, 부풀고, 심지어 존재 자체를 시작하거나 멈출 수도 있다. 뉴턴과 갈릴레오는 공간이나 시간을 설명하는 데 이런 어휘를 사용할 수 있다는 것을 상상조차 못했을 것이다. 그러나 우주론은 바로 이처럼 동적이고 살아 움직이는 시간과 공간의 특성 위에 세워졌다. - p.36

아인슈타인 이전의 우주는 영원토록 변화가 없는 온전한 모습이었다. 그러나 만일 우주가 변화할 수 있다면 우주의 시작도 있었을 것이고, 어쩌면 끝도 있을 것이다. 의도한 것은 아니지만 아인슈타인은 인간에게 우주의 기원과 역사에 대한 고민을 안겨주었다. - p.52

은하들이 우리에게서 멀어지고 있고 그 속도는 은하까지의 거리에 비례한다는 허블의 발견은 우리 우주가 팽창하고 있으며 시간에 따라 변화한다는 첫 번째 증거를 명백히 제시했다. 이 사실은 놀라운 의미를 담고 있다. 변화 가능성을 품고 있는 것―예컨대 우리 우주―은 어쨌든 항구적이거나 영원하다고 할 수 없다. 그리고 영원하지 않은 것은 시작이 있었을 것이다. 아니 있어야 한다. 과학자들이 우리 우주의 기원에 대해 묻기 시작한 것은 불가피한 일이었다. - p.83

우리 우주의 가장 첫 순간을 이해하기 위해, 우리도 먼 과거의 물리적 조건을 재현해주는 기계를 사용한다. 이 기계들은 냉장고가 아니다. 사실 냉장고와는 정반대다. 우리는 입자 가속기를 사용해 빅뱅 후 1조분의 1초가 지난 극초기 때의 온도를 재현해 물질과 에너지가 어떻게 행동하는지 연구한다. 직접 시간을 거슬러 과거로 가 우주 역사의 첫 순간을 목격할 수 없으니 우리는 이곳 지구 위에 빅뱅의 축소판을 재현하는 것이다. - p.108~109

물질과 반물질 사이의 이러한 관계 때문에 우리 주위의 세상을 이해하기가 어려워진다. 결국 우리 우주가 한때 물질과 반물질로 채워져 있었고 물질과 반물질이 항상 함께 창조되고 파괴되는 것이라면, 스스로에게 묻지 않을 수 없다. 이 세상은 어쩌다 이렇게 물질로만 채워지고 반물질은 거의 사라졌을까? 반물질들은 다 어디로 갔는가? 그리고 왜 물질은 반물질과 함께 사라지지 않았을까? - p.139~140

암흑물질이 무엇인지 또는 무엇으로 만들어졌는지 아직 모르지만, 우주의 첫 순간, 아마도 빅뱅 후 첫 100만분의 1초 안에 만들어졌을 가능성이 높다. 암흑물질을 이해하게 된다면 암흑물질의 성질뿐 아니라 우리 우주 극초기의 순간에 대해서도 알아낼 수 있을 것이다. 암흑물질 연구가 곧 이 세상의 기원에 대한 연구인 것이다. - p.169~170

여러 곳을 뒤져볼 수 있겠지만, 가장 가능성 있어 보이는 곳은 우리 은하의 중심이었다. 최고 수준의 관측과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 우리 은하 중심 근처의 암흑물질 밀도가 꽤 높다는 사실이 알려졌는데, 그렇다면 그곳의 암흑물질 입자가 매우 빠른 속도로 상호작용을 하며 소멸하고 있으리라 기대할 만했고, 소멸 과정에서 엄청난 양의 감마선이 생성될 것이었다. - p.202

LHC가 거둔 결과들은 입자물리학을 중심부터 뒤흔들어놓았다. 20세기 후반기에 입자 이론물리학자들은 여러 입자를 성공적으로 예측했고, 이 입자들은 점점 더 강력해지는 가속기에서 속속 발견되었다. 참으로 인상적인 성공의 연속이었다. 그러나 우리의 혜안은 막바지에 다다른 것 같다. 초대칭과 관련해 오래전부터 예측되었던 입자들은 고집스럽게 모습을 감추고 있다. 어쩌면 초대칭 또는 그 비슷한 무엇이 손만 내밀면 닿을 가까운 곳에 있을지도 모르고, 우리의 확신은 곧 회복될 수도 있을 것이다. 그러나 지금 당장은 계층 문제를 어떻게 풀어야 하는지, 표준 모형을 어떻게 완성할 것인지, 암흑물질이 우리 우주의 양자적 구조에 어떻게 들어맞는지 이해하지 못한다고 말하는 것이 옳을 것이다. - p.231~232

‘공간을 가로질러’ 이동하는 것은 그 어떤 것도 빛의 속도보다 빠르게 날아갈 수 없지만, 공간 자체는 이런 제약에 구속받지 않는다. 공간 안에서 떨어져 있는 점들이 팽창하는 공간에 실려 멀어지는 속도는 어떤 값이든 될 수 있다. 그 결과, 우리가 쏘아 보낸 빛 또는 신호는 이 먼 은하에 결코 도달하지 못할 것이다. 그리고 먼 은하에 사는 이들이 우리 쪽으로 보내는 신호도 결코 우리에게 도달하지 못한다. 공간의 끊임없는 팽창 때문에 우리는 이렇게 먼 곳과는 절대 소통할 수 없고, 볼 수도 없고, 그 어떤 방식으로도 접촉할 수 없다. 그곳은 우리의 관측으로부터 완전히 단절되어 있으며, 우리는 어떤 영향력도 그곳에 미칠 수 없다. - p.250

우주론이 발전하면서 다른 우주의 존재를 고려해볼 이유가 점점 더 많아지고 있다. 이런 우주들 중 다수는 우리 우주와 매우 다를 수도 있고, 어떤 우주는 굉장히 비슷할 수도 있다. 어느 쪽이든, 나는 우리가 경험할 수 있는 영역으로부터 완전히 분리된 세상에 대해 이야기하고 있다. 가장 강력한 망원경으로도 닿을 수 없는 곳에 있는 세상 말이다. - p.283

다행히도 우리 우주에는 아직 접근하지 못한 다른 형태의 정보가 많이 남아 있다. 우주마이크로파배경은 우주 역사의 한 특정 순간에 형성되었고―빅뱅 후 약 38만 년―그때 우리 우주를 채우고 있던 대전된 핵과 전자들은 대부분 중성인 원자로 전이되었다. 이 전이가 일어난 이래로 중성 원자들은 각기 다른 종류의 빛을 방출하고 있다. 차세대 우주론 학자들이 우리 우주와 그 첫 순간을 연구할 수 있는 가장 강력한 도구가 바로 이 우주의 원자 기체atomic gas가 내뿜는 빛이다. - p.338

우리 우주의 첫 순간 | 댄 후퍼 지음 | 배지은 옮김 | 해나무 | 348쪽 | 1만8000원

서믿음 기자 faith@asiae.co.kr