<최무영 교수의 물리학 강의> 20-23강 후기

micales
2022-02-27 22:03
144

우주에 비해서 우리는 굉장히 작은 존재이다. 약 1m 70cm 남짓한 인간에 비해 그들이 사는 행성은 반지름만 해도 6400km가 넘어가고, 그에 비해 태양은 109배, 즉 700,000(70만)km정도의 반지름을 가지며, 태양계 전체는 10,000,000,000(100억)km 정도의 크기를 가진다. 우주적인 관점에서 보면 우리가 하는 행동들은 사소해 보인다. 어쨌거나 약45억년 뒤에 지구는 태양에 의해서 집어삼켜질 것이며, 그렇지 않아도 먼 훗날 우주는 찢어지건, 찌그러지건, 얼어버리던, 아니면 이를 반복하든지 중 하나의 결말을 맞이할 것이다. 그리고 그렇다해도 너무나 짧은 우리 삶의 관점에서는 이것에 대해 영향을 받지 않을 것이다. 그렇다면 도대체 "뭔 상관인가?"

과학은 어떤 것을 우리에게 말하고 있는 걸까.

 

(***)

우주는 팽창하고 있는데, 이는 허블이 발견한 허블의 법칙에 의해서 밝혀진 사실이다. 이를 설명하자면 먼저 빛의 성질을 알아야하는데, 먼저 우리의 눈에 보이는 빛(적외선)의 색은 빛의 파장에 의해서 정해지고 파장은 온도가 올라감에 따라서 짧아지는 성격을 가진다. 이는 빛의 파동이 일정 시간 내에 얼마나 많이 진동하는가(=진동수=1/t, 진동한 횟수를 걸린 시간으로 나눈 값, 즉 한 번 진동하는데 걸리는 시간)에 따라서 정해지는데, 따라서 파장이 길어지면 빨간색 쪽으로 더 가까워지게 된다. 이는 별빛에도 똑같이 적용된다.

외계은하의 별에서 오는 빛을 분석해보면 빛의 스펙트럼이 원레 있어야할 자리가 아니라 빨간색 쪽으로 치우쳐져 있음을 알 수 있는데, 이는 결국 그 빛이 우리에게 도달하고 있을 때에 거리가 늘어나면서 파장이 더 늘어났음을 의미한다. 이러한 현상(적색편이)은 우주가 계속해서 팽창하고 있음을 뒷받침하고 있고, 이와 같은 사실을 통해서 몇몇은 우주가 팽창을 거듭하다가 항성과 은하에서 원자와 기본 입자 등 우주의 모든 물질과 심지어는 시공간 그 자체가 결국 '찢어진다는' 주장을 하기도 한다(빅 립 가설). 

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같은 현상이 우리가 길거리에서 지나가는 구급차의 사이렌 소리를 들을 때에도 발생한다. 이를 도플러 효과라고 부르는데, 이는 구급차의 소리가 우리 방향으로 다가올 때에는 소리가 우리에게 다가오는 거리가 짧아지고 따라서 소리의 파장도(빛의 파장과 마찬가지로) 길어지면서 소리가 더 높은 음으로 들리고, 반대로 멀어져 갈 때에는 더 낮아지는 것처럼 들리는 것이다(거리가 늘어남에 따라 파장의 길이도 늘어났음으로).

 

 

 

 

인간은 우주에 비하면 굉장히 작은데, 책에서 최무영 교수는 이를 1000층 짜리 건물을 작은 개미가 지하10층에서 올려다 보면서 그 구조를 추측하는 것보다도 어렵다고 비유를 든다. 그럼에도 불구하고 인간은 우주에 대한 측정을 계속하고 있는데, 경우에 따라서는 연주시차를 이용해서 거리를 측정하기도 한다. 이 방법에 따르면 공전하는 지구에서 별을 관측했을 때 지구가 해의 왼쪽에 있을 때는 별이 다른 멀리있는 별들을 기준으로 오른쪽에 있는 것으로 보이고 반년을 기다려서 지구가 해의 반대쪽에 있을 때는 별의 위차가 멀리 있는 별에 대해서 또 달라지는 현상을 이용한다. 다시말해, 별 자체는 움직이지 않지만 지구가 움직임으로서 이러한 현상이 발생하게 되는 것이다. 그리고 여기서 별의 위치 변화에 따른 시차각을 측정하여서 거리를 잰다(두번째 그림). 

 

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 별은 여러 단계를 거쳐 나름의 '생'을 살아가는데, 그 중 우리가 매일 접하는 태양의 경우는 가벼운 별에 속하며, 그에 2-3배에 준하는 질량을 가지는 별들 또한 같은 과정을 거치는데, 이러한 별들의 생애는 수소를 다 소진한 후 에너지의 부족으로 중력을 버티지 못하고 헬륨으로 구성된 속심이 수축하며 온도 1억도 가량으로 올라가고 표면이 팽창한다. 그와 동시에 속심에서는 헬륨이 융합을 거쳐 질량을 에너지로 바꾸어(E=MC^2) 빛을 낸다. 즉, 적색거성이 된다. 따라서 태양은 약 45억 년 후 엄청나게 부풀어 올라 지구를 비롯해 화성까지도 다 흡수해 버릴 것이다. 그 뒤 해의 겉은 불안정적인 기체구름으로 흩어지고 속심은 중력에 의해 단단히 뭉쳐진 1/100 크기를 가진 백색왜성이 된다. 여기서 원자의 전자가 밀려나 '졸아들'고 이 졸아든 전자기체가 이 백색왜성을  이룬다. 

그러나 태양의 1.4배가 넘는 질량을 가지는 별은 백색왜성이 되지 못하고(졸아든 전자드이 버티지 못함으로) 터지는, 다시말해 초신성을 일으킨다. 이때 겉은 태양과 마찬가지로 기체구름이 되지만 속심은 중성자별이 된다. 이 중성자별에서는 중력이 백생왜성보다 더 커서 전자가 단순히 졸아드는 것이 아니라, 양성자 안에 '찌부러져 들어간다'. 그리고 이 밀도는 손톱만큼의 크기가 수억톤의 질량을 가지는 굉장히 들어차 있는 형태가 된다. 그리고 중성자도 중력을 지탱할 수 있는 질량의 한계가 있는데(해 질량의 2-3배), 이를 넘어가면 우리가 아는 블랙홀로 변한다. 

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현재의 과학에 따르면 우주는 빅뱅이후로 계속해서 팽창하고 있다. 그 관측의 예가 바로 다른 은하가 우리에게서부터 멀어지고 있음을 지지하는 측정결과, 적색편이다.

 "그렇다면 대폭발로 우주가 탄생해서 계속 불어나고 있는데 앞으로는 어떻게 될까? 저자는 중력과 우주의 물질 밀도에 따라 정해진다고 한다. 우주에 물질이 충분히 많다면 서로 당기는 중력이 강하므로 우주는 언젠가 줄어들게 되겠지만(닫힌 우주), 우주에 물질에 많지 않으면 중력이 강하지 않으므로 끝없이 불어나게 될 것이다.(열린 우주)" (22강 발제 중에서)

 

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 이 두 가설은 물질 사이의 서로 끌어당기는 중력의 크기에 따라 좌우되는데, 만약 중력이 강하지 않았고 우주의 팽창이 매우 빠르게 이루어졌다면 중력을 이겨내고 우주는 풍선처럼 부풀다가 어느 순간 찢어지게 되지만, 만일 중력이 충분히 강했고 빅뱅 이후 팽창이 그렇게 빠르게 이뤄지지 않았다면 우주는 팽창하다가 중력을 이기지 못하고 어느 순간 서로 계속해서 끌어당기게 될 것이며, 그 뒤 특이점으로 다시 모이게 될 것이다. 

하지만 우주에서 관측이 가능한 물질의 밀도는 서로 간에 중력으로 끌어당기기에는  굉장히 작다. 다시말해, 서로 끌어당기기에 충분하려면 가까이 모여 있어야 하는데, 그렇게 서로 모여있는 정도가 터무니없이 작다는 것이다. 따라서 열린우주(빅 립 Big rip)가 결론이 되리라고 예측할 수 있으나, 실제로는 관측되지 않는 물질, 즉 암흑물질을 고려한다면 닫힌우주의 결말도 생각해볼 수는 있다. 

 

 

그런데, 앞에서 이야기했듯, 대체 이러한 이야기들은 우리의 삶과 어떠한 영향을 주고받을까? 우리에게 벌어지지도 않을 일들, 크게 상관없어 보이는 '딴 행성' 이야기들은 어떤 쓸모가 있는 걸까? 물론 모든 것을 그것의 용도성으로 환원하는 태도도 지적할 수도 있겠지만, 그보다도 우주는 우리의 삶에 상관이 있다. 

 

"인간이 우주를 이해하려고 노력해서 우주의 영상이 의식에 투영되면 결국 삶의 방식에 영향을 주게 됩니다(...) 현대도 마찬가지입니다. 자연과학이라는 방식을 통해서 우주를 이해하고 있는 것이 당연히 우리의 삶에 영향을 주기 마련입니다(...) 전체 우주에서 인간의 위치를 설정함과 동시에 생명에 대한 연구를 통해서 결국은 삶의 의미와 방식에 영향을 주리라 기대합니다."(본문 582쪽) 

 

우주는 결국 우리가 살아가고 있는 물질적인 세계를 지칭한다. 그리고 이를 이해하는 것은 우리를 포함한 주위의 세계, 다시말해 세계에 포함되어 있는 우리 자신의 위치에 대한 규정도 동시에 이루어지고 있음을 이야기하며, 이러한 세계와 교류하는 우리자신에 대한 통찰을 기대해 볼 수 있는 기회이기도 하다. 즉, 우주에 대한 이해의 욕망은 어쩌면 우리가 우리자신의 세계에 대한 탐구를 지속하고자 하는 욕망으로도 읽힐 수 있다는 이야기이다. 이렇게 하여 세계를 해석하는 방식에 영향을 주는 것은 우리 저신에 대해서도 다시금 생각하게 만든다. 천동설에서 지동설으로의 코페르니쿠스적 전환이 세계의 해석에 끼친 사상적 영향, 뉴턴이 우주에 질서를 부여함으로서 세계를 카오스에서 코스모스로 읽게 된 계기 등이 이를 말해준다. 

 

"우리 자신을 포함해서 전체 우주에 대한 정확하고 타당한 해석과 이해가 가능해지면서 삶의 새로운 의미를 추구하게 됩니다."(본문 587쪽)

 

 
댓글 4
  • 2022-02-27 23:03

    지구를 벗어나 우주를 향하는 인간의 호기심이 우주 속 우리의 위치를 다시 설정해 삶의 관점이나 태도를 바꿀 수 있다는 것은 곧 우리가 우주만물과 연동되어 있음을 깨닫는 지점과 맥이 닿을듯 해요.바쁘다면서도 이리 정성스러운 후기를 올리시느라 수고하셨어요.

  • 2022-02-27 23:06

    우주로부터의 귀환, 이라는 책도 좋다고 하더라고요. 우주에서 지구를 본 사람들 이야기라고 해요. 저도 이 참에 읽어봐야겠어요. 읽을 책이 많네요^^

  • 2022-02-28 11:36

    계속 삶의 새로운 의미를 추구하게 된다고 했는데

    모두 구체적으로 어떤 삶의 새로운 의미를 가지게 되었는지 궁금하네요.

  • 2022-02-28 14:11

    우와 후기 내용도 삽입된 그림도 좋네요.

    글쎄요. 삶의 의미는 각자 다르겠지만, 이전과는 다르게 살 수밖에 없는... 그런 절실함을 우주가 우리에게 줄 수 있을까요...

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