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우리가 만약 조물주의 입장에서 세상의 모든 삼라만상을 만든다면 어떻게 할까. 머리속에 무수히 떠오르는 시나리오만 정리하다 시간을 허비하고 말 것이다. 그렇다면‘신’은 어떻게 우주에 생명의 질서를 부여했을까. 타임머신을 타고 우주가 처음 생겨나던 1백50억년 전으로 되돌아가보자.


‘하나님이 가라사대 빛이 있으라 하시매 빛이 있었고 그 빛이 하나님이 보시기에 좋았더라.’ 성경의 창세기 1장 3-4절의 말이다. 성경에 따르면 태초의 우주는 공허하며 어둠으로 가득찬 혼돈의 상태였다. 여기에 하나님이 빛을 만들고 뭍과 물을 구분한 뒤 각종 생명체를 만들었다. 인간은 천지창조의 마지막 날인 6일째 흙으로 빚어 만들어졌다.

하지만 현대과학이 밝혀낸 천지창조의 과정은 창세기의 기록과는 여러모로 다르다. 현대과학은 창세기 1장이 말하는 태초가 지금부터 약 1백20억-1백50억년 전의 시점이라는 사실을 알아냈다. 약 1천억개의 별이 들어 있는 은하계가 1천억개 정도 모인 것이 우주의 전체 모습이다. 태초에는 우주 전체의 질량과 에너지가 수천억°C를 넘는 뜨거운 한 점에 모여 있었다. 이 한 점 우주가 1백50억년 전의 한 시점에 대폭발(Big Bang)로 팽창을 시작해 지금도 계속 팽창하고 있다는 주장이 빅뱅우주론의 골자다. 빅뱅우주론에 대한 증거는 코페르니쿠스가 지구중심설을 태양중심설로 대치할 때 제시했던 증거보다 훨씬 더 다양하고 풍부하다.

그렇다면 과학과 성경의 이런 불일치를 어떻게 이해해야 할까. 성경은 수천년 전에 당시 사람들이 이해할 수 있는 언어로 기록됐기 때문에 과학적으로 정확한 것은 아니라고 생각해야 할까. 아니면 신앙과 이성은 별개의 것이므로 이성을 배제한 단순한 믿음이 진정한 신앙이라고 해야 할까. 두가지 주장 모두 어느 한쪽의 입장을 포기해야 하는 반쪽짜리 논리다. 그렇다면 정녕 과학과 종교의 입장을 모두 만족시키는 온전한 대안은 없단 말인가.

천지가 창조되는 1백50억년 전의 상황으로 되돌아가서 우주창조의 과정을 새롭게 해석하는 과정을 통해 과학과 종교의 행복한 만남을 마련해보자.


모든 비밀은 수소의 역사 속에

모 일간지에 연재중인 ‘광수 생각’이라는 만화에 다음과 같은 얘기가 실린 적이 있다. 생명의 비밀을 풀었다고 자신한 인간이 신에게 우리도 사람을 만들 수 있다고 말한다. 그러자 신은 그럼 한번 해보라고 했다. “자 이렇게…”하며 흙을 집어 사람을 빚으려는 인간에게 신이 말한다. “그게 아니지. 내 흙으로 말고 네 흙으로 해야지”하고 말이다.

인간이 아무리 생명의 원리를 이해하고 인간복제의 기술을 터득한다고 해도 아무런 재료 없이 무에서 생명을 만들 수는 없을 것이다. 그렇다면 신이 인간을 빚는 원료로 이용했다는 ‘흙’은 무엇을 말하는 것일까. 신이 사용한 흙의 정체를 알아보기 위해 시간을 1백50억년 거슬러올라, 태초에 천지가 창조되는 그 순간으로 가보자.

태초에 우주를 창조한 ‘신’이 있다고 하자. 여기서 신은 자연과학의 기본원리라고 이해해도 되며 하나님이라고 생각해도 무방하다. 아무튼 신은 스스로 정한 원리에 따라 질서 있는 우주를 창조한다. 그런 다음 점차 질서를 더해가는 우주에 생명을 기획했다. 이때 신은 다음과 같은 사항을 고민했을 것이다. 생물과 무생물에 전혀 다른 법칙을 적용할까, 아니면 동일한 우주적인 원리를 적용할까. 다른 재료를 사용할까, 아니면 같은 재료를 사용할까. 다른 종류의 생명체를 따로따로 만들까, 아니면 간단한 생명체를 먼저 만들고 그로부터 발전적인 원리를 도입해 자연의 기획원리를 파악할 지능을 가진 인간을 만들까. 원자는 몇종류나 필요하며, 어떻게 만들까. 어떤 원리로 원자들을 결합시킬까. 생명을 유지하고 발전시키는데 필요한 에너지는 어떻게 공급할까 ….

놀랍게도 이런 중요한 질문에 대한 대답은 우주의 역사와 궤를 같이 하는 수소에 모두 들어있다. 우주와 생명을 기획한 신의 마음은 1백50억년 수소의 역사에 모두 들어있는 것이다.
 

신의 기본 계획

빅뱅의 순간에 이미 신은 물질세계의 기본단위로 원자를 만들고 이를 이용해 인간을 포함한 삼라만상을 만들기로 마음먹은 것으로 보인다. 영혼이 깃들 몸은 질량을 가진 물질이어야 한다. 육신이 없이는 먹고 마시는 즐거움을 누릴 수 없고, 꽃의 색깔과 향기도 취할 수 없으며, 사랑하는 사람과 신체적 접촉을 가질 수도 없다. 그런데 삼엽충과 공룡, 포도나무 등 다양한 동물과 식물, 시원한 바람과 흐르는 시냇물, 보리떡과 물고기 등의 삼라만상을 제각기 상관없는 다른 물질로 만든다면 엄청나게 많은 종류의 물질이 필요할 것이다. 전능한 신이라면 그리 못할 바도 아니지만, 물질의 종류가 너무 많으면 후일 인간이 물질세계를 제대로 파악할 수 있을지 의문이다.

그래서 신은 자연에 약 1백가지의 레고조각을 두고 이들의 적당한 조합으로 수백만, 수천만 가지의 화합물과 생물종을 만드는 방법을 통해 물질세계의 다양성을 이뤄나가기로 작정한다. 그리고 신은 한 단계 더 나아가 백가지 레고조각을 만드는데 있어서도 그 중 가장 간단한 기본 레고조각을 먼저 만들고, 이 기본 조각을 둘, 셋, 넷 이렇게 쌓아서 나머지 레고조각을 만드는 방법을 채택한다. 그러면 후일 인간은 일이 쉬워진다. 기본조각을 파악하면 그 다음 할 일은 그 수를 세는데 불과하기 때문이다.


화평케 하는 중성자

1백50억년 전 빅뱅우주에서 신은 기본 레고조각을 만드는 일에 착수한다. 즉 기본 원소를 만드는 일이다. 여기서 원소란 같은 종류의 모든 원자를 통칭하는 말이다. 즉 한국인 한사람 한사람이 원자라면 한민족이라는 집단은 원소에 해당한다.

그런데 후일 인간이 수소라고 이름 붙일 첫번째 원소를 만드는데 고려해야 할 일이 있다. 원자와 분자가 존재하기 이전부터 화학결합의 원리를 구상하고 있는 신은 수소 원자를 최종적인 기본입자로 했다가는 커다란 문제에 봉착할 것을 알고 있었다. 수소 원자(H) 두개를 합쳐 두번째 원소인 헬륨(He)을 만들려다가 수소 분자(${H}_{2}$)를 만들게 될 지도 모른다. 즉 원자와 분자의 관계와 원자와 다른 종류의 원자 사이의 관계가 모호질 수 있다. 따라서 원소들 사이의 차이는 원자 내부의 근원적 위치에 두는 것이 좋을 듯하다.

그래서 신은 수소 원자를 만들기 전에 양성자라는 +1의 전하를 가진 입자와 -1의 전하를 지닌 전자를 만들었다. 그러면 양성자 하나와 전자 하나를 합해 수소 원자를 만들 수 있다. 또한 양성자 두개를 합하면 두번째 원소인 헬륨을 만들 수 있을지 모른다. 그런데 문제가 있었다. +1의 양전하를 가진 양성자 두개를 합치려고 하자 같은 전하를 지닌 양성자끼리의 반발력이 엄청나게 커지는 것이다. 후일 쿨롱이라는 프랑스 과학자의 이름이 붙여지는 이 힘은 거리의 제곱에 반비례하기 때문이다. 그렇다고 우주적 음양법칙을 통해 원자 간 결합뿐 아니라 남녀 간의 결합까지, 생명의 생육과 번성을 구가할 꿈을 꾸고 있는 신으로서는 쿨롱법칙을 취하할 수도 없다.

여기서 신은 기막힌 방법을 개발한다. 반발하는 양성자 사이에 끼어들어 반발을 무마할 중개자를 만드는 것이다. 더 정확히 말하면 이런 상황을 예견한 신은 애초에 ‘쿼크’라는 기본입자를 만든다. +2/3의 전하를 가진 업쿼크와 -1/3의 전하를 가진 다운쿼크다. 그리고는 업쿼크 두개와 다운쿼크 한개를 조합해 +1 전하의 양성자를 만든다. 또한 단지 쿼크 입자의 조합만 바꾸어 업쿼크 하나와 다운쿼크 두개로 전하가 0인 중성자를 만든다. 물론 쿼크니, 양성자니, 중성자니 하는 말은 후일 이들을 발견한 인간이 붙인 이름이다.

중성자를 화평케 하는 자로 사용할 뜻을 가진 신은 쿼크 사이에 쿨롱의 힘보다 1백배나 되는 강한 핵력을 부여한다. 양성자나 중성자 안에 쿼크들이 붙잡혀있는 이유는 강한 핵력 덕분이다. 양성자와 중성자가 만나면 쿨롱 반발력이 작용하지 않기 때문에 충돌할 거리까지 접근이 가능하다. 그러면 양성자에 들어있는 쿼크와 중성자에 들어있는 쿼크 사이에 강한 핵력이 작용해서 후일 이중수소라고 불리는 양성자와 중성자가 하나씩 들어있는 단단한 입자가 생긴다. 그러나 레고 조각의 종류 면에서 이 입자는 양성자가 하나인 수소의 일종이다. 아직 두번째 원소가 생긴 것은 아니라는 말이다.

이중수소 둘이 만나면 재미있는 일이 벌어진다. 보통 수소, 즉 양성자 둘이 만나면 거리가 가까워질수록 더욱 커지는 엄청난 반발력을 무마할 길이 없다. 하지만 이중수소는 옆에 끼고 있는 중성자 덕분에 이 반발력을 가라앉힐 수 있다. 최초의 핵융합이 가능해지는 것이다. 두명의 남자(양성자)가 마주보고 눈을 부라리고 있는데 두명의 여자(중성자)가 남자 사이에 끼어 남녀가 교대로 손을 잡은 상황을 생각해보자. 마주보는 남자끼리는 반발력을 느낀다. 그런데 이 힘(쿨롱 반발력)보다 양쪽의 여자와 손잡은 결속력(강한 핵력)이 훨씬 더 강하다. 신은 중성자를 사용해 양성자가 두개 들어있는 두번째 원소 헬륨을 만든 것이다. 우주의 나이가 3분 정도 지난 시점의 일이다. 하지만 지금까지 만들어진 수소와 헬륨은 엄밀히 말하자면 수소와 헬륨의 원자핵이다.

신은 급격히 팽창하는 빅뱅 우주에서 가까스로 헬륨을 만든 수소에게 좋건 싫건 한숨 돌릴 시간을 허용한다. 온도와 입자의 밀도가 떨어져 헬륨의 융합으로 탄소, 산소 등 무거운 원소를 만들 가능성이 눈 깜짝할 사이에 사라져버린 것이다. 그러나 수억년 후 별과 은하가 생기고 별의 내부에서 원소의 합성이 재개될 때, 신은 수소를 다시 한번 모든 원소의 기본재료로 사용한다. 태양과 같은 주계열성의 별은 일생의 대부분을 수소의 융합으로 보내는 것이다.

주계열성은 별의 절대밝기를 세로축, 온도를 가로축으로 잡아 이 둘의 관계를 나타낸 좌표에서 사선상에 배열되는 한무리의 별을 말한다. 별의 일생은 주계열성을 거쳐 다음 단계인 적색거성으로 되는데, 이때 탄소에서 철까지의 원소들이 생기고, 적색거성의 다음 단계인 초신성에서 나머지 무거운 원소들이 생긴 다음, 이들이 초신성 폭발로 우주공간으로 퍼져나간다. 탄소, 산소, 질소, 인 등 생명체를 구성하는 기본입자는 이렇게 우주공간을 방황하다 약 46억년 전에 지구상에 자리잡았다. 이로부터 수많은 시간이 흐른 뒤, 1910년 영국의 모즐리라는 청년이 모든 원자의 핵에 들어 있는 양성자 수를 센다. 수소를 모든 원소의 기본입자로 선택한 신의 의중을 읽은 것이다.
 

기묘한 양자역학의 세계

다시 빅뱅 우주로 거슬러 올라가서 우주의 나이가 약 30만년일 때 획기적인 사건이 벌어진다. 신은 지금까지 따로 놀던 양성자와 전자를 모아 최초의 중성원자를 만든 것이다. 후일 인간을 포함해 모든 생명현상은 원자를 기본단위로 이루어질 터이기 때문에 원자의 형성은 가볍게 볼 일이 아니다.

아인슈타인의 말대로 쿼크의 조합으로 만들어진 양성자의 전하가 별도로 만들어진 전자와 전하의 크기는 같고 부호만 반대여서 정확히 상쇄되는 점은 참으로 신기한 일이다. 양성자와 전자의 전하 절대값이 약간만 달랐어도 중성원자는 만들어지지 않는다. 우리 몸을 구성하는 원자의 총 개수는 약 ${10}^{28}$개인데, 이들이 양이건 음이건 미미한 전하라도 지닌다면 모든 원자는 쿨롱반발력 때문에 뿔뿔이 흩어지고 말 것이다.

중성원자가 생길 때 신기한 일은 이뿐이 아니다. 양성자의 크기는 ${10}^{-15}$m 정도이고 전자는 이에 비해 거의 무시할 정도로 작다. 그런데 이 둘이 합해진 수소 원자는 ${10}^{-10}$m의 크기로, 1 + 0 = ${10}^{5}$이 되는 셈이다. 앨리스의 이상한 나라보다 더 신기한 양자역학의 나라는 이미 빅뱅 우주 한가운데 있었다.

양자역학을 자연의 기본원리로 채택한 신은 덴마크의 닐스 보어에게 수소의 스펙트럼을 해석해 양자역학을 확립하는 작업을 맡기기로 이미 예정했는지도 모른다. 그리고 수소로부터 헬륨의 핵융합이 주기율표 완성에서 획기적인 진전이었던 것처럼, 후일 슈뢰딩거가 양자역학을 수소에서 헬륨으로 확장한 일은 신의 주사위 놀음을 이해하는데 결정적 계기가 된다.
 

우주의 매직넘버

중성원자로서의 수소와 헬륨이 생긴 후, 우주공간에는 우주 역사상 최초의 분자가 생긴다. 그런데 이 최초의 분자는 수소로만 생기지 헬륨에서는 생기지 않는다. 수소 원자도 세개, 네개씩 마구 결합하는 것이 아니라 항상 둘씩 모여 H-H 구조를 가진 분자를 만든다. 헬륨 원자는 다른 헬륨 원자와도 수소 원자와도 결합하지 않는다. 마치 수소 원자는 무언가가 부족해 다른 수소와의 결합을 통해 부족한 부분을 채우려는 듯하고, 헬륨은 아무런 부족함이 없는 태평한 모습이다. 후일 영국의 레일리와 램지에 의해 아르곤, 네온, 제논 등의 비활성기체가 발견되고 태양에서 먼저 발견됐던 헬륨이 지구상에서도 발견되면서 이들 원소가 화학적으로 안정한 이유는 이들의 특별한 전자구조에 있다는 점이 밝혀진다. 가장 간단한 헬륨을 예로 든다면 헬륨은 두개의 전자를 가졌기 때문에 더이상 전자를 필요로 하지 않는다. 아르곤, 네온 등의 경우에는 매직넘버가 2가 아니고 8이다.

수소는 전자가 하나밖에 없기 때문에 불안하다. 어디서 전자를 하나 구해야 할텐데, 자신의 상태에 만족한 헬륨은 전자를 내줄 기색이 조금도 없어보인다. 그래도 수소가 만만하다. 아니 수소밖에는 선택의 여지가 없다. 다른 수소에게서 전자를 빼앗아 자기의 전자수를 매직넘버로 늘려놓고 보니, 자신은 배가 부르지만 전자를 빼앗긴 쪽도 동족인 수소여서 아무래도 잘한 일 같지 않다. 이런 식으로 했다가는 우주 전체 수소의 절반은 불행한 상태로 놓일 판이다.

이때 수소 원자는 기지를 발휘한다. 자신의 전자를 쥔 손을 내밀어 상대방 수소의 빈손에 쥐어주고, 자신의 빈손으로는 상대방 수소가 전자를 잡고있는 손을 붙잡는다. 그렇게 하고 보니 자신도 상대방도 두개의 전자를 붙잡고 있다. 전체적으로 전자의 수는 늘어난게 아닌데도 말이다. 그야말로 하나를 주고 하나를 받는 공평한 거래다. 후일 미국의 랭뮤어는 이런 결합방식에 ‘공유결합’이라는 이름을 붙여서 전세계의 중·고등학생이 빅뱅 우주에서 처음 시도된 지혜로운 결합의 원리를 쉽게 이해하도록 돕는다.

이런 상생의 원리는 모든 인류의 스승이 스스로 실천하고 가르친 우주적 원리다. 우리의 몸도 ${10}^{28}$개의 원자들이 상생의 원리로 조화를 이룬 신비로운 존재다. 공유결합의 원리는 수소뿐 아니라 탄소, 산소, 질소, 인들의 원소가 각종 생체화합물을 만들어 생명을 가능하게 하는 구석구석에 자리잡고 있다.