점에서 시작된 우주, 빅뱅 자체는 모르는 ‘빅뱅 이론’

지난 22일 미국항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)은 스위스의 로잔공과대학 하킴 아테크 교수가 이끄는 연구진이 허블우주망원경과 중력렌즈를 이용해 빅뱅 이후 6억~9억년이 지난 뒤 태어난 원시 은하들의 모습을 촬영하는 데 성공했다고 밝혔다. 이들 은하는 120억년 전 과거에 존재했던 우주의 모습이다. 나사 제공

[토요판] 별
우주론 ① 빅뱅과 우주탄생
우리는 모두 하나의 점에서 시작되었다

▶ 인류는 어디에서 기원했을까. 우리가 사는 지구와 태양계, 은하는 어떻게 생겨난 것일까. 인류 역사 대부분의 기간동안 우주에 대한 의문은 철학과 상상의 영역이었지만, 최근 우리는 여러 과학적 연구 성과를 통해 우주의 섭리를 조금씩 이해해가고 있다. 우주의 삼라만상은 모두 한 점에서 비롯됐다. ‘빅뱅’(대폭발)은 우주가 어떻게 만들어졌고 어떻게 팽창해가는지를 설명하는 대표적 이론으로 자리잡았다. 우주의 기원을 설명하는 우주론을, 3회에 걸쳐 싣는다.

우주는 138억년 전 빅뱅으로 탄생하여 지금까지 팽창을 계속하고 있다. 우리나라 사람 중에 빅뱅이라는 멋진 이름을 모르는 사람은 거의 없을 것이다. 그 이유는 아마도 내가 가장 좋아하는 아이돌 그룹 빅뱅 때문일 것이다. 예전에 연예인들을 상대로 하는 퀴즈 프로그램에서 대략 다음과 같은 문제가 나온 적이 있었다. “우주는 무한히 작은 한 점에서 대폭발이 일어나 탄생했다. 이 대폭발을 영어로 무엇이라고 할까?” 내가 재미있었던 것은 나중에 문제의 답을 알게 된 한 연예인의 반응이었다. 쉬운 문제를 왜 이렇게 어렵게 내느냐는 것이었다. 가수 빅뱅은 쉽지만 우주를 탄생시킨 빅뱅은 어렵다. 가수가 아닌 우주론에서의 빅뱅의 의미, 그리고 그 결과로 우주가 팽창하고 있다는 사실을 알고 있는 사람이 과연 얼마나 될지 나는 항상 궁금하다.

우주가 점점 빠른 속도로 팽창한다는 사실을 발견한 공로로 2011년 노벨 물리학상을 수상한 천문학자 애덤 리스는 학부에서 물리학을 전공한 후 대학원에서 천문학을 공부하면서 우주가 팽창하고 있다는 사실을 처음 알고 큰 충격을 받았다고 고백한 적이 있다. 1920년대에 밝혀진 사실을 1990년대 초반에 물리학을 전공한 과학도가 몰랐을 정도이니 일반 사람들이야 어떻겠는가. 물론 어릴 때부터 충실하게 과학 교육을 잘 받아온 우리나라는 이 정도는 아니겠지만….

시간의 탄생과 플랑크 시대

우주는 어떻게 태어났으며 어떻게 변해왔고 앞으로는 어떻게 될까? 인류 역사 대부분의 기간 동안 이 의문은 철학과 상상의 영역이었다. 천문학은 영원히 철학과 상상의 영역으로 남아 있을 것만 같던 의문에 과학적인 해답을 제시하고 있다.

빅뱅 이론은 우리가 살고 있는 우주가 빅뱅으로 탄생한 이후 어떻게 변해왔는지를 설명하는 이론이다. 사람들의 기대와는 달리 우리 우주가 어떻게 태어났는지를 설명하는 이론이 아니다. 빅뱅 이론의 부족한 점을 보완하는 중요한 이론인 인플레이션 이론을 제안한 앨런 구스는 이렇게 말했다. “빅뱅 이론은 무엇이 폭발했는지, 왜 폭발했는지, 그리고 폭발하기 전에는 무슨 일이 일어났는지에 대해서 아무것도 이야기해주지 못한다.”

아무리 그래도 궁금한 건 어쩔 수 없다. ‘빅뱅 이전에는 무엇이 있었느냐’라는 질문은 끊이질 않는다. 여기에 대한 아마도 가장 과학적인 대답은 이것일 것이다. 우리가 알고 있는 시간이라는 것도 우주가 탄생하면서 생긴 것이다. 빅뱅이 일어나면서 시간이 시작되었으니 빅뱅 이전이라는 것은 아예 존재할 수가 없다. 이 대답에 만족할 사람은 별로 없을 것이다. 뭔가 변명처럼 들린다는 말에 동의할 수밖에 없다. 잘 모른다는 말을 어렵게 하고 있는 것이 아니냐고 해도 할 말이 없다.

빅뱅 이론은 우주가 탄생한 이후에 어떻게 변해왔는지를 설명하는 이론이지만, 우주가 탄생한 순간부터 10-43초 사이의 극히 짧은 시간은 여전히 설명하지 못한다. 이 시기를 물리학자 막스 플랑크의 이름을 따 플랑크 시대라고 부른다. 이 시대를 설명하지 못하는 이유는 과학 이론이 아직 부족하기 때문이다. 가장 큰 문제는 아주 작은 규모를 성공적으로 다루는 이론인 양자역학과 아주 큰 에너지를 성공적으로 다루는 이론인 일반상대성이론을 통합하는 이론이 아직 없다는 것이다. 아마도 미래에 우리는 두 이론을 통합하는 ‘모든 것의 이론’을 만들어낼 수 있을지 모른다. 그 전까지는 과학으로 플랑크 시대를 다룰 수 없다. 빅뱅 이론은 결국 빅뱅에 대해서는 아무것도 설명해주지 못하는 이론인 것이다. 실망스러운가? 하지만 모르는 것을 정확하게 모른다고 하는 것이 과학의 미덕이다.

플랑크 시대 직후부터 현재까지의 우주가 어떻게 변해왔는지에 대해서는 빅뱅 이론이 비교적 자세하게 설명해줄 수 있다. 탄생 직후의 우주는 엄청나게 뜨거운 에너지의 덩어리였고, 그 높은 에너지 속에서 아주 작은 입자들이 만들어졌다. 우주를 구성하는 기본 입자는 10가지가 넘지만 우리가 주변에서 흔히 보는 보통의 물질을 이루는 기본 입자는 쿼크 중에서 업(up) 쿼크와 다운(down) 쿼크, 그리고 전자 이 세 가지뿐이다. 이 입자들이 만들어지자 바로 이어서 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크가 결합하여 양성자가 만들어지고, 한 개의 업 쿼크와 두 개의 다운 쿼크가 결합하여 중성자가 만들어졌다. 우리가 지금 보는 모든 원소들의 기본 재료인 양성자, 중성자, 전자가 빅뱅이 일어난 지 1000분의 1초 이내에 모두 만들어진 것이다.

138억년 전 빅뱅으로 탄생한 우주
시간의 흐름도 빅뱅과 함께 시작
고로 ‘빅뱅 이전’은 존재 않는다
빅뱅 이론은 ‘빅뱅 자체’는 몰라
우주 탄생 뒤 10-43초는 ‘깜깜’

팽창하는 우주는 한결같은 모습
10억년마다 수소 1개 새로 생겨
폭발의 잔해 우주배경복사 발견
빅뱅 이론, 우주 탄생의 정설로
우리와 전 우주는 원래 하나였다

빅뱅 이론과 정상상태 이론

현재의 우주론이 등장하는 데 커다란 구실을 한 ‘빅뱅 이론’을 제기한 조지 가모프의 쪽지. “(정상상태 이론의 대표자인) 호일이 더는 우주론의 험한 세상에서 허우적거릴 필요가 없게 돼 기쁘다”고 적혀 있다. 날짜 미상. 미국물리학회 누리집

이때 만들어진 양성자가 바로 우주에 가장 많이 존재하는 원소인 수소의 원자핵이다. 우주는 아직 매우 뜨겁고 밀도가 높기 때문에 수소 원자핵이 핵융합 반응을 일으켜 헬륨 원자핵이 만들어진다. 러시아에서 핵물리학을 연구하다 스탈린 체제를 피해 미국으로 망명한 과학자 조지 가모프는 이 시기의 핵융합이 3분 이내의 짧은 시기에 모두 이루어졌고, 우주의 뜨거운 열에서 핵융합으로 만들어진 물질은 전체 물질의 약 25%이며 그 대부분은 헬륨이라고 계산했는데, 이것은 현재의 관측 결과와 잘 맞는다.

우리가 우주에서 관측하는 별과 은하를 이루고 있는 물질의 99%를 차지하는 수소와 헬륨은 빅뱅이 일어난 지 3분 이내에 모두 만들어진 것이다. 나머지 원소들은 한참 후에 별에서 만들어졌다. 우리가 살고 있는 지구나 우리의 몸을 구성하는 물질은 수소와 헬륨보다 다른 원소들이 훨씬 더 많다. 하지만 그런 원소들을 모두 합쳐도 우주 전체 물질의 1%도 되지 않는다.

빅뱅 이론은 우주가 팽창하고 있다는 것을 우주가 점점 커지고 있다는 것으로 이해하여 과거에는 우주의 크기가 더 작았다는 전제에서 나온 이론이다. 빅뱅 이론을 미리 접한 지금의 관점에서 보면 이런 논리 전개가 당연하게 여겨질 수 있겠지만 가모프가 활동하던 1940년대나 50년대에는 꼭 그렇지는 않았다.

많은 사람들은 어느 날 갑자기 생겨나서 팽창하는 우주를 불편하게 생각했다. 우주가 팽창을 계속한다면 우주의 밀도가 계속 낮아지게 되고 결국에는 모든 물질이 공간에 퍼져서 아무것도 남지 않게 된다. 이런 상상은 많은 사람들을 불편하게 만들었다. 사람들에게는 우주가 언제나 한결같으리라는 막연한 믿음 혹은 바람이 있었다.

하지만 우주가 팽창하고 있다는 사실은 분명했다. 팽창하는 우주가 어떻게 한결같은 모습을 유지할 수 있을까? 여기에는 간단한 방법이 있다. 우주가 팽창하면서 새로 만들어지는 공간에 물질도 새로 만들어지면 된다. 이것이 빅뱅 이론에 대응해서 등장한 정상상태 이론의 핵심 내용이다.

아무것도 없는 빈 공간에서 새로운 물질이 계속 만들어진다는 주장은 얼핏 말이 안 되는 것처럼 들린다. 하지만 사실 과거의 어느 한순간에 우주의 모든 물질이 갑자기 만들어졌다는 주장도 말이 안 되는 것처럼 들리기는 마찬가지다. 정상상태 이론을 주장한 사람들은 우주의 모든 물질이 어느 한순간에 만들어졌다는 설명보다는 오히려 물질이 서서히 지속적으로 만들어졌다는 설명이 더 쉽고 합리적이라고 주장했다. 새로운 물질이 만들어져서 우주가 항상 일정한 모습을 유지하려면 10억년에 1㎥에서 수소 1개만 만들어지면 된다. 그렇게 불가능해 보이지도 않는다.

정상상태 이론의 대표자인 프레드 호일은 빅뱅 이론을 강력하게 비판하는 데 앞장섰다. 사실은 ‘빅뱅’이라는 이름도 호일이 이 이론을 비판적으로 부르면서 만들어졌다고 알려져 있다. 영국 <비비시>(BBC) 방송과의 라디오 인터뷰에서 호일은 가모프의 이론을 비판하면서 “그렇다면 우주의 모든 물질이 과거의 어느 한순간에 ‘뻥’(Big Bang) 하고 만들어졌다는 말”이라고 했는데, 유머 감각이 풍부했던 가모프는 이 말을 재미있게 여겨 자신의 이론을 빅뱅 이론이라고 불렀다고 한다.

한 가지 그럴듯한 이론을 내놓고 이것이 정답이니 믿으라고 하는 것은 과학자의 태도가 아니다. 그 이론을 뒷받침할 수 있는 근거를 제시해야 하는 것이다. 가모프의 제자 랠프 알퍼는 동료 로버트 허먼과 함께 빅뱅 이론의 근거가 될 수 있는 또 하나의 중요한 연구 결과를 발표했다. 그들은 초기 엄청난 고온, 고밀도 상태였던 우주가 팽창과 함께 냉각할 때의 밀도와 온도 사이 관계식을 구했다. 우주가 팽창을 하면 물질의 밀도와 온도가 함께 낮아지는데 그 상관관계가 어떻게 되는지 알아낸 것이다. 그리고 현재의 물질 밀도를 이용해 현재 우주의 온도를 절대온도 5K로 계산했다. 이 온도는 현재 우주에 고르게 퍼져 있어야 하고, 여기에서 나오는 열복사는 지금도 관측이 되어야 한다. 우주배경복사의 존재를 처음으로 예측한 것이었다.

빅뱅의 잔해를 발견하다

1940년대에 예측된 우주배경복사는 1964년에 전파 천문학자 아노 펜지어스와 로버트 윌슨에 의해 발견되었다. 우주배경복사는 빅뱅 이론에 결정적인 승리를 가져다주었다. 빅뱅 이론은 우주배경복사의 존재를 분명하게 예측했지만 정상 상태 이론으로는 우주배경복사의 존재 이유를 설명할 수가 없다. 그래서 우주배경복사가 처음 발견되었을 때 호일은 이것이 별빛과 성간 먼지들의 상호작용으로 생긴 현상일 수도 있을 것이라고 주장했다. 하지만 곧 다른 파장에서의 관측이 이어졌고 이 복사가 빅뱅의 잔해라는 사실이 분명해졌다. 정상상태 이론에 관심을 보이는 사람은 점점 줄어들었고 1970년대 초반에는 빅뱅 이론이 우주의 탄생을 설명하는 정설로 자리잡았다.

펜지어스와 윌슨은 우주배경복사를 발견한 공로로 1978년에 노벨 물리학상을 수상했다. 재미있게도 윌슨은 정상상태 이론의 대표자인 호일에게서 우주론을 배웠던 사람이다. 그의 심경은 꽤 복잡했을 것이다. 윌슨은 훗날 이렇게 회고했다. “나는 정상상태 우주론을 훨씬 더 좋아했다. 철학적으로는 아직도 이쪽이 더 좋다.” 자신의 선호도나 믿음과 일치하지 않더라도 객관적인 자료로 검증된 사실을 받아들이는 것, 이것이 과학의 올바른 자세다.

빅뱅 이론은 우리 우주가 138억년 전에 하나의 점에서 시작됐다고 이야기한다. 개인적으로 빅뱅 이론의 가장 매력적인 부분이 바로 이것이다. 우리는 모두 하나였다. 이것은 우리 인류가 모두 공통의 조상을 가지고 있다거나 지구상의 모든 생명체가 같은 뿌리를 가지고 있다는 정도의 수준이 아니다. 전 우주가 하나였다.

이강환 국립과천과학관 천문우주전시팀장