창의력올림피아드

융합의 시작 – BIG BANG (1)

물질의 탄생

   현대를 살아가는 우리에게 물질은 생존의 필수적인 존재다. 

   정신, 사유, 영혼 등의 종교적, 심리적 영역에서조차도 뇌나 신경계 등의 상호작용이 만들어내는 결과 즉, 물질의 범주에서 해석하고 분석하려는 시도가 없는 것은 아니다. 그러나 아직은 객관적으로 입증 단계에 있다고 보지는 않는다. 이러한 전제 하에 의·식·주를 비롯하여 우리가 일상적으로 생활하고 살아가는 모든 것이 물질 사이의 상호작용의 결과라는 해석에는 이론의 여지가 없어 보인다.

  ‘융합’이라는 거대 담론을 이야기하고자 하는 마당에 처음부터 뜬금없이 물질을 꺼낸 이유는 단순하다. 앞서 언급했듯이 ‘융합’이라는 개념이 현재보다 진보한 인류의 미래를 건설하기 위해 인위적이고 의도적이며 계획적으로 산출한 인간 사유의 결과물인지, 아니면 존재하는 모든 것들 속에 기본적이고 숙명적으로 내재하고 있는 원초적 본능으로서 물질 고유의 타고난 본성 또는 속성인지를 검증해보기 위해서다.

  ‘물질의 본성 또는 속성’을 이해하기 위해서는 고차원적인 과학적 접근이 필요할 수 있다. 138억 년 전 현재의 우주는 무한 또는 무한에 가까운 초고온, 초고압, 초고밀도의 임의의 점(특이점)이 어떤 이유에서이건 임계점에 다달아 대폭발이 일어났다. 빠른 속도로 팽창하면서 저온, 저압, 저밀도로 향해 가면서 마침내 최초의 물질이 만들어진다. 이러한 이론은 전 세계 과학계가 정설로 받아들이고 있는 보편적 우주 탄생 이론인 ‘정상 우주론’이다. 소위 우리가 빅뱅 (Big Bang)이라고 부르고 있는 우주 대폭발을 전제로 한 이론이다. 이 이론을 정확하게 이해하기 위해서는 일반상대성 이론(Theory of general relativity), 팽창 우주(Cosmic Expansion), 알파, 베타, 감마 이론(Theory of α, β, γ)을 비롯하여 (전체 과학자의 1%도 채 이해하지 못한다는) 양자역학(Quantum mechanics) 이론에 이르기까지 난해하기 그지없는 과학적 접근이 필요할 수 있다. 그러나 이 모든 이론을 섭렵해야만 ‘물질의 본성’을 이해할 수 있다고 생각하지는 않는다. 고난도의 학문적 접근이 ‘물질의 본성’을 이해하기 위한 필수 불가결한 요소는 아니라고 생각한다. 

   우리는 자주 또는 가끔 제시되거나 발생한 현상에 대해 ‘아하’ 하면서 즉각적이고 명료하게 깨달음을 얻을 때가 있다. ‘물질의 본성’을 이해하기 위한 학문적 도구는 기초 개념만으로도 충분하다는 생각이다. 따라서 불필요한 부분은 생략하거나 가능한 최소화하고 꼭 필요하다고 생각되는 부분은 고등학교 수준 또는 극히 제한적으로 일반 화학이나 일반 물리학 등 대학교 저학년 수준의 지적 내용으로만 접근해 보고자 한다. 만약 독자 중에 이 글을 읽으면서 특정한 과학이론이나 이해하기 어려운 용어가 나오더라도 특별한 의미부여 없이 그냥 지나쳐도 맥락을 이해하는데 큰 문제는 없을 것이다. ‘물질 본성’에 대한 통찰에 크게 방해되지는 않을 것이다. 언제가 될지 모르지만 굳이 궁금증을 해소하고 싶거나 탐닉하고 싶은 분들을 위해 글의 맨 뒤쪽에 각주와 참고문헌을 첨부하도록 하겠다.

   대폭발이 일어나기 전에는 은하, 항성, 행성 등 우주를 이루는 거시세계 사이의 운동 상태의 평형을 규율하는 중력(Gravity)과 미시세계 사이 즉 원자핵 안에 존재하는 중성자와 양성자 사이의 관계를 규율하는 강한 핵력(Strong nuclear force), 기본 입자(쿼크, 렙톤 등 현재까지 발견된 우주를 구성하는 기본 입자는 17개로 알려짐) 사이의 붕괴를 일으켜 방사능의 원인을 규율하는 약한 핵력(Weak nuclear force), 전하 즉, 플러스 전하(+)와 마이너스 전하(-) 사이의 움직임에 의해 규율되는 힘인 전자기력(Electromagnetic) 등 우주와 자연계에 존재하는 4개의 힘이 하나였다. 대폭발이 일어나면서 이들 힘이 독자성을 띠며 분리되기 시작했다. 

   일반상대성 이론을 주창한 위대한 과학자 아인슈타인의 평생의 목표는 거시세계의 힘인 중력과 미시세계의 힘인 강력, 약력, 전자기력 등 4가지 힘을 하나로 규율하는 법칙을 찾아내는 소위 ‘통일장’(Unified theory of field) 이론을 확립하는 것이었다. 하지만 21세기 현재까지 인간의 능력 밖에 있는 난공불락의 미지의 영역으로 남아 있다. 물리학 특히 입자물리학이나 양자역학을 연구하는 학자라면 누구나 한 번쯤은 도전하여 해결해 보고 싶은 필생의 소망일 것이다. 여기에서 힘을 언급하는 데에는 나름대로 합리적인 이유가 있다. 위에서 언급한 힘들이 직접적이든 간접적이든 물질의 본성에 결정적인 역할을 한다고 믿기 때문이다.

   그렇다면 물질이라고 부르는 것의 정체는 무엇일까. 고전적 의미에서의 물질의 정의는 “일정한 부피를 통해 시공간의 일부를 차지하여야 하고 질량을 가져야 하며 실체로서 존재하여 궁극에는 물체를 구성하게 되는 재료”라고 정의되고 있다.

   물질을 구성하는 최소 단위는 “원자”로 알려져 있다. 물론 원자보다 더 작은 크기의 전자나 양성자, 중성자와 그보다 더 작은 쿼크, 렙톤과 같은 어떤 것들이 존재하기는 하지만 물질을 구성하는 기본 단위로는 인정하지 않는다. 그 이유는 원자들의 집합체만으로 물질이 구성될 수 있지만 전자들만으로 이루어진 집합체, 쿼크들만으로 이루어진 집합체라는 것은 애초에 존재할수도 존재하지도 않기 때문이다.

물론 양자역학으로 대표되는 현대물리학에서는 소위 위와 같은 고전적 방식으로 물질을 정의하지는 않는다. 양자역학에서는 단순히 "공간과 질량“ 개념만으로 물질을 정의하는 것이 명료한 개념이 될 수 없다고 말한다. 질량과 부피가 물질 고유의 속성이 아니라 "기본 단위"의 상호작용에 기인하여 변화되는 것이 물질이라고 규정하며 정의하고 주장하고 있다.

   대부분의 과학자들은 우주 대폭발이 일어난 후 1분이라는 짧은 시간 이내에 전자와 양성자, 중성자라는 입자가 탄생하였고 3분의 시간이 경과 하자 헬륨 원자핵이 탄생하였고 38만 년 후 원자핵과 전자가 만나 수소, 헬륨이 생겨났다고 믿고 있다. 이후 3억 년 동안 즉 최초의 별(항성, 스스로 빛을 내는 천체)이 생겨나기 전까지 우주는 오로지 수소와 헬륨 두 가지 원소만이 지배하는 고독하고 외로운 우주 상태를 유지했고 보고 있다.

   그렇다면 원자핵이 탄생하기 직전 즉, BIG BANG이 일어나고 수억분의 1초가 지나가던 찰나의 순간 초고온, 초고압, 초고밀도 상태의 초기 우주에는 무엇이 생겨나고 있었을까. 알파, 베타, 감마 이론(Theory of α, β, γ)에서 조지 가모는 전자, 쿼크, 렙톤, 뮤온 등(현재는 300여 개의 소립자가 발견되고 있음 - 소립자라고 하는 것은 쪼개고 쪼개도 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위의 입자를 말함)의 소립자들이 죽과 같이 섞여 존재하였다고 주장한다. 그리고 그러한 혼돈의 상태를 아일럼(ylem) 이라고 명명하였다. 그렇다면 아일럼(ylem) 직전에는 무엇이 있었을까. 바로 시공간을 아우르는 빛으로 대변되는 에너지가 있었다. 어쩌면 ‘태초에 빛이 있었다.'는  철학적, 종교적 경구가 현대물리학에서 실체적으로 증명이 된 것일지도 모른다.

   빛은 에너지의 한 형태이다. 또한 우리는 E=MC² 즉 에너지와 질량(물질의 속성 중 하나)은 등가성을 갖는다는 아인슈타인의 물리법칙을 이해하고 있다. 이에 따라 극 초기 우주 시대에 초고온, 초고압, 초고밀도의 에너지가 대폭발을 일으키면서 발생한 엄청난 빛에너지가 전자, 쿼크, 렙톤(경입자), 뮤온, 중성미자, 타우 등의 근본 입자로 전환되었다는 사실에 주목할 필요가 있다. 이 시기 즉, 시공간과 에너지, 소립자들이 뒤엉켜 있는 상태를 지칭하는 아일럼(ylem) 상태의 극 초기 우주부터 물질의 본성에 대한 본격적인 이야기를 시작하려고 한다.