[칼럼]'빅뱅실험', 우주 탄생신화에 도전한다

최근 유럽입자물리학연구소는 우주를 탄생시킨 대폭발을 재현하는 실험에 착수했습니다. 우주의 시작인 '빅뱅'을 재현해서 우주에 대한 궁금증을 풀어보겠다는 것이지요. 어떻게 이 같은 실험까지 오게 된 것인지 그 경로를 추적해보면 현대 천문학과 물리학 속에 흐르는 사상의 변천을 알게 됩니다. 아무래도 그 출발점은 20세기 천문학의 원조로 여겨지는 '에드윈 허블'에서 시작해야할 것 같습니다. 미국 미주리주의 변호사집안에서 태어난 허블은 사실 영국의 옥스퍼드 대학에서 장학생으로 법학을 공부한 법학도였습니다. 하지만 법학에 흥미를 느끼지 못하고 뒤늦게 천문학으로 진로를 바꾸게 됩니다. 허블이 천문학자로 첫발을 내디딘 1920년대엔 대부분의 천문학자들이 은하수가 우주의 전부라고 믿고 있었습니다. 그런데 늦깎이로 별을 관측하기 시작한 허블이 기존 관념을 뒤엎어버리는 놀라운 발견을 한 것입니다. 그것은 다름 아닌 안드로메다에서 발견한 '변광성'입니다. 허블은 이 변광성이 밝아지는 주기를 관측을 통해 확인하고 지구로부터의 거리를 계산한 결과 이 별까지의 거리가 100만 광년이라는 발표를 했습니다. 당시 우주의 전부로 알고 있던 은하수의 폭이 10만 광년이었는데 100만 광년 떨어진 천체가 존재한다는 사실은 대단한 충격이었습니다. 그것은 우주 밖에 또 다른 우주가 존재한다는 뜻이었으니까요.(현재 알려진 안드로메다까지의 거리는 200만 광년입니다.) 허블의 연구로 인해 단 하나의 은하로 생각했던 우주는 갑자기 수십억 개의 은하들로 바글거리며 그 끝을 알 수 없는 혼돈의 장이 됐습니다. 단숨에 천문학계의 스타가 된 허블은 여기서 만족하지 않았습니다. 1928년 네덜란드에서 천문학자 '드 지터'를 만난 것이 도약의 계기가 됐습니다. 당시 드 지터는 '멀리 있는 별일수록 빠르게 멀어진다'는 자신의 생각을 허블에게 말했습니다. 미국으로 돌아온 허블은 은하들을 끈질기게 관측한 결과 멀리 있는 은하일수록 더욱 빠른 속도로 멀어져 간다는 사실을 확인했습니다. 이 연구에서 허블은 은하의 이동 속도를 거리로 나누면 항상 일정한 값을 얻었는데 이것이 바로 우주팽창 속도를 알려주는 지표인 H, 즉 '허블상수'입니다. 우주가 상상하기 힘들 정도로 빠르게 팽창한다는 사실을 알게 된 과학자들은 이제 우주 팽창의 출발점은 어디인가에 대한 질문을 스스로에게 던지며 그 답을 찾기 시작합니다. 사실 우주생성론의 논리는 아주 간단합니다. '팽창이 있다면 당연히 그 출발이 있겠지. 시작은 폭발이 아닐까? 그것도 아주 거대한 폭발. 그런데 폭탄이 터질 때 보니까 빛과 파편이 튀어나오던데 우주가 생성될 당시 폭발 역시 엄청난 빛과 입자들이 튀어나온 것은 아닐까?' 그렇습니다. 이 같은 상상력에서 출발한 과학자들은 빅뱅을 입증하기 위해 우주 어딘가에 남겨져있을 빅뱅의 흔적들을 찾기 시작했습니다. 빅뱅의 증거를 찾는 데 중요한 역할을 한 사람은 러시아의 물리학자인 '조지 가모브'입니다. 가모브는 어린 시절 교회에서 가져온 성찬용 빵에 정말로 예수의 살점이 있는지 확인하기 위해 현미경까지 동원해 훑어보다가 평범한 빵이라는 사실을 확인한 뒤 과학자가 되기로 결심했다는 괴짜 과학자입니다. 그의 남다른 엉뚱함은 결국 빅뱅과 관련된 중요한 이론을 내놓는 원동력이 됐습니다. 가모브는 빅뱅 초기 엄청난 열에 의해 한데 뭉쳐있던 양성자와 중성자가 반응해 수소가 생겼고 다시 핵이 융합해 헬륨이 생겼으며 이후 연쇄적으로 원소들이 만들어졌다는 주장을 폈습니다. 즉, 우주 물질의 기원에 대해 상상력을 발휘한 결과 핵합성이란 개념을 만들어 낸 것이죠. 가모브는 또 이와 함께 빅뱅 당시의 엄청난 열의 흔적이 우주공간을 떠돌고 있을 것이란 생각을 했습니다. 가모브는 빅뱅의 잔해가 마이크로파의 형태로 남아서 우주에 퍼져있을 것으로 추정했습니다. 하지만 1940년대 당시엔 관측기술의 한계로 인해 증거를 확인하지는 못했습니다. 가모브와 동시대를 살면서 가모브의 이론에 반대하는 정점에는 영국의 과학자 '프레드 호일'이 있었습니다. 그런데 우습게도 가모브의 이론을 '빅뱅'이라고 부른 것은 바로 프레드 호일입니다. 호일은 BBC에서 마련한 우주기원에 관한 토론 프로그램에서 조지 가모브와 설전을 벌이던 중에 가모브에게 '우주가 어느 한순간의 빅뱅으로 태어났다는 얘기냐?'라고 빈정거렸는데 이 순간 빅뱅이란 단어가 대중의 뇌리에 깊숙이 박힌 것입니다. 호일은 우주의 한 부분은 팽창하지만 빈 공간에서 새로운 물질들이 계속 생성되고 있어서 '우주란 시작도 끝도 없으며 그냥 존재하는 것'이라고 믿었습니다. 이 때문에 그는 빅뱅에서 원소들이 만들어진 것이 아니라 별의 내부에서 핵융합반응이 일어나 원소들이 만들어졌으며 지금도 계속 만들어지고 있어서 우주 전체의 밀도는 변하지 않고 있다는 주장을 펼쳤습니다. 그의 주장은 워낙 정교해 한동안 빅뱅에 반대하는 사람들의 열광적인 호응을 얻었습니다. 그런데 1965년 뉴욕 뉴저지의 벨연구소에서 뜻밖의 관측 결과가 나왔습니다. 라디오망원경에 잡힌 신호를 분석하던 중 이상한 잡음이 우주의 모든 방향에서 균일하게 날아오고 있었던 것입니다. 그 잡음의 정체는 바로 1948년 조지 가모브가 말했던 빅뱅의 흔적인 마이크로파 배경복사였습니다. 이 연구는 빅뱅을 반대하던 호일에게 사형선고를 내린 셈이 됐고 호일은 1965년 과학잡지 '네이처'를 통해 자신의 패배를 인정했습니다. 당시 우주배경복사를 발견한 '아노 펜지어스'와 '로버트 윌슨'은 빅뱅의 증거를 찾았다는 이유로 1978년 노벨상을 수상했습니다. 우주의 시작이 빅뱅이라고 믿기 시작한 과학자들의 관심은 다시 '우주를 이루는 물질은 무엇인가?'로 옮겨갑니다. 왜냐하면 우주공간에 존재하는 물질들을 알아야만 우주의 진화과정을 이해할 수 있기 때문입니다. 하지만 우주관측의 한계를 느낀 과학자들은 결국 빅뱅을 재현해 면밀히 관찰한다면 최초의 입자들과 우주 공간을 채우고 있는 암흑물질의 정체를 알 수 있을 뿐 아니라 결과적으로 우주 진화의 과정을 이해하게 될 것이라는 생각에 이르게 된 것입니다. 유럽입자물리학 연구소의 실험이 빅뱅을 충실히 재현해 낼지 아니면 또 다른 의문점을 잔뜩 안겨다 줄지는 아직 미지수입니다. 하지만 분명한 한 가지 사실은 우주론은 수학에서의 공리와 달리 현장증거를 꿰맞춰 나가는 쉴 틈 없는 상상력 게임이란 점입니다. 이처럼 쉬지 않고 달려 나가는 과학의 세계에서 우리나라의 과학은 어떤 역할을 할 수 있을까요? 돌이켜보면 우주론이 태동하던 1920년대부터 1940년대에 우리는 일제 강점기를 보내며 선진과학보다는 일제가 필요로 했던 식민지 기술자에 머물러 있어야만했습니다. 빅뱅이론이 치열하게 형성되던 60년대부터 70년대에 우리는 선진 과학으로 발돋움하기 위한 발전의 토대를 다졌습니다. 작금의 우리 과학은 어떤 단계일까요? 2008년 대한민국 과학의 현주소와 우리가 세계 과학계에서 할 수 있는 역할은 무엇인지 누가 좀 속 시원하게 답을 해주셨으면 합니다.

조문기 기자 [moon@imbc.com] - 2000년 입사 - '날씨와 생활' 진행 - 정보과학부, 문화과학부 (과학기술부, 기상, 의학 담당) -현 사회정책팀

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