코스모스

우주론

 

아무리 과학이 발달했다고 하더라도 우주에 대한 명확한 실체적 규명이 되어 있지 않다. 거의 정설로 되어 있는 우주 창조에 대한 빅뱅이론도 앞과 뒤에는 수없이 많은 이야기가 빈칸으로 남아 있다.

 

칼 세이건의 “코스모스“에는 흥미있는 내용이 많다. 지구 생명의 탄생 과정에 대한 가설과 설명, 그리고 별들의 탄생과 종말을 포함하여 은하의 형성과정이 과학적 근거를 토대로 설명되어 있다. 

 

 

 

 

은하

 

우리 은하에서 태양이 은하의 중심을 도는 회전 속도는 초속 200 km 정도이다. 이 값은 시속 72만 km에 해당하는 엄청나게 빠른 속도이기는 하지만 은하 중심에서 태양까지의 거리가 2억 5천만 광년이나 되기 때문에 이속도로 태양이 한 바퀴 도는데 2억 5천만년이나 걸린다.

 

은하는 약 1,000억개의 별들로 만들어진 유동성의 구조물이고, 은하수 은하의 중심 원반이 한바퀴 도는데 걸리는 시간이 2억 5천만 년이다. 은하의 중심은 힘을 가해도 변하지 않는 강체처럼 회전한다. 그러나 중심부에서 벗어난 지역은 태양의 주위를 공전하는 행성들처럼 케플러의 법칙에 따라 움직인다.

 

 

 

태양

1,000만도가 되면 수소원자 4개가 헬륨의 핵 한 개를 만들게 되는데 이것이 핵융합반응으로 태양의 빛은 이렇게 생겨나서 지구상의 모든 생물이 필요로 하는 에너지의 원천이 된다.

태양의 중심에서 발생한 광자가 표면에 도달하는 데 100만년이 걸린다. 100만 년에 걸쳐 태양의 중심에서 표면으로 나오면서 물질에 흡수되기를 반복하면서 보이지 않던 감마선의 에너지가 낮아지면서 가시광선으로 변하여 햇빛이 되어 우리가 눈으로 볼 수 있는 것이다.

 

태양(별)에서 빛이 어떻게 만들어 지는가

 

원자의 외곽부위는 전하로 둘러싸여 있고 중심에는 원자핵이 있으며 원자핵은 양전하를 띠는 양성자들과 전기적으로 중성인 중성자로 이루어져 있다. 원자핵은 원자크기의 10만분의 1이다. 헬륨의 핵 세 개가 탄소핵 1개를 만든다. 네 개면 산소핵 다섯 개면 네온핵 여섯 개면 마그네슘핵이 된다.수은핵에서 양성자 1개와 중성자 3개를 빼면 금원자의 핵이된다. 원자내의 양성자는 양성자에 전자는 전자에 서로 밀치는 척력이 작용하는데 이를 무기력하게 하여 붙잡아 두는 역할을 하는 것이 중성자이다. 양성자가 중성자와 가까이 있을 때 핵력이라는 갈고리가 작용하여 원자핵이 무너지지 않고 유지된다.

 

양성자와 중성자를 다른 핵에 첨가하면 더욱 복잡한 핵이 만들어 지는데 이는 극도로 고온인 상황에서는 핵자들의 근거리 접근이 가능하게 되어 척력을 이기고 핵력이 발동하여 가능하게 된다. 온도가 약 1,000만도 이상에서 이러한 현상이 생기며, 별들의 중심부에서 발생한다. 이것이 핵 융합반응으로 태양의 중심부에서 일어나는 현상이다.

 

수소에서 헬륨이 되는 핵융합반응에 이어서 중력 수축이 진행되어 온도가 1,000만도 보다 훨씬 높은 특정 온도이상에서는 다시 헬륨이 탄소와 산소가 되는 2차 핵 융합반응이 일어날 수 있다고 한다. 이는 태양보다 더 무거운 별에서 일반적으로 생기는 현상이다.

 

신비한 중성미자.

 

한편 핵융합반응은 우리 눈에 보이는 가시광선의 광자만 만들어내는 것이 아니라 중성미자도 만들어낸다. 광자와 같이 중성미자도 질량이 없으며 빛의 속도로 움직이지만 광자는 아니다. 물질은 중성미자에 대해서 투명하다. 중성미자는 지구나 태양같은 물질에 흡수되지 않고 자유롭게 관통할 수 있다. 태양이 지구의 반대편에 있는 밤에도 낮에 우리 몸을 관통해서 지나가는 중성미자의 양과 동일하다. 중성미자에 대해 지구가 통째로 투면하다, 마치 빛이 유리를 통과하는 것과 같다.

 

우주 어디를 보든 존재하는 물질의 99%는 수소와 헬륨이다.

 

대폭발(빅뱅)과 우주의 팽창

 

대폭발이후 우주가 팽창하고 있다는 것은 빛의 적색이동을 근거로 한다. 빛이 관찰자에게서 가까워지면 파장이 감소하여 색깔이 노란색에서 파란색으로, 그리고 반대의 경우에는 노란색이 적색으로 변한다. 이를 도플러 효과라고 하며, 우주에서 관측되는 먼 은하에서 나온 빛들이 모두 적색으로 변한다는 것이 판명되었다(=적색 이동) 그러므로 은하들 사이가 계속 멀어지는 현상으로 간주하고 이것이 바로 우주가 팽창하며 바깥쪽으로 계속 뻗어가는 증거라고 한다.

 

대폭발 이전에는 어떠했을까 ? 이것에 대해 아는 것이 없다. 대폭발로 팽창이 되고 있는데 그러면 이 팽창은 영원히 지속될까? 이것도 아는 것이 없다. 우주내에 어떤 크기의 에너지가 존재하여 대폭발이 진행되다가 이와 균형을 맞추고 이어서 역으로 우주가 수축하는 현상이 생길 수도 있다고 한다. 이 경우 진동하는 우주가 된다. 팽창과 수축이 반복되는 것이다.

 

하늘의 별과 우주 여행

 

우리가 지금 별들을 바라보고 있다면 시간적으로 그 천체의 과거의 모습을 보고 있는 것이다. 수십 년에서 수 백 만년 이전에 반짝인 빛이 우주공간을 거쳐서 이제 우리의 눈에 도달하는 것이다. 우리의 은하에서 가장 가까운 나선은하(안드로메다)는 200만광년이 떨어져 있으니 그 빛은 200만년 전에 반짝인 빛이다. 그 빛이 지구를 향해 출발했을 당시 지구에는 인간이 단 한명도 없었다.

 

광속은 30만 Km이다. 광속에 가까운 속도로 은하수의 중심까지 가는데는 21년쯤 걸린다. 21년은 은하수 중심을 향해 달리는 우주선에 실린 시계로 잰 우주선을 타고 있는 사람의 시간이며, 지구에서 보면 이는 3만년에 해당하는 시간이다. 만일 빛의 속도로 움직이는 우주선을 만들 수 있다면 우주 탐험이 가능하다. 수천만 광년이 떨어진 거리라도 상대성원리에 따라서 시간 지연( Time dilation )현상이 생기므로 가능하다는 것이다.

 

불교의 우주론과 과학적 우주론

 

코스모스를 읽으며 여러모로 불교의 우주론과 흡사하다는 생각을 해본다. 불교에서는 우주는 성주괴공한다고 한다. 사람을 비롯한 생명체가 생노병사하는 것과 유사하다, 빅뱅이론에서 대폭발 이전과 대폭발의 최후 단계가 어떻게 될지는 설명하지 못한다. 칼 세이건이 가정해서 언급한 팽창과 수축을 반복하는 진동 우주론인 경우에는 불교의 성주괴공하는 순환적 우주론으로 서로 매우 흡사하다고 볼 수도 있다.