“우리는 어디에서 왔을까.”
사람, 행성, 별, 은하, 그 모든 것이 만나는
빅뱅 직후를 탐험한다
《세상은 어떻게 끝나는가》아태이론물리센터 선정 2012년 올해의 과학도서에 이은
우주의 기원과 진화에 관한 미스터리를 담은 문제작

‘세상은 어떻게 시작되었는가.’ 매우 철학적이고도 과학적인 질문이다. 세상에 ‘물리적으로’ 시작과 끝이 있다면 그 시작은 당연히 빅뱅이 될 것이다. 이 책 《세상은 어떻게 시작되었는가》(원제: How It Began)는 빅뱅 직후로 우리를 안내한다.
사실 우리 대다수가 인지하지 못하고 있지만, 우리 모두는 빅뱅과 떼려야 뗄 수 없는 관계이다. 칼 세이건은 이렇게 말했다. “아무런 준비 없이 사과파이를 만들려면 반드시 우주를 먼저 만들어야 한다.” 대관절 사과파이와 우주의 시작이 무슨 관계일까. 저자 크리스 임피는 이렇게 설명한다. 먼저 사과와 파이 껍질은 많은 탄소와 산소 원자를 포함하고 있다. 그러므로 애초에 여러 세대의 별들이 태어나고 죽으면서 무거운 원소들을 행성들이 모을 수 있는 영역에 뿌려놓기 전에는 어떤 사과파이도 만들 수 없다. 그것으로 사과파이를 만들 사과와 사람이 형성되기까지는 수십 년이 걸렸다. 다시 말해, 우주에 있는 모든 것, 모든 사람들, 행성들, 별들, 은하들은 빅뱅에서 만난다. 따라서 지금으로부터 137억 년 전인, 이 창조의 순간에 다가가는 것이야말로 ‘세상은 어떻게 시작되었는가’ 하는 질문에 대한 대답이 될 수 있다.
저자는 전작 《세상은 어떻게 끝나는가》에서 보여주었던 깊고 방대한 지식과 놀라운 상상력, 진지한 고민과 성찰을 이 책에서도 잘 보여준다. 여기에 넘치는 위트는 현대우주론을 좀 더 쉽고 재미있게 받아들일 수 있게 해준다.
이 책은 다음과 같은 질문을 던진다. 우리는 진화의 과정에서 운 좋게도 원자들이 적절하게 결합하여 만들어진 우연의 산물일까? 아니면 우주의 구조와 밀접한 연관을 가지고 있는 존재일까? 이 책은 우주의 기원과 진화의 미스터리를 푸는 가장 유쾌하고 친절한 안내서가 될 것이다.

만물의 탄생을 찾아 떠나는 시간여행자들의 안내서

크리스 임피는 책의 서문에서 이렇게 말한다. “우리는 어디에서 왔을까? 바쁜 일상생활 속에서도 가끔씩 자연스럽게 떠오르는 의문이다. 물론 부모님과 선조들의 유전자를 물려받았다는 사실은 잘 알고 있고, 어느 지역에서 태어났는지 쉽게 대답할 수 있지만 그다음부터는 대답하기 어려워진다.”
한번 생각해보자. 정말 우리는 어디에서 왔을까?
저자는 이렇게 답한다. 우리가 잉태된 것은 특별한 순간이었다고. 하나의 작은 수정란이 자신의 존재를 인식하고 우주 전체를 머릿속에 그릴 수 있는 사람으로 자란 것이라고. 하지만 우리를 이루고 있는 원자를 중심에 놓고 보면 또 그렇게 특별하지 않다고 말한다. 우리의 몸은 우주의 역사에서 무수히 많은 배열을 경험했고, 앞으로도 경험할 원자들로 구성되어 있다. 우리 모두의 몸은 별의 중심에서 만들어져 수 세대의 별들을 거쳐 온 원자들로 이루어져 있는 것이다. 다양한 여행을 거친 원자들이 지구가 만들어진 우주 공간에 모였고, 우리는 그 원자들에게 생기를 불어넣은 것이다.
결국 ‘세상은 어떻게 시작되었는가’라는 질문에 대답하기 위해서 우리는 먼 우주를 보아야만 한다는 것이다. 천문학자들은 우주의 현재 모습을 알기 위해서 가까운 은하들을 연구하고 과거의 모습을 알기 위해서 멀리 있는 은하들을 연구한다. 빛의 속도는 유한하기 때문에 우리는 천체를 현재의 모습이 아니라 과거의 모습으로 본다. 따라서 멀리서 오는 빛은 오래된 빛이다. 저자는 바로 이 과거를 보는 현상이 우주론에서 핵심적인 부분이라고 말한다. 이는 우주를 연구할 때 시간에다 차원을 더하는 것이기 때문이다.
우주에 대해 말하기 위해 다시 사과파이 이야기로 돌아가보자. 그렇다면 우주를 이루고 있는 것은 무엇일까? “사과파이 안의 수소는 원래 우주 팽창의 첫 순간부터 존재했다. 우주가 아기 엉덩이처럼 부드럽고 순수했던 빅뱅 1분 후에, 우주의 행동은 감마선 광자의 격렬한 에너지에 의해 지배되었다. 입자 하나에 약 10억 개의 광자가 있었으므로, 우주는 광자로 이루어져 있었다고 가정할 수 있다. 초기 팽창에서는 광자의 수가 우세하여 입자들을 무자비하게 지배했기 때문에 우주는 ‘복사 주도’ 상태였다. 어떤 구조도 만들어질 수 없었다. 광자와 입자들은 같은 비율로 엷어졌기 때문에 팽창하는 우주의 그 상황이 바뀔 수 있을 것처럼 보이지 않았다. 하지만 광자에는 추가적인 효과가 작용했다. 적색편이였다. 적색편이는 광자들의 에너지를 낮추어 1만 년이 지난 후에는 ‘물질 주도’가 될 정도로 약해졌다. 그래서 중력이 서서히 물질들을 모아 구조를 형성하여 우주를 좀 더 재미있는 것으로 만드는 것이 가능했다.”(본문 352~353쪽)
우주에 시작이 있다면, 이것은 매우 과학적인 질문이 될 수 있다. 이제 그 질문에 답해보자.

세계적인 우주생물학자가 들려주는
현대우주론과 물리학 최전선의 과학이론

이 책의 저자 크리스 임피는 애리조나대학교 천문학과 교수로, 우주생물학 분야의 세계적인 학자이다. 우주생물학이란 지구를 비롯한 우주의 생명을 연구하는 신생 학문으로서 주로 생명의 기원과 진화과정을 연구 범위로 한다. 지구 밖 존재들에 대한 관심이 증폭됨에 따라 우주생물학은 점점 더 각광을 받고 있으며 현재 물리학, 천문학, 생물학 등 온갖 분야의 연구자들이 이 학문 분야로 몰려들고 있다.
저자는 우주론의 최전선은 빅뱅의 순간에 최대한 가까이 다가가는 모험이라고 말한다. 우주를 이루는 가장 중요한 두 가지 재료인 암흑물질과 암흑에너지는 아직도 수수께끼고, 우주론 연구자들은 이들을 이해하고 미시물리학의 이론 속에 포함시키기 위해 노력하고 있다.
이 책 《세상은 어떻게 시작되었는가》는 제목 그대로 ‘세상은 어떻게 시작되었는가’에 대한 답을 찾는 과정이다. 저자 크리스 임피는 ‘과거를 보고 싶다면 그저 우주 공간을 보기만 하면 된다’고 말한다. 우주의 고고학 광대한 우주 공간과 유한한 빛의 속도에 기반하고 있으니 말이다. 빛은 지구와 태양계를 불과 몇 시간 만에 가로지를 수 있지만 가장 가까이에 있는 은하들까지도 수백만 년이 걸리고 멀리 있는 은하들까지는 수십억 년이 걸린다. 우주를 향한 탐험을 시작한 우리 모두는 그런 의미에서 시간여행자들이다.
1부 ‘가장 가까운 이웃’에서는 가까운 달에서 시작해, 점점 태양계의 바깥쪽으로 나아간다. 프록시마 센타우리, 오리온성운, 블랙홀 등도 함께 살펴본다. 2부 ‘멀리 있는 세계’에서는 가장 가까운 은하에서부터 첫 번째 별이 등장한 먼 우주, 별들이 처음으로 만들어진 시기까지 탐험한다. 우리은하와 닮은 안드로메다 은하와 암흑물질로 은하들이 묶여 있는 코마 은하단, 그 외 은하의 모든 것을 살펴본다. 3부 ‘우주 생명체를 찾아서’에서는 우주가 막 태어났을 때, 빅뱅에 대해 살펴본다. 이 과정은 일종의 우주의 역사를 재구성하는 것이다. 빅뱅이론을 검증하고, 다중우주론을 살펴본다.
저자의 전작 《세상은 어떻게 끝나는가》에 이어 쉽고 재미있다는 것은 이 책의 가장 큰 장점이다. 특히 이번 책에서는 우주를 의인화하고, 저자 개인의 이야기에서 시작해 우주를 설명하는 부분이 크게 늘어 이해를 도왔다. 또 각 장의 앞뒤에 따로 마련된 에세이는 ‘지금 여기에서 출발하여 빅뱅을 향해 다가가는 느낌을 줄 것이다.’ 우주를 ‘마음’으로 느낄 수 있도록 한 것이다.
‘세상은 어떻게 시작되었는가.’ 이 철학적이고도 과학적인 질문은 ‘모든 것의 시작’에 대한 우리의 지적 호기심을 만족시켜주는 것은 물론 과학적 상상력까지 자극할 것이다.

달은 우리의 긴 여행에서 첫 번째 경유지다. 우주적인 관점에서 보면 달은 지구에서 던져진 돌멩이에 불과하다. 달에서 하늘을 보는 우주비행사들은 지구에서와 거의 똑같은 별자리들을 볼 것이다. 별들은 너무나 멀리 있기 때문에 바로 이웃에 있는 바윗덩어리에서 이들을 보는 것으로는 아무런 변화를 알아차릴 수 없다. 이것은 극장 맨 뒷자리에서 한 좌석 옆으로 옮기는 것과 비슷하다. 달은 너무나 익숙하고 로맨틱한 곳이지만 매우 삭막하고 이국적인 곳이다. 한 숨의 대기도 붙잡아둘 수 없을 정도로 작은 바위여서 표면은 충돌과 우주에서 오는 강력한 방사
선에 그대로 노출되어 있다. 이 금단의 영역은 불과 지구 둘레의 10배 떨어진 곳에 있다. 40만 킬로미터라는 거리는 그렇게 다른 세계로 느껴지지 않는다. 많은 사람들이 일생 동안 이 정도 거리는 날아다니고, 또 여행자들이나 사업가들은 몇 년에 한 번씩 날아다니는 거리다. 나도 20년 동안 이 정도 거리의 레저 여행은 다녔고 이제 지겨울 정도가 되었다. 하지만 대부분의 여행은 지구의 표면을 거의 벗어나지 못하고 지구의 강력한 중력에 묶여 있다. ￭ 1부 가장 가까운 이웃_ 1장 태어나면서 이별하다 p.21

 

허블 팽창은 모든 은하들 사이의 거리가 멀어지면서 우주가 점점 커지고 밀도가 낮아진다는 것을 의미한다. 결국 은하들은 늘어나는 고무에 붙어 있는 압정이나 팽창하는 풍선에 찍힌 점과 같은 것이다. 은하들 자체는 배경이 되는 시공간의 행동에 관계없이 독자적으로 존재하는 것처럼 보인다. 유일한 방법은 먼 거리에 있는 은하들을 관측하여 과거의 은하들이 지금의 은하들과 어떻게 다른지를 보는 것이다. 여기에서 중요한 것은 ‘지금’과 ‘과거’를 정의하는 것이다. 우주론의 원리는 우리가 3억 광년 이상 크기의 우주 공간을 볼 때 적용된다. 이것은 1억 개 정도의 은하들이 들어가는 공간이다. 이 우주의 표본에는 너무나 많은 은하들이 포함되어 있기 때문에 밝은 퀘이사와 같은 가장 드문 형태의 은하들도 포함될 것이다. 3억 광년 과거는 우주 나이의 2퍼센트밖에 되지 않기 때문에 이것은 지금, 혹은 적어도 최근으로 간주해야 한다. 만일 우주가 진화하지 않았다면 더 멀리 볼 필요가 없다. 똑같은 모습만 보게 될 것이기 때문이다. ￭ 2부 멀리 있는 세계_ 9장 은하의 성장 p.252

 

은하의 생성과 진화에 대한 패러다임은 우주가 부드럽게 시작되었다가 중력에 의해 덩어리진 곳이 생겼다는 것으로, 아래에서 위로 만들어진 구조다. 보통물질보다 암흑물질이 더 많기 때문에 운하의 생성은 암흑물질의 성질에 크게 의존한다. 우리는 우주의 이 주요 성분의 본질에 대해서 아무것도 모르기 때문에 우주론은 불확실할 수밖에 없다! 하지만 암흑물질 후보로 적당하지 않을 것을 제외한 후 마지막으로 남은 것은 기본적인 원자 구성 입자다. 이것은 우주의 초기 역사에서 빛보다 느리게 움직였기 때문에 물리학적인 표현으로는 ‘차가운’ 것으로 간주된다. 은하의 구조는 차가운 암흑물질에 의해 조각된 것이다. 보이지도 않고 어둠 속에 숨어서, 암흑물질은 부드러운 우주를 천천히 중력의 차이가 있는 곳으로 바꾸었다. 중력의 우물들은 시간이 지나면서 더 깊어지고 합쳐져 질량이 작은 ‘헤일로들’이 점점 질량이 큰 헤일로로 진화했다. 보통물질들은 암흑물질의 중력 우물로 끌려 들어와 모였다. 적당한 조건이 갖춰지면 이것은 은하로 만들어진다. 은하의 생성에 대한 우리의 지식은 아직 스케치 수준에 불과하다. ￭ 2부 멀리 있는 세계_ 9장 은하의 성장 pp.262~263

 

만일 나에게 생명체의 탄생이 어디에서 처음 시작되었을지 내기를 하라고 한다면, 나는 높은 적색편이의 퀘이사나 최초의 초거대 블랙홀들 중 하나의 주변에서 만들어진 은하에 걸 것이다. 블랙홀을 만들고 연료를 공급하는 격렬한 별들의 활동은 충분한 양의 탄소와 무거운 원소들을 만들어낸다. 멀리 있는 퀘이사 주변의 기체의 양은 태양의 10배가 넘을 수도 있다. 최초가 되는 것은 좋은 일이다. 퀘이사 주변의 생명체는 밤하늘을 충분히 즐겼을 것이다. ￭ 2부 멀리 있는 세계_ 10장 빛과 생명 pp.295~296

 

초기 우주의 물리학은 분명 소수만 이해할 것이다. 하지만 너무 지나치지만 않으면 소리로 비유할 수 있다. 빅뱅 이후 38만 년 이전에 복사는 물질과 결합되어 있고 전자와 광자는 기체에서 입자처럼 행동하면서 광자가 전자에 튀어 총알처럼 날아다니고 있다. 기체 속에서처럼 밀도 요동은 파동처럼 혹은 일련의 압축과 희박함으로 소리의 속도로 움직였다. 압축은 기체를 가열했고 희박함은 냉각시켜 음파는 일련의 온도 요동을 이동시키는 것으로 나타난다. 38만 년이 지난 후에는 전자는 광자와 결합하여 중성원자가 되고, 약간 뜨거운 지역과 차가운 지역에서 나온 빛은 방해받지 않고 130억 년 이상을 이동하였다. 우리가 지금 보는 온도의 변화는 이 시기의 요동이 ‘얼어붙은’ 것이다. ￭ 3부 우주 생명체를 찾아서_ 12장 백열 p.340

 

천문학자들은 빅뱅이 실제로 일어났다는 것을 얼마나 확신할까? 이것은 137억 년 전에 일어난 가상의 사건을 묘사하는 것처럼 보인다. 팽창을 0의 시간으로 되돌리는 것은 무한한 온도와 밀도를 암시하는데, 이는 물리적으로 불가능하다. 우리는 이 이론이 말하는 것과 말하지 않는
것이 무엇인지 조심해서 구별해야 하고 흔한 잘못된 개념을 피해야 한다. ‘빅뱅’이 하나의 폭발이나 모든 물질이 한 점에 집중되어 있던 시간으로 흔히 설명되고 있는 것은 불행한 일이다. 이 이론은 우주의 기원을 설명하는 것이 아니라 더 뜨겁고 더 밀집된 조건에서부터의 우주의진화를 묘사하는 것이다. 빅뱅이론을 검증하는 것은 이 이론을 최대한 많은 자료와 최대한 초기의 우주 앞에 데려다놓는 것이다. ￭ 3부 우주 생명체를 찾아서_ 12장 백열 pp.344~345

 

태어나면서 헤어졌다. 나는 아직 존재하지 않는다. 나는 끝없는 빈 공간에 미치는 섭동으로 존재의 끝에서 빛난다. 하지만 나는 가능성을 느끼고 그저 잠재적인 존재 이상이기를 기원한다. 깜빡이는 황혼은 끝이 없고 영원하다. 갑자기 아무런 경고도 없이 공간과 시간이 나타났다. 공간은 모든 방향으로 부풀어 오르고, 나의 일부는 떨어져 나가 멀리 지평선 너머로 사라진다. 나는 나의 일부를 잃어버린 슬픔을 느낀다. 나의 도플갱어는 시야에서 사라졌다. 비록 아직 양자적으로 얽혀 있기는 하지만. 나는 오랫동안 상실감에 사로잡혀 있다. 우주는 채워질 것이고, 은하가 만들어질 것이고, 별은 빛날 것이고, 생명이 탄생할 것이다. 중력은 계속 팽창하는 우주에 대항하여 물질들을 모은다. 나타난 구조는 다양하고 정교하다. 나의 또 다른 일부는 희미한 추억일 뿐이다. ￭ 3부 우주 생명체를 찾아서_ 14장 통합과 인플레이션 p419

 

우리 우주가 여러 우주들 중 하나일 가능성은 인간 원리에 새 생명을 주었다. 다중우주에서는 물리적 성질들이 매우 다양하므로 우리는 그중에서 지적 생명체가 살기에 적합한 얼마 되지 않는 우주에 우연히 살게 된 것이다. 우리의 물리 법칙들은 사실은 생명체에게 유리한 지역적인 ‘규칙’ 정도인 것이다. 우리는 우주의 복권에 당첨된 사람들이다. 앞에서 말한 것처럼, 우리 우주가 생명체가 살기에 적합한 것은 놀라운 일이 아니라 그저 관측적으로 선택한 결과일 뿐이다. 정교한 조정과 우리의 존재를 다중우주로 설명하는 것은 정교한 조정이 절대적인 존재나 설계자의 흔적이라고 주장하는 유신론자들을 멋지게 반박한다. 하지만 다양한 우주가 존재한다는 증거가 발견되지 않는다면 이 이야기는 소용이 없다. 설명에 목마른 과학자들은 불쾌할 수도 있겠지만 생명체에게 적합한 우주는 특별히 중요한 의미가 없는 우연에 불과할지도 모른다. ￭ 3부 우주 생명체를 찾아서_ 15장 다중우주 p.443

서문

1부 가장 가까운 이웃
1장 태어나면서 이별하다
이웃의 바윗덩어리 | 순수한 광기 | 우리의 잃어버린 쌍둥이 | 위대한 모험
2장 행성 동물원
로봇 메신저 | 가족을 만나다 | 깊은 시간 | 우주의 당구 게임
3장 지구 밖 세계
별을 만지다 | 멀리 있는 세계의 발견 | 태양계 만들기 | 또 하나의 고향
4장 별들의 요람
우주의 가마솥 | 별이 태어나다 | 동물원 여행 | 현자의 돌
5장 어둠의 끝
빛의 도시 | 블랙홀 | 잃어버린 지평선 | 거대한 괴물

2부 멀리 있는 세계
6장 섬 우주
성운의 본질 | 나선 구조 | 나선은하 만들기 | 거기 누구 없나요?
7장 우주의 구조
우주의 팽창 | 우주 거대구조 | 암흑물질 | 타원은하 만들기
8장 핵의 위력
불만스러운 속삭임 | 중력엔진 | 동물원 방문 | 괴물 먹이기
9장 은하의 성장
존재하는 가장 빠른 것 | 거대한 유리 | 은하 만들기 | 빛과 그림자
10장 빛과 생명
최초의 빛 | 지평선 너머 | 최초의 생명 | 우리는 왜 여기에 있을까?

3부 우주 생명체를 찾아서
11장 빅뱅
파이어볼 | 창조의 순간에서 온 초단파 | 안개가 걷히다 | 정밀한 우주론
12장 백열
동틀 무렵의 피리 연주자 | 빅뱅이론의 검증 | 우주의 재료들 | 우주의 재창조
13장 아무것도 없기보다는 무언가 있는 것
물질이란 무엇인가? | 표준 모형 | 물질 만들기 | 정교한 조정의 흔적들
14장 통합과 인플레이션
빅뱅을 넘어서 | 대칭성 |인플레이션의 흔적 | 양자 우주
15장 다중우주
지식의 한계 | 모든 것의 이론 | 이웃의 우주 | 끝없는 창조
부록_ 사진 출처 | 주