물질은 어디에서 왔을까

아인슈타인의 특수상대성이론은 우리가 살고 있는 시공간이 4차원, 시간은 공간의 다른 표현임을 얘기한다. 우리는 공간의 방향으로 움직일 수도, 시간의 방향으로 움직일 수도 있다. 어떤 존재는 공간으로, 어떤 존재는 시간으로 움직이고, 우리가 어느 각도로 사물을 보느냐에 따라 나의 아들과 나의 아버지는 동시대에 같은 생물학적 나이로 존재할 수도 있다. 이상한 얘기이다. 세상이 원래 이렇게 이상한 것인지, 우리가 이상하게 생각하는 것인지...

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일반상대성이론에서 공간은 물질에 의해서 휘어지고, 휘어진 공간으로 물질들은 등속으로 이동한다. 우주에는 물질과 에너지가 있고, 따라서 그것들은 공간을 휘게 만든다. 물질과 에너지의 양에 따라 우주가 안으로 휘어질 수도 바깥으로 휘어질 수도 있으며, 우주는 한없이 쪼그라 들 수도, 한 없이 팽창할 수도 있다. 사실, 영원한 팽창과 수축 사이의 절묘한 절충점을 찾는 것, 정적인 우주론이 훨씬 이상하게 보인다. 그러나, 아인슈타인은 정적인 우주를 생각하였고 이를 위해서 억지로 우주 상수라는 이상한 형이상학적인 존재를 도입하고 곧 후회한다.

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러시아의 프리드먼과 벨기에의 르메트르는 일반 상대성이론을 우주에 적용하여, 우주는 이상한 모양으로 휘어져 있을 수 있으며, 물질의 총량, 물질의 밀도에 따라 우주의 모양과 운명이 결정되리가 생각한다. 우주 상수라는 형이상학을 배제하면 두가지 중 하나의 스토리가 가능할 것이다. 현재 우주는 쪼그라들고 있다.. 아니면 현재 우주는 팽창하고 있다. 물론 증거는 없지만 이론적으로는 그 둘 중 하나일 것이다.

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벨기에의 카톨릭 신부이자 이론물리학/천문학자이던 조르주 르메트르(1894-1966)는 1925년 "은하외 성운의 반경 방향 속도를 설명하는 일정한 질량과 증가하는 반경의 균일한 우주"라는 논문을 발표하고 둘 중 팽창하는 우주에 베팅을 한다. 아인슈타인은 그에게 "당신의 계산은 정확하지만 당신의 물리학은 끔직하다"라는 말을 한다. 그렇다, 모든 인간들은 일정의 확정 편향을 가지고 있으며, 자신이 아는 것을 진실이라고 확신한다.

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우주에서 우리는 고립되어 있는가, 아니면 우리 외에 수많은 은하들이 존재하는가는 20세기초의 인류에게 큰 논쟁거리 중 하나였다. 당시의 천문학이 별까지의 정확한 거리를 측정할 정도로 정확하지 않았기 때문이다. 1921년 에드윈 허블(1889~1953)은 셰페이드 변광성의 광도/주기 관계를 이용하여 안드로메다 성운이 우리에게서 150만광년 떨어진 사실을 발표한다. 우리 은하의 크기가 10만광년으로 추정하였기에, 우리가 고립된 은하가 아니란 사실을 한방에 증명하여 대스타로 발돋움한다.

허블은 은하의 분광을 연구하여 은하의 온도가 생각보다 낮음을, 특히 멀리 떨어진 은하의 경우가 더욱 더 적색 편이(red shift)가 많음을 발견하여, 우주는 팽창하고 있음을, 아인슈타인이 우주 상수를 도입한 것을 뼈저리게 후회하게 만든다. 1924년 허블의 관측과 "허블 르메트르 법칙"은 이후, 가모프(1904~1868)의 빅뱅이론으로 연결되어 세상을 뒤흔든다.

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우리 모두는 땅콩에서 나왔다... 이상하다. 왜 한점은 그대로 있지 않고 138억년전, 갑자기 팽창을 시작한 것인가... 왜 태허는 태허로 있지 않고 세상을 만들었고, 왜 창조주는 무료함을 더이상 견디지 못하고 세상을 만들었을까.. 가모프에 맞서서 정상우주론을 주장하던 프레드 호일이 1949년 BBC 라디오 방송에 나와서, "정상 우주론이 맞다면 우리는 땅콩에서 팡팡, bang bang 하면서 나왔겠네" 하면서 Big bang이란 신조어를 만들어 조롱한다. 물론, bang은 없었다. 그냥 현재 보이는 우주의 초기 상태를 말할 뿐, 폭발이란 용어는 우주의 기원으로는 전혀 적합하지 않다.

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20세기 가장 위대한 발견을 한 허블은 천문학자였기 때문에 노벨상을 받지 못한다. 오늘날은 많은 천문학자들이 수상하고 있지만, 당시만 하더라도 우주의 본질, 궁극적인 입자의 발견이 하늘을 쳐다보는 것보다는 훨씬 고상하게 여겨졌기 때문이다.

1965년 천문대의 전파 망원경을 설치하던 두 공학자 펜지아스와 윌슨은, 아무리 해도 잡히지 않는 작은 잡음을 잡는 것을 포기하고, 이것이 그들의 잘못이 아님을 논문으로 발표한다. 우주의 전방향에서 날아오는 우주의 차가운 빛, 절대 온도 3도, 영하 270도의 너무나 차가운 빛이 존재한다는 사실, 이것은 다시 한번 세상을 뒤흔든다. 우리가 우주 탄생 직후의 모습을 실제 우리의 눈으로 볼 수 있게 된 것이다. 엄청난 행운의 두 공학자들은 나란히 노벨상을 수상한다. 사실, 조금만 더 기다렸다면 평생을 그들을 쫓아 다닌 프린스턴 대학의 피블스와 윌킨슨 교수에게 영예가 돌아갔겠지만, 위대한 과학적 발견은 스스로 엉뚱한 곳에서 모습을 드러낼 뿐이다.

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르메트르는 어떻게 우주가 팽창하고 있을 것이란 생각을 했을까... 그 동기 중 하나는, 왜 지구에 금, 은, 우라늄 같은 존재하기 어려운 원소들이 존재하고 있을까 라는 질문도 포함되었을 것이다. 수소가 핵융합을 하여 헬륨으로, 탄소로, 산소로, 철까지는 이해가 된다. 그러나, 그보다 더 무거운 원소들이 어떻게 이 지구라는 별에 존재하게 된 것일까.. 대체 이것들은 어디서 온 것인가..

태초에 아주 좁은 곳에 그렇게 많은 입자들이 존재한다면 그 온도는 상상을 초월하여 분자도, 원자도, 양성자도, 심지어는 쿼크도 존재하지 않았을 것이다. 그 때의 입자가 어떤 형태였을 지, 그러한 시공간은 어떠한 모습이었을 지 인간들은 잘 모른다. 가모프는 1948년 "화학적 원소의 기원"이라는 논문을 발표하여, 오늘날 우리 들의 주변에 있는 원소들이 지구 외에서 왔을 것임을 암시하고 그 기원을 빅뱅으로 보았다.

오늘날 우리는 이것이 일견은 맞고 일견은 틀린 것임을 안다. 빅뱅 당시에는 수소와 헬륨, 그 외 극소수의 원소들만 생성되었고, 나머지 원소들은 별이 생긴 후에, 별 공장의 폭발로 인해서 발생한 것임을 안다. 우리 모두는 일부는 빅뱅의 후예, 일부는 항성내 핵융합 과정, 나머지 극소량은 초신성의 잔재들이다.

에너지는 모습을 바꿀 뿐이다. 에너지의 반은 입자가 반은 반입자가 가져가고, 이것들이 다시 에너지를 교환하면 입자/반입자는 사라지고 에너지가 생길 뿐이다. 그러한 완벽한 대칭이 어느 순간 깨어지고, 세상에는 입자가 다수 존재하는 곳이 생기게 되었다. 사실, 이러한 것을 설명은 할 수 있지만, 우리는 왜 이렇게 우주가 진화하게 된 것인지, 왜 그러한 법칙이 생기게 된 것인지, 그 의미는 무엇인지 전혀 모른다. 이러한 공허는 다시 그 기원을 채우려는 노력으로 이어지고, 종교가 그 빈자리를 채우게 된다.

주기율표의 모든 원소들은 자연계에 존재하는가? 그렇지 않다는 것을 잘 안다. 우라늄이상, 원소번호 93번부터는 인공원소라고 부르며 자연에 존재하지 않거나 존재하더라도 극미량만 존재하고 반감기가 워낙 짧아서 금방 사라진다. 원소 번호 93~98번은 극소량만이 자연에서 발견되고 그 이상 특히 104번 이상은 모두 실험실에서만 발견된다. 2021년 현재 인류가 발견/합성한 원소는 118종류이다.

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그러나, 실제로 원소기호 92이하에서도 여러 개의 인공 원소들이 존재한다. 즉, 주기율표의 빈칸들이 존재했었는데, 1937년 인간은 테크네튬이란 원소를 만들어 주기율표의 빈칸을 채운다. 이탈리아 광물학자 페리에와 세그레가 사이클로트론을 가속시켜 중수소양성자를 42번 몰리브덴에 충돌시켜 인류 최초의 인공 원소 테크네튬(tekhnetos=그리스어 인공, 원소기호 43번)을 만들고 이는 실제로 내부식성 강철 합금 제조에 사용된다.

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현대 천문학이 풀지 못한 숙제 중 하나는 금의 기원에 관한 것이다. 금이 비싼 이유는 당연히 그 희소성으로 인한 것인데, 2019년말 지구상에서 채굴된 금의 총량은 197,576톤, 대략 20만톤정도이다. 이것을 모두 녹여서 정육면체로 만들면 각 변의 길이가 고작 22미터 정도에 불과하다. 이것을 전 세계인들이 나누어 가지고 있는 것이다. 20만톤중 반지/목걸이 같은 장신구에 반정도인 9.3만톤, ETF등 보관용 금에 4.3만톤(22%), 중앙은행에 보관된 금들이 3.4만톤, 나머지는 2.8만톤으로 산업용등으로 활용된다.

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