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우주의 시작은 있는가? 그렇다면 우주의 종말도 있어야 하지 않는가? 이러한 질문에 현대물리학은 어떤 답을 준비하고 있을까?

우리의 생활 구석구석에 지대한 영향을 준 물리학의 현주소를 알려고 하는 사람들을 위해 물리학이 현재 어느 정도 발전하고 있으며 문제점이 무엇인가를 분야별로 나누어 소개하려고 한다.

우선 미시적 세계에서 일어나는 물리적 현상이다. 초미세한 구조를 가진 물질이란 물리 세계의 빌딩을 짓는데 긴요한 블록에 해당한다. 이것이 무엇인가에 대한 물음은 계속됐다. 오늘날 물질의 기본입자를 발견하기까지 수많은 연구가 이루어졌다. 1960년대까지만 해도 입자물리는 상당히 혼란상태에 있었으나 오늘날에는 상황이 많이 변했다.

이 변화는 크게 두 분야로 발전하게 되는데 둘다 60년대에 시작해 70년대에 결실을 보게 됐다. 첫번째 결실은 쿼크 이론으로 기본적인 아이디어는 다음과 같다. 한 부류는 무겁고 강력하게 상호작용하는 입자의 무리로서 중성자(neutron)와 양성자를 포함한 하드론(hadron), 강한 핵력을 느끼는 또다른 입자들이 주연이다. 다른 한 부류는 렙톤(lepton)으로 알려졌으며 전자와 중성미자(neutrino)를 포함해 일반적으로 가볍고 약하게 상호 작용하는 입자들로 구성돼 있다.

쿼크이론에 따르면 렙톤은 기본입자다. 그러나 하드론은 기본입자가 아니며 쿼크들로 이루어져 있다. 말하자면 쿼크와 렙톤이 물질을 이루는 최후의 근간인 벽돌인 셈이다.

초통일 이론으로 발전

양자이론을 전자장에 응용할 경우를 양자전자역학(quantum electrodynamics, QED)이라고 하며 전자 양전자 그리고 광자들 사이의 상호작용에 대한 이론을 다룬다. 이 이론의 중심된 아이디어는 전자와 양전자가 광자를 교환하면서 상호작용하는 것에 있다. 그래서 광자를 전달자(messenger)입자로 생각할 수 있으며 입자 사이의 전자력을 전달한다. QED의 성공의 열쇠는 "전자장은 추상적이지만 강력한 게이지 대칭으로 알려진 일종의 대칭을 가지고 있다"는 점에 있다. 일반적으로 자연의 기본적인 힘, 즉 중력 약력 강한핵력 전자기력은 모두 게이지 대칭을 가지고 있다. 또한 이러한 힘들은 게이지 입자들의 교환에 의해 전달된다.

1960년대 이론물리에 제2의 거대한 발전이 있었다. 살람(Salam)과 와인버그(Weinberg)는 전자력과 약력은 서로 독립적이 아니고 서로 안을 수 있는 일부라는 것을 보여주었다. 구조적인 전자약력이론의 성공에 힘입어 이론물리학자들은 강력 역시 통합될 수 있는 게이지이론 확장에 힘을 쏟았다. 하드론 사이의 강력은 이미 기술했듯이 복합체로 숨어있는데 비해 하드론 내의 각 개별 쿼크 사이의 힘은 기본적으로 매우 단순하다. 쿼크내 힘의 게이지 이론은 발전을 거듭했다. 그속의 글루온(gluon)은 쿼크 사이에 서로 교환히는 전달자(messenger) 역할을 한다는 것을 알아냈다. 이것이 양자크로모역학(quantum chromodynamics, QCD)이다.

강력에 대한 게이지장 이론으로 살람과 와인버그가 제안했던 전자약력과 강력을 통합할 수 있는 길이 열리게 되었다. 이것을 대통일 이론(grand unified theory, GUT)이라고 부른다.

오늘날 대부분의 이론물리학자들은 초통일 이론(superunified theory)으로 자연의 다른 세가지 힘과 중력을 동시에 묶을 수 있을 것을 기대하며 이 네가지 힘을 모순없이 양자화시켜서 기술할 수 있는 이론에 모든 희망을 걸고 있다.

상대성이론에서 양자우주론으로

두번째는 거대한 세계에서 일어나는 물리적 현상이다. 천문학은 물리학자들에게 항상 자연현상의 풍부한 원천을 제공한다. 최근 중력장에 수용된 이론은 1915년에 제시된 아인슈타인의 일반상대성이론이다. 이 이론은 소위 세가지의 고전적인 시험에 응용됐다. 수성의 근일점 세차운동, 태양에 의한 빛휘어짐 그리고 별과 같은 질량체로부터 탈출하는 적색이동이 그것이다. 현대 천문학자들은 블랙홀, 초신성(supernova)폭발에서 핵반응, 회전하는 중성자 별 근처에서 자기 및 플라즈마 현상 등에서 새로운 모델을 준비하고 있음이 틀림없다. 두가지 발견이 전환점이 됐다. 그중 하나는 1920년대 후반에 일어났는데 천문학자인 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 우주는 팽창하고 있으며 대폭발(Big Bang)이라는 폭발로부터 시작된 우주는 무한한 것이 아니라 유한한 시간을 기원으로 해야 된다는 주장에서 비롯됐다. 다음은 두명의 무선기사가 열복사의 우주 배경 위에서 우연히 마주쳤던 1965년에 일어났다. 이 열복사는 대폭발을 동반하는 태고의 열이 마지막으로 사라져가는 불씨라고 생각됐다.

최근 10년동안 가장 큰 우주론의 진전은 GUT를 초기 우주에 적용한 점을 꼽을 수 있다. 팽창우주론은 현대 우주론을 변화시켰다. 전체적으로 우주에 양자장이론을 응용함으로써 양자우주론이라는 한 분야를 탄생시켰다.

세번째는 복합적인 것에서 일어나는 물리적 현상이다. 복합적인 것에서 일어나는 물리적 현상은 아주 최근에 와서야 비로소 조직적인 연구가 이루어지고 있다. 집합적인 조직에 걸맞은 상태를 보일 때는 복합적인 시스템 자체가 단지 복잡하다고만 할 수 없다. 거대한 입자의 조립체가 자연의 어떤 눈먼 힘에 매달려 있지만, 그럼에도 불구하고 그들 스스로를 협동하는 움직임의 형태로 조직화할 수 있다는 것은 자연의 기적 중의 하나다.

거시적 시스템에서 움직임의 자발적인 질서를 갖춘 좋은 예는 초유체(superfluidity)와 초전도체에서 볼 수 있다. 예컨대 액체가 완전히 마찰이 없거나 전류가 저항없이 흐르는 별난 현상을 들 수 있다. 초유체 이후 자발적인 자기조직화(self-organization)로 가장 잘 알려진 예가 레이저다. 시스템이 평형 상태와는 거리가 멀지만 그 안에서 모든 원자들이 협동, 동시에 작동해 광자를 방출함으로써 갑자기 천이가 일어난다. 그리고 나서 각 개개의 잔 물결이 완전히 한 스텝으로 거대한 파의 행렬을 만든다.

초유체와 레이저 천이는 물리학자들이 상전이(相轉移)라 부르는 것 중의 두가지 예다. 우리의 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 상전이의 예를 들면 얼음이 액체인 물로, 물이 수증기로 상이 전이되고, 퀴리(Curie)온도 이하로 온도를 낮추면 철이 강자성(ferromagnetism)으로 상전이 되는 것을 들 수 있다.

혼돈은 넓은 분야에서 발견되고 있다. 잘 알려진 예로 난류, 일기예보, 지자기 발전, 심장의 작은 섬유질 화, 방울져 떨어지는 물방울, 벌레의 밀집질서, 레이저, 전기회로, 화학반응 등을 들 수 있다. 혼돈 역시 어떤 형태로 일어날 때마다 어느정도 보편성의 양상을 띠고 있다. 혼돈이 예측 가능한 과학질서의 붕괴를 나타냄에도 불구하고, 중요한 수학적 질서는 있다. 실제로 혼돈과 자기조직화는 깊은 관련이 있는 것으로 나타났다. 가령 자기조직화로 천이되는 시스템에서는 혼돈에로의 천이가 있다.

양자역학은 확실한 기초를 기반으로 미시 시스템의 관찰 결과, 예측에 성공할 수 있다. 그러나 관측할 때 실제로 무슨 일이 일어났는가를 묻는다면 아무 대답도 할 수 없지 않는가.

네번째로 새물리는 무엇인가. 첫번째 과학혁명은 갈릴레이와 뉴턴, 그의 동료들의 업적에 힘입어 17세기에 일어났다. 주로 물질 힘 운동이 주연급 배우로 오늘날 과학적 방법이란 대부분 여기에 기초하고 있다. 두 번째 혁명은 20세기초에 일어났으며 상대성원리 양자론 방사능의 발견 등이 주도한 과학혁명이다. 많은 사람들은 상대성이론과 양자역학이 '새물리'라고 하나 이들의 결과는 이미 지나간 20세기에 풍미했던 내용이다. 양자론과 상대성이론이 현대 물리학의 근간을 이루고 있으며 이 이론들은 단순한 이용을 넘어서 새로운 개념으로 발전하고 있으며 실용화되는 수준으로 진전되고 있다.

다른 분야에 비해 상대적으로 잘 정의된 분야에서 특별한 발전이 폭발적으로 일어났던 제 1, 2 과학 혁명의 경우와는 달리 제 3의 혁명은 여러 분야의 전단(front)에서 고르게 일어나고 있다. 이 글을 쓰는 목적은 이 모든 전단을 깊이있게 다루는 데 있다. 이 내용이 바로 '새물리'(new physics)가 될 것이다.

물리학자들은 어떤 특별한 분야에 대해 게으름을 고백하곤 한다. 예를 들면 눈송이 생명체 일기의 형태 등을 규명하지 못하기 때문이다. 그들은 원칙적으로 이러한 것들이 물리학 밖의 분야라고 생각하지는 않는다. 물리학자들은 물리법칙과 더불어 경계조건 초기조건 구속조건 등에 관한 지식만으로도 원칙적으로 우주의 모든 현상을 설명하는데 충분하다고 믿는다. 그래서 전 우주, 즉 물질의 가장 미세한 입자에서 큰 은하계까지를 물리학자의 영역에 넣고 있다.

실제로 가장 개척이 안된 분야는 우리의 마음과 물체와의 상호작용일 것이다. 인류가 창조된 이후 우리는 끊임없이 앎을 추구해 왔다. 초통일 이론이 완성되면 우주에 대한 아니 자연에 대한 우리의 지식 투쟁은 끝나게 될 것이다.

이 글에서는 앞으로 시공의 문제 상대성 중력 혼돈 양자광학 유기합성 통일장이론 소립자 우주블랙홀 등을 심도있게 다루면서 문제점이 무엇이며 해결의 방향이 어떤 것인가에 대해 자세히 설명할 것이다. 그리고 가능하다면 다른 학문과의 관계도 이야기하려 한다. 물리학에 대한 기본적인 소양 없이는 이해하기 힘들겠지만 될 수 있는 대로 수식을 쓰지않고 기술할 것이며 필요한 경우 가장 최소한의 수식을 쓸 작정이다.
 

우주의 시작은? 끝은?

인류는 원천적인 질문을 계속해왔다. 이 글을 읽고 있는 독자도 이와같은 의문을 한번쯤은 가졌을 것이고 그것은 미해결의 장으로 남아 있을 것이다. 우주는 시간적으로 시작이 있는가. 그렇다면 우주의 종말도 있어야 하지 않을까. 만일 우주의 마지막 장이 넘겨진다면 다음은 어떤 세계로 이어질까. 아니면 영원히 끝이 없지는 않을까. 우주가 크다고 하지만 모서리를 가져야하지 않을까. 아니면 무한히 펼쳐지기만 할까 등등. 이 모든 질문을 현대과학의 발전 단계내에서 설명할 수 있는데까지 답을 요약해 보자.

초기의 우주는 어떠했는가. 종교적인 측면에서 우주에 인간이 탄생한 것은 최근세인 약 4천년 전 어느날 신에 의한 창조였다고 기록돼 있다. 실제로 우주창조에 대한 최초의 필요성은 순수한 과학탐구에 의해서가 아니라 신의 존재를 증명하기 위해서였다.

그러나 플라톤이나 아리스토텔레스 같은 초기 그리스 철학자는 신의 직접적인 간섭을 좋아하지 않았다. 그래서 우주는 존재해왔고 미래에도 영원히 존재할 것이라고 생각했다. 고대 사람들은 우주가 공간적으로 한계가 있다고 믿었으며 초기 우주론자들은 우주가 평평하고 하늘을 마치 세숫대야처럼 머리위에 뒤집어 쓰고 있다고 생각했다.

17세기에 와서야 비로소 갈릴레이의 관측으로 우주의 모델은 코페르니쿠스의 모델로 바뀌었는데, 그것은 지구도 다른 행성들과 마찬가지로 태양의 주위를 돌고 있다는 내용이었다. 이러한 사실은 하늘에 대한 개념을 바꾸게 했고, 고정된 별들 또한 지구가 태양의 주위를 도는 것과 마찬가지로 태양주위를 돌고 있되 거리가 멀어서 움직임을 볼 수 없다는 생각에 이르렀다. 이것을 깨닫자 지구가 우주의 중앙이라는 신념을 버리고 다른 별들도 우리의 태양과 마찬가지로 무한의 우주에 걸쳐서 거의 골고루 퍼져있다는 것을 자연스럽게 받아들였다.

1687년에 출발된 뉴턴의 중력 이론에 따르면 각 별은 우주에 있는 모든 다른 별들에게 끌리고 있다. 그렇다면 이 모든 별들은 왜 한점으로 모이지 않는가. 무한 우주가 있다 하더라도 한 별에 미치는 중력의 힘은 다른 쪽의 별의 인력에 의해 균형을 이루기 때문에 어떤 별에 미치는 진짜 힘은 제로이며 별들은 운동하지 않는 채로 남았다고 생각했다. 그러나 무한히 많은 양의 별에서 나오는 힘들을 한 별에 중첩해서 더할 때 별 하나는 움직이게 할 수 있다. 만일 많은 별들이 서로 끌어 당기면서 그들이 서로에게 떨어져 부딪치기 시작한다면, 별들이 제아무리 멀리 떨어져 있다하더라도 운동하지 않고 그대로 머물러 있을 수 없다.

그래서 변화하지 않는 무한의 우주라는 아이디어는 많은 문제점을 가지고 있다. 그것은 스위스의 천문학자 드 세소(J.L.de Cheseaux)가 처음 알아냈고 후에 올버스(H. Olbers)가 완성했다. 만일 똑같은 평균밝기로 별이 골고루 퍼져있다면 아주 단순한 계산에 따라 우주의 어떤 주어진 점에 도달하는 별빛의 전체광속(flux)은 무한하다는 결과에 도달된다. 그렇게 되면 어두운 밤하늘 대신에 용광로처럼 훨훨 타는 밤하늘을 연상해야 한다. 운동을 하지 않고 정지된 우주는 잘못된 이론인 것이다.

이러한 모순점에도 불구하고 18, 19세기 사람들은 우주라는 것은 시간적으로 변하지 않는 것이라는 신념을 가지고 있었다. 시작이 있느냐 없느냐 하는 문제는 형이상학적인 문제였던 것이다. 마찬가지로 우주가 영원히 존재하며 유한의 시간 전에 현재의 형태로 창조 됐다고 믿는 것도 형이상학에 속했다.

아인슈타인이 빛의 전파에 대한 발견을 기초로 해 뉴턴의 중력 이론을 변조한 일반상대성이론을 공식화시킨 1915년에 와서야 정지된 우주에 대한 신념은 공격 받기 시작했다. 그는 또한 우주상수라는 것을 덧붙였는데 이는 아주 멀리 떨어져 있는 입자들 사이에 척력이 작용한다는 내용이었다. 아인슈타인의 일반상대성이론의 기본적인 형태는 공간(엄격히 말하면 시공)이 휘어져있다는데 있다. 중력은 그 자체가 시공의 기하학에서 뒤틀리거나 휘어져 있는 것으로 설명된다. 아인슈타인의 우주 모델은 휘어져있는 공간에 대한 좋은 예다.

아인슈타인 우주에 대한 관측자는 원칙적으로 공간의 모든 분야를 탐구할 수 있으나 여전히 모서리나 경계를 볼 수 없다. 공간이 그 자체로 휘어져 있고 닫혀져 있어서 구 표면은 3차원과 유사한 모습을 갖기 때문이다. 아인슈타인은 적으로는 여전히 무한하다고 생각했다.
 

프리드만 방정식

현대 우주론은 어떠한가. 아인슈타인의 정지우주모델에는 이론 물리학적으로 중대한 실수가 하나 있었다. 만일 그가 우주상수 없는 일반상대성의 원본 해석에 충실했다면 아마도 우주가 확장되거나 붕괴됨을 예언했을 것이다. 슬리퍼(Slipher)와 허블(Hubble)은 우리 자신의 은하계 별들로부터 오는 빛을 관측한 결과 똑같은 사실을 알게 됐고, 더 나아가 스펙트럼이 더 길어진 빨강 파장 쪽으로 이동(shift)하고 있음을 발견했다. 이로써 알 수 있는 것은 다른 은하계가 우리로부터 멀어져 가고 있다는 사실이다. 이러한 현상이 도플러이동(shift)이다. 허블은 적색이동이 은하계가 우주로부터 더 멀어질수록 크다는 놀랄만한 사실을 관측했다.

허블의 발견으로 우주는 정지해 있지 않고 확장하고 있음을 알게됐다. 확장의 율은 대단히 낮다. 두 은하계가 지금의 거리의 두배로 벌어지기 위해서는 자그마치 2백40억년이 걸릴 것이다. 우주가 시작이 있고, 끝이 있느냐하는 토론은 완전히 새로운 골격을 갖추어야 했다. 이것은 정지우주와 같이 단지 형이상학적인 문제가 아니라 실제 물리학적으로 시작과 끝이 우주에 있을 수 있음을 의미했다.

아인슈타인의 일반상대성이론과 허블의 적색이동의 관찰에 모순이 없으면서 확장하고 있는 우주에 대한 적절하고 실질적인 모델이 러시아의 물리학자이자 수학자인 프리드만(Alexander Friedmann)에 의해 제시됐다. 모델은 다음의 세가지로 일반화된다. 첫째 은하계들은 아주 서서히 움직여서 그들 상호의 인력(중력)은 그들이 멀어지지 못하게 해 궁극적으로 서로 가깝게 끌어당기게 만든다. 우주는 최대 크기로 확장될 것이고 재붕괴될 것이다. 두번째 은하계들은 너무 빨리 멀어져가 중력은 결코 은하계를 정지시킬 수없고 우주는 영원히 확장할 것이다. 세번째 재붕괴를 피하는 임계비율하에서 은하계가 멀어지고 있다는 것이다.

원칙적으로 우리는 현재의 평균 질량밀도로확장비를 비교함으로써 어느 모델이 우리가 사는 우주에 합당한지 결정할 수 있다. 현재 우리가 직접 관측한 바 우주의 물질 질량은 우주의 팽창을 멈추게 하기에는 충분하지 않다. 그러나 우리가 볼 수 없는 더 많은 질량이 있다는 것을 보여주는 간접적인 증거는 충분히 있다. 그것을 때로 어두운 물질문제라고 부른다. 보이지 않는 물질이 팽창을 멈추기에 충분하든 하지 않든 간에 팽창은 아직도 의문점으로 남아있다.
 

대폭발 특이점

궁극적으로 재폭발한 프리드만의 우주 모델에서 공간은 아인슈타인의 정지우주모델에서와 마찬가지로 유한하나 구속돼 있지 않다. 두개의 프리드만 모델에서의 공간은 무한하다. 한편 세개의 모델 모두는 시간적으로 모서리 혹은 경계가 있다. 팽창이란 소위 '대폭발 특이점'이라 불리는 무한의 밀도 상태로부터 시작한다. 대폭발을 그려보는 가장 좋은 방법으로 시간적으로 수축하는 우주영화를 상상하면 된다. 주어진 우주의 옛날 영역은 움츠러들어 점점 빨리 반경이 0이 될 때까지 수축한다. 이러한 접점에서의 공간의 체적이 가지고 있는 물질과 에너지는 한 점, 즉 특이점으로 압축될 것이다.

물질과 에너지의 무한 압축때문에 시공의 곡률은 프리드만 특이점에서 무한대로 된다. 더구나 모든 현재의 과학적 이론은 시공을 배경으로 세워졌기 때문에 모든 이론은 이러한 특이점에서 붕괴되고 말 것이다. 마찬가지로 특이점 이후에 어떤 사건을 예측한다든가 어떤 영향을 미칠 것인가를 알아낼 방법 또한 없다. 따라서 그 때를 시간의 끝이라고 생각해도 좋다. 프리드만 방정식에 따르면 예측할 수 있는 시간의 시작과 끝은 그 이전의 아이디어와는 상당히 다르다. 프리드만 이전의 방정식 해(解)에 따르면 시간의 시작 혹은 끝이 있어야 할 필요가 없었다. 달리 말하면 프리드만 모델에서는 시간의 시작과 끝은 역학적인 원인으로 생긴다. 사람들 중에는 여전히 대폭발 이후 어떤 시간에 외부의 행위자에 의해서 창조된 우주를 상상하기도 한다. 그러나 대폭발 이전에 창조됐다고 말하는 것은 아무런 의미도 갖지 못한다. 우주의 현재 팽창률로부터 대폭발은 아마도 1백 억~2백억년 전에 일어났었음을 유추할 수 있다.

전지전능은 아직?

경계를 가진 시공의 실제 문제점은 과학의 법칙으로 우주의 초기상태(특이점)에 대한 확정적인 정의를 내리지 못한다는 점에 있다. 단지 그 이후 어떻게 진화할 것인가를 보여줄 뿐이다. 많은 과학자들은 우주의 모서리가 형이상학 혹은 종교와는 경계에 있다고 느끼기 때문에 우주의 경계에 대해 이야기하기를 곤혹스러워 한다.

그래서 그들은 '우주의 자의적인 상태'에서부터 이야기하는 것이다. 그 경우에 우주는 완전히 임의의 방법대로 진화할 가능성이 있다. 우주는 어떤 법칙에 따라서 잘 결정된 방법 속에서 진화한다는 증거가 있다. 그러므로 초기조건을 지배하고 우주의 상태를 결정한 단순한 법칙이 있을 수 있다고 가정하는 것이 불합리하지만은 않다.

우주의 초기조건이 그러한 특이점에 있어야한다고 정의하는 것은 매우 어려운 점이다. 그러나 양자역학이 이용됐을 때 시원스레 풀어질 가능성이 보였다. 우주 팽창 초기에 무슨 일이 일어났을까. 시공은 대폭발의 시점에서 모서리가 있었던가. 그 대답은 이러하다. 즉 우주의 경계조건들은 북쪽 방향을 지구의 북극으로 명확하게 규정지을 수 없는 것과 마찬가지로 초기 시간을 명확히 할 수 없다. 대폭발 이전에 무슨 일이 일어났느냐고 묻는 것은 북극에서 북쪽으로 1km 지점에 있는 한 점을 찾는 것과 같다.

시간이 시작됐을때 우리가 측정한 양에는 모서리가 있다. 지구 표면은 북극에서 모서리를 갖지 않는다. 만일 시공은 유한하지만 경계나 가장자리가 없다면, 이것은 중요한 철학적 암시를 가졌을 것이다. 이것은 과학의 법칙 홀로(즉 과학의 법칙이 경계조건에 의해 보충될 필요없이), 하나의 수학적 모델로 우주를 기술할 수 있음을 의미할 것이다.

우주의 행동을 지배할 수많은 부분적인 법칙을 갖고 있지만 우주 법칙의 정확한 형태를 완벽하게 모른다. 우리는 지금도 전진하고 있으며 금세기 말까지 이 법칙을 발견할 기회가 주어질 것이다. 이것이 우주의 모든 것을 예언할 수 있을 것처럼 보이지만 반드시 그렇지만은 않다. 우리의 예언 능력은 어떤 양은 정확하게 예측할 수 없고 단지 확률 분포로 예측 가능한 불확정성 원리에 의존할지 모른다. 또한 방정식을 푸는 것이 너무 복잡하다는 문제점이 있다. 따라서 우리는 전지전능으로부터 아직도 먼 거리에 있다고 봐야 할 것이다.