천문학
우주의 탄생, 인플레이션
existence_of_nothing
2023. 1. 31. 16:00
아리스토텔레스는 만물이 물, 불, 공기, 흙의 4가지원소로 이루어져 있고, 이것들의 성질을 변화시키면 하나의 원소에서 다른 원소로 변환할 수 있다고 믿었다. 이러한 믿음은 과학이 발달하기 전까지 2000여년을 이어져서, 중세에 연금술은 학문의 경지에 이르게 된다. 서양에서 종교적 영향으로 금지된 연금술은 아랍권에서 활발히 연구되다가 11~12세기 십자군 원정을 통하여 다시 서유럽으로 유입된다. 현자의 돌 혹은 마법사의 돌을 이용하여 값싼 금속을 금으로 변하게 할 수 있다고 믿은 수많은 사람들의 헛된 시도는 아이러니컬하게도 현대 화학의 발전으로 연결된다.
18세기에 라브와지에(1734~1794)는 모든 원소는 기본적인 원소들의 결합으로 이루어지며, 이들은 더 이상 분해될 수 없다는 이론을 확립하고 금이 그 때까지 발견된 33종의 원소 중 하나임을 얘기한다. 돌턴은 모든것들은 더 이상 나눌 수 없는 원자라는 알갱이로 이루어진다는 원자설을 얘기하고 원자들 사이의 변환은 불가능함을 주장하는 원자설을 얘기하면서 인간들은 서서히 연금술이 불가능함을 깨닫는다.
갈릴레이는 최초로 관측을 통한 과학이라는 개념을 도입하고, 뉴턴은 현상의 저변에 존재하는 우주의 수학적 구조를 인류 최초로 세상에 선보인다. 물리학계에 뉴턴이 있다면 화학계의 뉴턴은 당연 라브와지에이다. 그는 금수저 변호사의 집안에 태어난 엘리트 과학자로, 조세 징수를 하면서 과학 실험을 위해 과도한 축재를 하다가 프랑스 혁명의 와중에 처형당한다. 로베스피에로는 "우리는 과학자가 필요하지 탐관오리는 필요없다"라고 그를 길로틴에 신속히 보냈지만, 라그랑지는 "그의 머리를 베기에는 인순간이지만 그의 머리를 만드려면 100년은 더 걸릴 것"이라고 한탄한다.
라브와지에의 업적중 첫번째는 "질량 보존의 법칙"의 발견이다. 세상 모든 것들은 새로 만들어지거나 사라지는 것이 아니라, 모든 것들은 순환될 뿐, 그 총량은 보존된다. 오늘날 우리는 그 내용이 완전히 정확하지는 않다는 것을 안다. 우리는 질량-에너지 보존의 법칙을 통해서 질량이 에너지로 변환될 수도 있음을 알고 있다. 물론, 질량=에너지이니 간단히 이것을 에너지 보존의 법칙, 우주의 모든 것들에서 새로 생기거나 영원히 사라지는 것은 없다. 그들은 다만 에너지/물질을 주고 받을 뿐, 영원한 연기만이 존재할 뿐이다.
그의 두번째 업적은, 그전까지 화학 반응의 핵심인 연소 반응에 대한 획기적인 발상의 전환에 있다. 그 전까지 인간들은 타는 물질의 내부에는 플로지스톤이라는 것이 있어서, 이것이 물질에서 빠져나가는 것을 연소라고 보았다. 라브와지에는 프리스틀리(1733~1804)가 산화 수은을 분해(2HgO → 2Hg + O2)하여 얻은 "플로지스톤화 공기"가 바로 산소라는 원소임을 알아차리고, 산소와의 결합을 연소라고 정의하였다. 이것을 오늘날 "chemical revolution"이라고 부른다.
그의 마지막 업적은, 모든 화학적 실험을 정확한 측정을 통해서 정량적으로 해석한 것이며 그전까지 "플로지스톤이 없는 공기", "플로지스톤이 적당한 공기", "플로지스톤 만땅 공기"등으로 애매모호하게 표현하던 모든 용어들을 엄밀하고 간략하게 정리한 것에 있다. 즉, 이전까지 정성적/직관적으로 수행되던 화학 실험을 정량적/객관적인 근대 화학으로 탈바꿈한 것이다.
갈릴레이는 최초로 관측을 통한 과학이라는 개념을 도입하고, 뉴턴은 현상의 저변에 존재하는 우주의 수학적 구조를 인류 최초로 세상에 선보인다. 물리학계에 뉴턴이 있다면 화학계의 뉴턴은 당연 라브와지에이다. 그는 금수저 변호사의 집안에 태어난 엘리트 과학자로, 조세 징수를 하면서 과학 실험을 위해 과도한 축재를 하다가 프랑스 혁명의 와중에 처형당한다. 로베스피에로는 "우리는 과학자가 필요하지 탐관오리는 필요없다"라고 그를 길로틴에 신속히 보냈지만, 라그랑지는 "그의 머리를 베기에는 인순간이지만 그의 머리를 만드려면 100년은 더 걸릴 것"이라고 한탄한다.
라브와지에의 업적중 첫번째는 "질량 보존의 법칙"의 발견이다. 세상 모든 것들은 새로 만들어지거나 사라지는 것이 아니라, 모든 것들은 순환될 뿐, 그 총량은 보존된다. 오늘날 우리는 그 내용이 완전히 정확하지는 않다는 것을 안다. 우리는 질량-에너지 보존의 법칙을 통해서 질량이 에너지로 변환될 수도 있음을 알고 있다. 물론, 질량=에너지이니 간단히 이것을 에너지 보존의 법칙, 우주의 모든 것들에서 새로 생기거나 영원히 사라지는 것은 없다. 그들은 다만 에너지/물질을 주고 받을 뿐, 영원한 연기만이 존재할 뿐이다.
그의 두번째 업적은, 그전까지 화학 반응의 핵심인 연소 반응에 대한 획기적인 발상의 전환에 있다. 그 전까지 인간들은 타는 물질의 내부에는 플로지스톤이라는 것이 있어서, 이것이 물질에서 빠져나가는 것을 연소라고 보았다. 라브와지에는 프리스틀리(1733~1804)가 산화 수은을 분해(2HgO → 2Hg + O2)하여 얻은 "플로지스톤화 공기"가 바로 산소라는 원소임을 알아차리고, 산소와의 결합을 연소라고 정의하였다. 이것을 오늘날 "chemical revolution"이라고 부른다.
그의 마지막 업적은, 모든 화학적 실험을 정확한 측정을 통해서 정량적으로 해석한 것이며 그전까지 "플로지스톤이 없는 공기", "플로지스톤이 적당한 공기", "플로지스톤 만땅 공기"등으로 애매모호하게 표현하던 모든 용어들을 엄밀하고 간략하게 정리한 것에 있다. 즉, 이전까지 정성적/직관적으로 수행되던 화학 실험을 정량적/객관적인 근대 화학으로 탈바꿈한 것이다.
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그러나 연금술의 꿈은 여전히 살아남아서, 1924 일본 이화학 연구소 나가오카 한타로 박사는 130g의 수은에서 1g의 금을 추출했다고 발표한다. 그보다 2달 앞서 베를린공대의 아돌프 미테 교수도 수은증기에 강한 전류를 가하여 금입자를 생성했다고 발표한다. 물론, 이것은 불가능했고 그것은 강한 전류에 의해 실험도구에 극미량 포함된 금이 흘러나온 해프닝이었다. 얼마 전 기사에서 본인이 영구기관을 만들어서 특허를 냈다고 한 사람도 여전히 있음을 생각할 때 놀라운 일은 아니다.
경제적으로는 의미없지만 오늘날 우리는 입자가속기라는 현자의 돌을 발명해 내고 연금술을 끝내 완성한다. 1941년 Sherr, Bainbridge, Anderson은 하버드 사이클로트론 입자가속기로 중성자를 수은에 때려서 인류 최초로 금을 만들어낸다. 수은은 원자번호 80번 금은 원자번호 79번으로 양성자 하나 차이인데, Hg196에 중성자를 때려서 Hg197로 만들면 얼마후 방사선 붕괴로 Au197의 금이 만들어진다는 것이다. 문제는 경제성인데, 1g의 금을 만드는데 50년의 세월과 그만큼의 에너지가 필요하다. 다른 방법으로는 베릴륨(Be 4)를 수은에 때려서 양성자 하나를 바깥으로 빼내는 방법이 있는데, 2만년 정도 걸리면 금 1돈을 만들 수 있다.
그러나 연금술의 꿈은 여전히 살아남아서, 1924 일본 이화학 연구소 나가오카 한타로 박사는 130g의 수은에서 1g의 금을 추출했다고 발표한다. 그보다 2달 앞서 베를린공대의 아돌프 미테 교수도 수은증기에 강한 전류를 가하여 금입자를 생성했다고 발표한다. 물론, 이것은 불가능했고 그것은 강한 전류에 의해 실험도구에 극미량 포함된 금이 흘러나온 해프닝이었다. 얼마 전 기사에서 본인이 영구기관을 만들어서 특허를 냈다고 한 사람도 여전히 있음을 생각할 때 놀라운 일은 아니다.
경제적으로는 의미없지만 오늘날 우리는 입자가속기라는 현자의 돌을 발명해 내고 연금술을 끝내 완성한다. 1941년 Sherr, Bainbridge, Anderson은 하버드 사이클로트론 입자가속기로 중성자를 수은에 때려서 인류 최초로 금을 만들어낸다. 수은은 원자번호 80번 금은 원자번호 79번으로 양성자 하나 차이인데, Hg196에 중성자를 때려서 Hg197로 만들면 얼마후 방사선 붕괴로 Au197의 금이 만들어진다는 것이다. 문제는 경제성인데, 1g의 금을 만드는데 50년의 세월과 그만큼의 에너지가 필요하다. 다른 방법으로는 베릴륨(Be 4)를 수은에 때려서 양성자 하나를 바깥으로 빼내는 방법이 있는데, 2만년 정도 걸리면 금 1돈을 만들 수 있다.
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138억년전 빅뱅과 함께 우주가 시작되었다고 믿는 분들은 사실 과학을 정확히 모르는 이들이다. 그렇지 않다. 아주 뜨겁고 급작스런 bang은 없었다. 아무것도 없던 것 같은 시공간이 급속도로, 빛보다 더 빠른 속도로 팽창한다. 팽창의 결과 우주의 밀도는 내려가고 차갑게 식어간다. 즉, 태초는 뜨거운 고열이 아니라, 아무것도 없는 차디찬 우주였다. 138억년 팽창을 시작한 것인지, 아니면 과거와 연결된 연속된 역사였는지 우리는 모른다.
우주의 팽창은 너무나 급속하여, 양자역학적인 작은 요동, vacuum fluctuation이 우주적 스케일로 팽창되어, 현재 CMB 패턴을 보면 전체적으로는 평탄하지만 부분적으로는 알록달록한 비균질성을 보인다. 이러한 비균질성이 없었다면 물질의 응축도, 중력도, 별도, 달도, 우리도 없었을 것이다. 참으로 아이러니하다. 우주적 스케일을 설명하는데, 눈에 보이지도 않을 만큼 작은 양자 요동을 생각한다. 우주의 한 부분이 우주 전체를 포함하는 모나드를 연상시킨다.
어쨌던 인플라톤 potential energy가 떨어지면서 팽창 속도는 느려지고, potential energy는 인플라톤 입자의 운동에너지로 변환되고, 이것의 일부는 표준모형의 입자를 생성하고, 동시에 이들에게 에너지를 전달하면서 사라진다. 이 결과 우주는 좁은 곳에 엄청난 밀도의 입자들로 넘치고 온도는 상상을 초월할 정도로 가열된다. 이것이, 예전 인플레이션 이론이 등장하기 전, 우리가 빅뱅이라고 부르는 우주 탄생의 시간이다.
138억년전 빅뱅과 함께 우주가 시작되었다고 믿는 분들은 사실 과학을 정확히 모르는 이들이다. 그렇지 않다. 아주 뜨겁고 급작스런 bang은 없었다. 아무것도 없던 것 같은 시공간이 급속도로, 빛보다 더 빠른 속도로 팽창한다. 팽창의 결과 우주의 밀도는 내려가고 차갑게 식어간다. 즉, 태초는 뜨거운 고열이 아니라, 아무것도 없는 차디찬 우주였다. 138억년 팽창을 시작한 것인지, 아니면 과거와 연결된 연속된 역사였는지 우리는 모른다.
우주의 팽창은 너무나 급속하여, 양자역학적인 작은 요동, vacuum fluctuation이 우주적 스케일로 팽창되어, 현재 CMB 패턴을 보면 전체적으로는 평탄하지만 부분적으로는 알록달록한 비균질성을 보인다. 이러한 비균질성이 없었다면 물질의 응축도, 중력도, 별도, 달도, 우리도 없었을 것이다. 참으로 아이러니하다. 우주적 스케일을 설명하는데, 눈에 보이지도 않을 만큼 작은 양자 요동을 생각한다. 우주의 한 부분이 우주 전체를 포함하는 모나드를 연상시킨다.
어쨌던 인플라톤 potential energy가 떨어지면서 팽창 속도는 느려지고, potential energy는 인플라톤 입자의 운동에너지로 변환되고, 이것의 일부는 표준모형의 입자를 생성하고, 동시에 이들에게 에너지를 전달하면서 사라진다. 이 결과 우주는 좁은 곳에 엄청난 밀도의 입자들로 넘치고 온도는 상상을 초월할 정도로 가열된다. 이것이, 예전 인플레이션 이론이 등장하기 전, 우리가 빅뱅이라고 부르는 우주 탄생의 시간이다.
설명한데로, 태초 우주에는 인플라톤장이라고 부르는 에너지만이, 태허만이 존재했었다. 태허가 어떤 상태인지 우리들은 잘 모르니, 그것은 우리가 기술할 수 있는 언어의 바깥이고, 그것이 원래부터 그 모습이었는지, 혹은 태허조차도 태허 이전의 시원을 가지고 있었는지 인간들은 모른다. 텅빈 공간은 엄청난 속도로 펼쳐지고, 그 안에서 입자들을 만들고 그 입자들을 가열시켜서 우주 공간에 퍼뜨린다. 그리고, 이미 별들이 존재할 자리를 양자 요동으로 만들어내고, 그 자리에 암흑물질을 흘려보내고 동시에 물질들도 암흑물질의 기반위에 터를 잡는다.
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인플레이션이 멈춘 후에도 그 관성으로 인해서 우주는 빠른 속도로 팽창하였기에, 그 뜨거운 온도는 순식간에 식어가고, 따라서 수소(3)와 헬륨(1)을 제외한 다른 원자들을 만들어낼 시간적 여유가 없었다. 이제, 중력이라는 거인이 등장하여 뿔뿔이 흩어져있던 수소와 헬륨원자들을 불러 모으고, 그들은 거대한 덩어리를 형성하고 스스로의 공간에서 수축하기 시작한다. 중력에 의해서 떨어지던 수소원자의 속력이 증가하고 이는 곧 온도와 압력의 상승을 의미한다.
그러한 가속에 의해서 수소와 수소가 서로의 전자기 장벽을 넘어서 더 에너지가 낮은 상태, 헬륨원자를 생성하면서 남은 에너지를 뿜어낸다. 별은 타기 때문에 뜨거운 것이 아니라, 뜨거웠기 때문에 타기 시작하며 뜨거워진 이유는 중력이 그들을 끌어당겼기 때문이며 그것은 공간이 휘어있었고 휘어진 공간으로 물질들이 모였기 때문이다. 타기 때문에 더 뜨거워진 입자는 중력에 대항하고 그 둘의 균형은 절묘하게 유지된다.
인플레이션이 멈춘 후에도 그 관성으로 인해서 우주는 빠른 속도로 팽창하였기에, 그 뜨거운 온도는 순식간에 식어가고, 따라서 수소(3)와 헬륨(1)을 제외한 다른 원자들을 만들어낼 시간적 여유가 없었다. 이제, 중력이라는 거인이 등장하여 뿔뿔이 흩어져있던 수소와 헬륨원자들을 불러 모으고, 그들은 거대한 덩어리를 형성하고 스스로의 공간에서 수축하기 시작한다. 중력에 의해서 떨어지던 수소원자의 속력이 증가하고 이는 곧 온도와 압력의 상승을 의미한다.
그러한 가속에 의해서 수소와 수소가 서로의 전자기 장벽을 넘어서 더 에너지가 낮은 상태, 헬륨원자를 생성하면서 남은 에너지를 뿜어낸다. 별은 타기 때문에 뜨거운 것이 아니라, 뜨거웠기 때문에 타기 시작하며 뜨거워진 이유는 중력이 그들을 끌어당겼기 때문이며 그것은 공간이 휘어있었고 휘어진 공간으로 물질들이 모였기 때문이다. 타기 때문에 더 뜨거워진 입자는 중력에 대항하고 그 둘의 균형은 절묘하게 유지된다.
타기 시작한 항성은 내부 온도가 1.5천만도까지 상승하고 엄청난 수의 광자와 입자 덩어리들을 표면으로 밀어올린다. 광자는 플라즈마 상태의 수소를 헤쳐 나오느라 단 2초면 빠져나올 공간을 17만년만에 힘들게 빠져나오고 표면온도는 6천도로 식고 생물을 멸종시킬 사나운 감마선은 생명을 어루만지는 부드러운 가시광선으로 변한다.
태양의 수수께끼 중 하나는 태양표면온도가 6천도, 그 바로 위 대기인 채층의 온도가 2만도인데 반해, 채층을 둘러싼 코로나의 온도가 100만도까지 상승한다는 것이다. 100도로 냄비를 뎁히는데 냄비 온도가 200도가 되었다.. 희안한 일이다. 가서 궁금증을 풀고 싶지만, 3000도를 넘기기도 힘든 우주선이 어떻게 가까이 가겠는가, 각종 썰만 난무할 뿐이다.
코로나는 생명에 치명적인 태양풍을 만들기에 만약 Van Allen radiation belt가 사라지면 지구의 대기는 화성처럼 씻겨 나가고 그렇지 않다고 해도, 강한 태양풍(CMD coronal mass ejection)에 생명은 멸종한다. 태양풍의 초속이 초당 1000 km이니, 지구 자기장이 약해 지거나, 태양 흑점 활동이 활발해져서 태양풍이 반 알렌대를 넘어오면 생명은 위태해진다. 가끔씩 태양풍에 의해서 통신이 두절되는 델린저 현상이 목격된다.
태양의 수수께끼 중 하나는 태양표면온도가 6천도, 그 바로 위 대기인 채층의 온도가 2만도인데 반해, 채층을 둘러싼 코로나의 온도가 100만도까지 상승한다는 것이다. 100도로 냄비를 뎁히는데 냄비 온도가 200도가 되었다.. 희안한 일이다. 가서 궁금증을 풀고 싶지만, 3000도를 넘기기도 힘든 우주선이 어떻게 가까이 가겠는가, 각종 썰만 난무할 뿐이다.
코로나는 생명에 치명적인 태양풍을 만들기에 만약 Van Allen radiation belt가 사라지면 지구의 대기는 화성처럼 씻겨 나가고 그렇지 않다고 해도, 강한 태양풍(CMD coronal mass ejection)에 생명은 멸종한다. 태양풍의 초속이 초당 1000 km이니, 지구 자기장이 약해 지거나, 태양 흑점 활동이 활발해져서 태양풍이 반 알렌대를 넘어오면 생명은 위태해진다. 가끔씩 태양풍에 의해서 통신이 두절되는 델린저 현상이 목격된다.
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태양같은 작은 항성은 pp(proton-proton) chain에 따라 수소->헬륨 핵융합에서 그친다. 비록 저 너머에 에너지가 낮은 상태가 있지만, 양성자와 양성자의 강한 반발력에 의해서 그 점에 도달하기는 어렵다. 태양 내부가 1500만도로 낮기 때문이다. 그러나, 양자 역학에서 얘기하는 quantum tunneling 현상에 의해서 입자들은 파동처럼, 유령처럼 다른 수소원자의 옆으로 이동하는데, 그 확률이 높지 못하기에 그 반응이 모두 끝나려면 약 100억년이 걸린다. 따라서, 향후 50억년은 인류 생존에 큰 문제가 없다.
태양같은 작은 항성은 pp(proton-proton) chain에 따라 수소->헬륨 핵융합에서 그친다. 비록 저 너머에 에너지가 낮은 상태가 있지만, 양성자와 양성자의 강한 반발력에 의해서 그 점에 도달하기는 어렵다. 태양 내부가 1500만도로 낮기 때문이다. 그러나, 양자 역학에서 얘기하는 quantum tunneling 현상에 의해서 입자들은 파동처럼, 유령처럼 다른 수소원자의 옆으로 이동하는데, 그 확률이 높지 못하기에 그 반응이 모두 끝나려면 약 100억년이 걸린다. 따라서, 향후 50억년은 인류 생존에 큰 문제가 없다.
태양보다 조금 더 큰 별들(1.3배)은 아래와 같은 CNO cycle을 통하여 산소까지의 원소를 만들어낸다. 태양내에서도 약 1.7%정도의 에너지는 CNO cycle의 의해서 발생하며, 따라서 탄소가 조금은 생긴다.
NOVA (신성)같은 별에서는 hot CNO cycle을 통해서 철까지의 원소들을 만들어낼 수 있다. NOVA는 은하내에서 매년 50개 정도가 발생할 정도로 빈번하게 나타나는데, 매년 그 중 10개 정도가 관측된다. 평소에는 보이지 않다가 폭발과 함께 갑자기 별이 나타나기에 신성이라고 부른다. 거대한 신성은, 대 폭발을 만드는 신성을 우리는 초신성, super NOVA 라고 부른다.
신성이 갑자기 나타나는 이유는 폭발로 인한 것이다. 2개의 별이 가까이 있을 때 (Binary star, 쌍성), 혹은 하나의 별 주변을 다른 별이 지나갈 때, 한 별은 백색왜성이고 다른 별이 노화과정의 적색 거성일때, 백색 왜성이 다른 별을 서서히 흡수하면서 발생한다. 서서히 질량이 증가하다가 찬드르세카르 한계를 넘어서는 순간, 백색왜성의 급격한 붕괴가 시작되며, 온도가 급상승하면서 열폭주에 의해서 별의 외부가 폭발하고, 우주 공간에 그 물질을 뿌린다. 초신성의 경우, 그 폭발력과 온도가 엄청나기에 금을 비롯한 각종 물질들을 합성할 것으로 추정되지만, 여전히 그 정확한 메커니즘은 우주의 신비 중 하나이다.
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