모형과 실제_구형(球形) 암소를 아시나요?
물리학자들 사이에 잘 알려진 만담이 있다. 젖소들의 우유 생산량이 줄어들자, 목장 주인이 근처 대학에 문제 해결을 요청했다. 얼마 후 학자들이 와서 한다는 말이, “해결책을 찾았습니다. 그런데 이 해결책은 진공상태에 있는 구형 암소인 경우에 해당합니다.”
비단 과학자가 아니더라도, 누구나 다양한 모형을 접하고 활용한다. 모형은 보이지 않는 대상을 상상하게 해 주고, 사물들의 관계나 상황을 단순화시켜 보여줌으로써 이해를 돕는다. 하지만 모형은 실제가 아니다. 모형은 목적에 따라 중요하다고 생각되는 특징들에 집중하기에, 다른 부분은 왜곡되거나 생략되기 마련이다. 하지만 우리는 곧잘 그러한 사실을 망각하고, 모형을 대상의 충실한 재현으로 받아들이곤 한다.

왜곡된 태양계 모형에서 비롯된 오해들_우주선이 소행성과 충돌하면 어떡하지?
가장 대표적인 ‘구형 암소’가 바로 태양계 모형이다. 태양계라고 하면 대부분의 사람들 머릿속에는 태양을 중심으로 수금지화목토천해, 여덟 개의 행성이 옹기종기 모여 사이좋게 태양 주위를 돌고 있는 모습이 떠오른다. 하지만 그것은 태양계가 아니다. 태양계를 구성하고 있는 천체들을 한눈에 보여 주기 위한 궁여지책일 뿐이다. 책의 한 페이지나 제한된 전시 공간에 욱여넣어진 이러한 태양계 모형은 태양과 행성들의 크기 비례도, 천체들 사이의 거리 비례도, 축적을 거론할 수 없을 만큼 심하게 왜곡되어 있다. 왜곡된 모형으로 인해 머릿속에 깊이 각인된, 왜곡된 태양계 이미지는 태양계와 우주에 대한 과학적 이해를 방해하고, 잘못된 상상으로 우리를 유도한다. “소행성대를 지날 때 우주선이 소행성과 충돌하면 어떡하지?”, “바로 이웃 행성인데, 화성까지 가는 게 그렇게 어렵나?”, “최근에 태양계와 가장 가까운 블랙홀이 발견되었다는데 지구와 태양이 블랙홀로 끌려가는 건 아닐까?” 이 같은 의구심들도 그런 오해에서 비롯된 것이다.

*200쪽 책으로 구현한 태양계 모형

우리 주변에 있는 태양계 모형들은 왜 하나같이 왜곡이 심할까? 태양에 비해 행성들은 너무 작고, 천체들의 크기에 비해 태양과 행성들 간의 거리는 ‘겁나’ 멀기 때문이다. 예컨대, 태양을 자몽 크기로 축소하면 지구는 좁쌀 만해지는데, 이때 태양과 지구 사이는 15m이고 해왕성까지는 대략 500m나 된다. 그렇기 때문에 설사 비례를 정확하게 맞춰 모형을 제작하더라도 모형으로서의 효과가 떨어진다.
『태양계가 200쪽의 책이라면』은 책이 지닌 물성을 활용하여 실제 태양계의 모습을 최대한 구현한 태양계 모형이다. 책장 한 장 한 장은 태양과 행성들이 존재하는 우주 공간이자, 태양에서 행성들까지의 거리를 나타내는 ‘자’이기도 하다. 책에서 거리 축적은 천억 분의 1로, 50cm의 펼친 면은 실제 태양계에서 거리 5,000만 km에 해당한다. 독자들은 책장을 한 장 넘길 때마다 이 거리만큼 태양계를 여행하게 된다.
한편, 태양과 행성들의 크기 축적은 10억분의 1이다. 크기 비례와 거리 비례를 똑같이 맞추기 위해 크기도 1000억 분의 1로 축소할 경우 지구는 0.13mm로 작아지기 때문에 어쩔 수 없이 타협한 축적이다. (거리 비례를 10억 분의 1로 맞출 경우에는 200쪽이 아니라 20000쪽이 필요하다.) 축적을 비롯해서 이 책의 구성과 관련한 내용은 ‘이 책과 함께 태양계를 산책하기 위한 안내’(12-13쪽)에 모두 설명되어 있다.
크기와 거리 비례가 100배 차이가 남에도 불구하고, 이 정도만으로도 우리에게 느껴지는 태양계는 완전히 다른 모습이다. 독자들은 책장을 넘기면서 텅 빈 태양계와 한 톨의 지구를 눈과 마음으로 느낄 수 있다. 태양계에 대해 처음 배우기 시작하는 어린이들, 한창 태양계와 우주에 관해 공부하는 청소년 자녀들과 함께 보면 더 좋을 책이다.

*우주시대, 태양계에 대해 꼭 알아야 할 핵심 지식과 최신 정보를 담다

지난 15년간 태양계 탐사가 활발하게 이루어지면서 새로운 정보가 쌓였고, 관련 지식도 탄탄해졌다. 토성 탐사선 카시니호, 목성 탐사선 주노, 유럽연합과 러시아, 미국, 인도가 앞 다퉈 보낸 화성 탐사선들이 활동을 끝마쳤거나 활동 중이다. 2019년에는 보이저 2호가 태양권계면을 통과하면서 1977년에 지구를 떠난 보이저 1호와 2호가 둘 다 태양계의 물질적 경계선인 태양권계면을 통과했다. 바야흐로 새로운 우주 시대가 열리려는 참이다.
그런데도 많은 사람들이 태양계나 우주탐사에 대해 알고 있는 지식은 중고등학교 교과서에서 배웠던 내용에서 한 발짝도 나아가지 못했다. 관련 책을 찾아 달라진 사실과 최신 정보를 얻고 싶어도 내용이 너무 많다 보니 엄두가 나지 않는다. 발췌해서 보려 해도 어떤 것이 핵심적이고 기본적인 사항인지, 어떤 것이 지엽적인 정보인지 판별하기가 쉽지 않다. 결국엔 포기하거나 화려한 화보를 넘겨보는 것으로 독서를 끝내고 만다.
이 책은 우주론에 관한 표준 교과서로 평가되는 <우주 시공간과 물질>의 저자 김항배 교수가 태양계에 관해, 교양인이면 꼭 알아야 할 핵심 지식과 최신 정보만 간추려 담았다. 내용이 간결하고 분량이 부담스럽지 않아 가볍게 완독할 수 있다. 이 정도 분량으로 태양계가 오늘날과 같은 모습으로 존재하고 작동하는 근본 원리까지 이해할 수 있게 설명했다는 사실이 놀랍다.


책 속에서

모형은 대상을 완벽하게 재현하기보다 연구 목적에 따라 중요하다고 생각되는 특징들에 집중합니다. 하지만 일단 모형이 확립되고 전파되다 보면 그러한 사실은 잊힌 채, 모형을 대상의 충실한 재현으로 받아들이게 되는 경향이 있습니다. 사람은 시각이 특히 발달한 동물이라 시각적 모형을 통해서 형성된 대상에 대한 인상은 쉬이 사라지지 않습니다. -작가의 말(5쪽)

속사정을 모르는 사람들에게 이러한 태양계 모형은 ‘태양과 행성들이 옹기종기 모여 있는 태양계’라는 잘못된 인상을 심어 줍니다. 그런 오해는 우주선을 쏘아 올리는 등의 일을 사실에 가깝게 상상하거나 우주에서 일어나는 현상을 올바로 이해하는 데 걸림돌이 됩니다. 태양계는 우리가 모형에서 보는 것보다 훨씬 더 공허합니다. 그 공허함을 머리가 아니라 눈과 마음으로 느껴 보는 것이 우주 시대를 살아가는 우리에게 필요하다는 생각이 들었습니다. -작가의 말(6쪽)

태양계에서 바깥쪽 행성들로 산책을 가려면 우주선을 타고 소행성대를 지나야 합니다. 혹시 우주선이 바윗덩어리와 부딪치지는 않을까요? 그럴 수도 있지만, 확률은 매우 낮습니다. 그동안 지구에서 출발한 외행성 탐사선들은 모두 충돌 없이 잘 지나갔습니다. 소행성대라고는 해도 바윗덩어리들 사이의 평균 거리가 지구와 달 사이의 2.5배로, 바위들이 멀찍멀찍 떨어져 있어서 대부분의 공간은 비어 있기 때문입니다. -45쪽

행성의 고리라고 하면 보통 토성을 떠올리지만 거대 행성에는 모두 고리가 있습니다. 목성에는 갈릴레이 위성들보다 안쪽인, 목성으로부터 10만~20만 km 거리에 네 개로 나누어진 고리가 존재합니다. 두께는 수백에서 수천 킬로미터입니다. -64쪽

2019년 국제천문연맹의 소행성체 센터가 토성의 위성 20개를 새로 발견했다고 발표했습니다. 이로써 토성은 위성이 총 82개로, 79개인 목성을 제치고 태양계 행성들 중 위성이 가장 많은 행성으로 등극했습니다. 하지만 그 지위를 계속 유지할 수 있을지는 알 수 없습니다. 성능이 더 뛰어난 망원경들이 속속 등장함에 따라 더 작은 위성들까지 찾아내면 순위는 언제든 바뀔 수 있기 때문입니다 ？86쪽

태양계에서 행성들의 크기가 이 책에 있는 것과 같을 때 거리는 책에 나타낸 것보다 100배 멀다고 했던 것을 기억하시죠? 아래 그림은 크기와 거리 비례가 같을 때 지구와 달이 얼마나 떨어져 있는지 나타낸 것입니다. 만약 이와 같은 비율로 놓는다면 이 책에는 수성조차 등장하지 못합니다. 수성은 253쪽에나 있을 테니까요. 토성은 5,728쪽은 되어야 나타납니다. 그러니 지구에서 출발할 때 방향이 조금만 틀어져도 우주선은 목표로 했던 행성이 아니라 엉뚱한 곳으로 날아가 버릴 겁니다. -88쪽

현재까지 발사된 로켓으로 얻은 최대 속력은 초속 16km로, 지구 탈출속력은 훌쩍 넘지만 태양계 탈출속력에는 조금 못 미칩니다. 그런데도 현재 태양계의 경계선을 넘어가고 있는 우주선이 있습니다. 바로 1977년에 발사된 보이저 1호와 2호입니다. 지구를 떠날 때 태양계 탈출속력에 미치지 못했는데 어떻게 태양계를 벗어날 수 있었을까요? -96쪽

현재 행성들의 배치와 관련해서 몇 가지 흥미로운 질문들이 있습니다. 화성과 목성 사이의 소행성대에는 왜 행성이 없을까? 화성은 비슷한 위치에 있는 지구나 금성에 비해 왜 많이 작을까? -152쪽

앞서 이야기했듯이 지구가 태양을 공전하는 것도 자유낙하입니다. 지구와 같이 공전하는 우리는 그래서 태양의 중력을 느낄 수 없습니다. 태양계에서 태양의 중력이 가장 중요하지만 지구에 머물고 있는 동안 우리는 그것을 느끼지 못합니다. -164쪽

태양계에는 원자들이 얼마나 모여 있을까요? 태양계의 물질적 경계선은 태양풍이 성간 물질과 만나는 태양권계면입니다. 태양권계면을 기준으로 태양계의 평균밀도를 구해 보면 1.4×10g/cm³로, 인체 밀도의 10조 분의 1에 불과합니다. 이는 실험실에서 만들 수 있는 초고진공(10g/cm³ 미만)에 근접하는 수준입니다. 태양계는 거대한 공간이지만 그중에 아주 작은 일부 특정 장소들에만 물질이 밀집해 있고, 나머지 공간은 거의 비어 있습니다. -195쪽

■ 태양계: 모형과 실제 005
■ 이 책과 함께 태양계를 산책하기 위한 안내 012
태양 014 |수성 025 |금성 028 |지구 029 |화성 032
|소행성대 042 |우주선을 타고 소행성대를 지난다면? 045 |경계와 틈 046
|목성 056 |목성은 별이 될 수 있었을까? 058 |목성의 위성들 060 |목성의 고리 064 |그리스 군단과 트로이 군단 066
|토성 080 |토성의 고리 084 |지구를 닮은 위성, 타이탄 086
|태양계 탐사선들 088 |태양계 산책을 위한 최소한의 속력 090 |운석 094
|보이저호는 어떻게 태양계를 벗어났을까? 096 |스윙바이의 원리 098 |행성을 이용한 스윙바이 100 |행성 그랜드 투어 106 |보이저호의 여행 108
|천왕성 138 |누워서 도는 행성 140 |뜨거운 얼음 144
|동결선 146 |동결선이 가른 행성의 운명 148 |행성의 탄생과 이주 150
|혜성 154 |검은 오리에서 하얀 백조로 156
|중력으로 묶인 158 |궤도의 비밀 160 |궤도 공명 162 |중력을 느낀다는 것 164
|기조력 166 |기조력의 영향 168
|공 모양이 되려면 170 |행성의 겉과 속 172 |태양계 물질의 기원 174
|외계 생명체를 찾아서 177 |창백한 푸른 점 178 |공허 195
|해왕성 198 |더 가 보겠습니까? 204
■ 더 먼 우주를 향한 이정표 206