물리학자가 본 천지창조의 비밀 - 김 수 봉

물리학자가 본 천지창조의 비밀 - 김 수 봉

 

작년 2009년은 진화론의 다윈이 탄생한지 200주년이 되는 해이었습니다.

다윈은 생명의 진화를 말하였지만 생명 이전에는 물질이 있는데 이 물질은 어떻게 생겨났는가 하는 것이 오늘 제 강의의 주제 입니다.

 

무생물인 원소가 결합되어 아미노산, 단백질 등이 생겨남으로 생명체가 되는데 물질과 생명체의 경계선은 과연 어디일가 하는 것은 인간이 아직 밝혀 내지 못하고 있지만 물질 그 자체가 어떻게 생겨났는가에 대한 연구는 제가 전공한 물리학계에서 계속되어 왔습니다.

 

우리가 사는 지구는 스스로 빛을 내지 못하니까 '별'이 아니지만 우주에는 수많은 '별'이 있고 그 수많은 별은 137 억 년 전 빅뱅 (Big Bang, 대폭발) 이후 초기 3분 46초 만에 생겨난 것이라고 봅니다.

 

초기 우주의 크기는 성냥개비 1개를 100 억 개로 나누고 그 1조각을 다시 100 억 개로 나눈 뒤 또다시 그 1조각을 100 억 개로 나눈 크기로서 그 대신 온도와 밀도는 어마어마하게 높았습니다.

 

그러나 빅뱅 0초의 순간은 인간이 이해 할 수 없으며 현재 인간이 이해하는 최초의 우주는 빅뱅 후 10의 -43승 초까지 입니다.

 

초기 우주 빅뱅 직후에는 소립자(素粒子) 뿐이었습니다. 입자(粒子)와 반입자(反粒子)의 생성과 소멸이 평형을 이루고 있었는데 반입자가 100억 개이고 입자는 1개가 더 많은 100억 1개 가 된 것입니다.

 

0.01초 지난 뒤 핵자(양성자와 중성자)가 생겨나고 0.1초 경과하면 균형을 이루었던 중성자와 양성자 중에서 무거운 중성자가 양성자로 변하여 양성자와 중성자의 비율이 62:38이 됩니다.

 

3분이 지나면 온도가 낮아짐에 따라 가벼운 수소 핵이 합성되기 시작하여 양성자와 중성자 비율이 86:14가 됩니다. 그 후 3분 46초가 경과하면 다시 낮아진 온도로 헬륨 핵 합성이 시작되어 헬륨이 우주 물질 질량의 26 %가 됩니다.

 

왜 26%가 되느냐 하면 헬륨 합성이 시작되기 직전 양성자와 중성자 비율이 87 : 13 인데 각 각 2개의 양성자와 중성자가 합쳐져 헬륨 핵을 구성하기 때문입니다.

 

그리고 30~70만년이 지나면 전자와 핵이 합쳐져 안정된 원자를 합성하고 10억년이 경과하면 수소/헬륨 원자들이 중력에 의해 모여 별과 은하를 형성합니다.

 

 

 

이 수소와 헬륨 가스의 덩어리인 별이 핵융합 반응을 일으키면서 무거운 원소 (탄소, 질소, 산소 등)를 만들고 철 원소까지 만들게 되면 초신성으로 폭발하면서 이 물질들을 우주로 날려 보냅니다.

 

그렇기 때문에 인간은 초신성의 재활용품이라고 할 수 있지요. 별의 핵융합이 이루어지면서 에너지가 발생되고 그 에너지가 빛을 내게 됩니다.

 

우리 지구 인간의 에너지는 이 태양의 빛에서 비롯되고 있는데 인간이 태양의 빛을 받아 광합성을 통해 자라는 식물을 먹고, 그 식물을 먹고 자라는 동물까지 먹기 때문입니다.

 

우주의 역사를 137억년이라고 하면 태양의 역사는 45 억 년,인간의 역사는 800만~1,000 만년이라고 봅니다.

 

태양이 태어난 45억 년 전 지구도 태어났으므로 지구의 역사 45억년을 하루 24시간으로 가정을 하면 새벽 3시경 생명체를 구성하는 단세포가 생겨났고 밤 10시 경 육상동물이 태어났으며 공룡은 밤 11시 경 태어나 약 45분간 활동하다 사라졌고 고생 인류는 자정 1분 전에 탄생한 것이며 인류의 문명은 자정 몇 초전에 시작된 것이라고 비유 할 수 있습니다.

 

초기 우주에 있던 반입자는 현재 우주에 존재하고 있지 않지만 그 존재를 확인 할 수 있는 장치가 있는데 그것이 입자가속기(粒子加速器,accelerator)입니다.

 

과일을 절단하여 그 씨와 주변 내용물을 보려면 예리한 칼이 필요한데 세포 크기는 현미경으로, DNA크기는 전자현미경으로 보듯이 원자와 소립자와 같이 아주 작은 과일을 절단하기 위해서는 1조 원짜리 입자가속기라는 칼이 필요한 것입니다.

 

이 1조 원짜리 입자가속기가 우리나라에는 없기 때문에 저는 프랑스 연구소에 가서 이 가속기를 통해 우주 초기 존재했던 반입자를 보고 연구를 할 수 있습니다.

 

보통 별을 80세라고 가정하면 우리 태양은 12~13세 정도의 어린별에 해당합니다. 이러한 빅뱅 이론의 성립과 관측 근거를 살펴보면 아래와 같습니다.

 

(1).1929 년 허블이 은하의 적색편이( 赤色偏移) 스펙트럼으로 우주가 팽창한다는 것 을 관측. (적색편이란 별이 멀어질 때 나오는 빛의 파장이 길어지는 도플러의 효과에 의해 파장에서 빛의 중심이 긴 쪽(적색)으로 약간 이동한다는 현상을 말함).

 

(2).1948년 가모브가 우주는 한 점에 모였었다는 대폭발 우주론 발표.

 

(3).1965년 윌슨/펜지아즈 가 초기우주에서 방출된 빛(전파) 즉 우주배경복사 관측

 

(4).헬륨이 우주 물질의 약 25%임을 예측 하고 관측.

 

이상 빅뱅이론을 중심으로 천지창조의 비밀을 알아보았는데 우리는 현재와 다른 우주에 대해서도 상상을 해 볼 수가 있습니다.

 

즉 초기우주에서 입자와 반입자의 개수가 처음처럼 똑 같았다면 현재의 우주는 빛으로만 가득 차 있는 우주가 되어 있을 것이고 우주의 팽창속도가 훨씬 더 빨랐다면 중성자가 양성자로 바뀌기 전에 핵이 합성되어 헬륨이 더 많고 수소가 훨씬 적은 우주를, 반대로 우주의 팽창속도가 훨씬 느렸다면 거의 모든 중성자가 양성자로 바뀌어 수소 핵이 대부분이고 헬륨이 거의 없어 별의 진화가 매우 다른 우주가 되어 있을 것입니다.

 

이러한 우주의 드라마가 우연의 일치인지? 아니면 위대한 설계인지? 아직도 빅뱅이론이 해결하지 못하는 과제는 너무나 많습니다.

 

장시간 경청해 주셔서 감사합니다.

 

이글은 서울대학교 상과대학 17회 포럼에서 서울대학교 김수봉 교수가 강의한 내용입니다.

심명기 동문이 요약한 것을 이곳에 전재한 것입니다.