우주를 만드는 16가지 방법

우주를 만드는 16가지 방법

제프 엥겔스타인 지음

동아시아 / 2025년 5월 / 212쪽 / 17,500원





밀가루로 알아보는 암흑 물질

우주에 있는 물질의 약 85%는 우리 눈에 보이지 않습니다. 과학자들은 이것을 ‘암흑 물질(dark matter)’이라고 불렀지만, 아직 그 실체를 포착하거나 실험실에서 만들어 내지 못했고, 직접 관측하는 것조차 불가능합니다. 그러면 암흑 물질이 있다는 것을 어떻게 아는 것일까요? 이 궁금증을 풀기 위해 우리에게 친숙한 밀가루와 반죽을 살펴봅시다.

반죽을 만들 때 가장 흥미로운 점은 아마도 그 특유의 탄력 있고 스펀지 같은 감촉일 것입니다. 손으로 반죽을 주무르고, 두드리고, 늘리면서 모양을 잡아가는 과정은 특별한 즐거움마저 주지요. 반죽에서 이런 늘어나는 성질은 밀가루가 담당하는데, 그 비밀은 바로 글루텐이라는 단백질에 있습니다. 글루텐은 마치 작은 스프링처럼 반죽 속의 전분과 다른 입자들을 잡아줍니다. 반죽을 늘리면 글루텐 분자들도 같이 늘어났다가 다시 줄어들면서 늘어난 반죽을 잡아당기는 것이지요.

여기서 글루텐은 반죽을 하나로 뭉치는 힘(force)의 역할을 합니다. 우리가 알기로 우주에서 근본적인 힘은 네 가지밖에 없어요. 중력, 전자기력, 강력, 약력이지요. 중력은 우주의 모든 물체를 서로 끌어당기는 힘입니다. 이 힘 때문에 행성들이 태양 주위를 돌고, 쿠키를 놓으면 바닥으로 떨어지지요. 전자기력은 서로 다른 전기를 가진 것들 사이에 작용하는 힘으로, 전기와 빛을 만들어 내고 물질들을 서로 붙어 있게 합니다. 강력은 원자핵 안에서 아주 작은 입자들을 붙들어 두는 힘입니다. 그리고 약력은 방사능 같은 아주 미세한 변화를 일으키는 힘입니다.

이 중에서 어떤 힘이 가장 강할까요? 이름 그대로 강력이 가장 셉니다. 그런데 재미있게도 약력이 가장 약한 힘은 아닙니다. 가장 약한 힘은 바로 중력입니다. 강력은 정말로 엄청난 힘을 가지고 있습니다. 전자기력보다 100배, 약력보다 100만 배, 중력보다는 무려 10^38배나 더 강합니다. 하지만 강력과 약력은 아주 가까운 거리에서만 작용해요. 우리가 평소 이 힘들을 느끼지 못하는 이유도, 이 힘들이 원자핵처럼 아주 작은 크기에서만 영향을 미치기 때문입니다.

우리가 일상생활에서 느끼는 것은 주로 전자기력과 중력이에요. 반죽을 뭉치게 하는 글루텐 분자의 힘도 전자기력의 일종이지요. 글루텐 단백질 안에 있는 서로 다른 전기를 가진 입자들이 당기고 밀면서 이런 힘이 생기는 거예요. 분자가 어떤 모양을 갖게 되는지도 단백질의 서로 다른 부분들이 밀고 당겨서 그렇답니다. 늘어난 고무줄이 다시 원래 길이로 돌아가려고 하듯이, 분자도 비틀리거나 늘어나면 원래 모양으로 돌아가려고 하지요. 분자가 이런저런 모양을 갖는 이유도 전자기력 때문입니다.

전자기력은 중력보다 훨씬 강력합니다. 이것을 직접 확인하고 싶다면 쿠키 하나를 테이블 위에 올려두기만 하면 됩니다. 지구 전체, 무려 7,000,000,000,000,000,000,000톤에 달하는 지구가 중력으로 쿠키를 잡아당기고 있습니다. 쿠키가 테이블 위에 떠다니지 않게 하는 힘이 바로 이 중력이지요. 이제 손으로 쿠키를 집어 들어보세요. 여러분의 팔 근육이 만들어 내는 전자기력이 지구 전체가 만드는 중력을 거뜬히 이긴다는 것을 알 수 있습니다. 지구의 중력, 알고 보면 별것 아니지요?

그런데 이상한 점이 있습니다. 천문학자들이 태양계나 은하에 작용하는 힘을 연구할 때는 이토록 강력한 전자기력은 거의 신경 쓰지 않고 중력만을 고려합니다. 왜 그럴까요? 그 이유는 두 힘이 작용하는 방식이 서로 다르기 때문입니다. 전자기력은 서로 다른 전기적 성질을 가진 것들 사이에서만 생깁니다. 마치 자석의 N극과 S극처럼, 음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 양성자는 서로 달라붙으려고 하지요. 하지만 전자와 양성자가 한번 달라붙으면, 그 밖에서는 더 이상 전자기력이 작용하지 않습니다. 둘이 붙으면 전기적으로 중성이 되어버리거든요. 수소 원자가 바로 그런 경우입니다. 시간이 지나면 양전하와 음전하는 서로 만나 전자기력의 효과를 없애버립니다.

반면 중력은 절대 없어지지 않아요. 모든 물질이 중력을 만들어 내는데, 그 효과는 계속 쌓이기만 하지요. 쉽게 말해 전자기력에는 플러스와 마이너스가 있지만, 중력에는 플러스만 있는 거예요. 그래서 전자기력과 달리, 우주의 모든 중력은 계속 더해집니다. 없앨 방법이 없거든요. 별이나 블랙홀, 은하처럼 엄청나게 거대한 것들 사이에서는 중력만이 실제로 영향을 미치는 유일한 힘입니다.

은하 안에서 별들의 움직임을 살펴보면, 중력이 별들의 궤도를 지배하고 있다는 것을 알 수 있습니다. 은하는 회전하고 있어요. 회전하는 모든 물체들처럼, 은하 안의 별들이 우주 공간 바깥으로 튕겨 나가지 않고 끊임없이 회전하려면 수많은 별들을 그 중심으로 끌어당기는 힘이 작용해야 합니다.

잠시 쿠키 반죽은 제쳐두고, 피자 반죽을 생각해볼게요. 쿠키 반죽과 마찬가지로 피자 반죽도 주로 글루텐에 의해 뭉쳐집니다. 피자 반죽을 공중에 던져 빙글빙글 돌리는 모습을 본 적 있나요? 반죽이 펼쳐지면서 늘어나는 이유는 반죽의 각 부분이 모두 직선 경로로 움직이려고 하기 때문이에요. 이때 글루텐이 늘어나면서 반죽이 원을 그리며 움직이도록 하는 힘을 제공해야 합니다. 만약 반죽을 지나치게 빨리 돌리면, 글루텐이 반죽을 붙들 정도의 충분한 힘을 발휘할 수 없을 거예요. 그러면 반죽이 찢어지겠지요. 중력은 은하 반죽의 글루텐입니다. 은하 전체를 하나로 묶어주지요. 그래서 은하 내부에 가해지는 모든 중력이 별들의 회전 속도를 결정하는 것입니다.

1970년대 후반, 미국의 베라 루빈 박사는 우리은하 안의 별들이 은하 중심을 기준으로 얼마나 빠르게 회전하는지 세밀하게 관측했습니다. 루빈 박사를 비롯해 과학자들은 별이 은하 중심에서 멀어질수록 회전 속도가 느려질 것이라고 예상했지요. 태양 주위를 공전하는 우리 태양계 행성들처럼요. (참고로 지구는 한 번 공전하는 데 1년이 걸리지만, 토성은 무려 29년이 걸린답니다.) 그리고 바깥쪽의 바람은 상대적으로 느리고 중심부에 가까워질수록 바람이 빠르게 부는 태풍처럼요.

하지만 루빈 박사의 측정 결과는 모두를 놀라게 했습니다. 은하 가장자리의 별들은 예상보다 훨씬 더 빠른 속도로 움직이고 있었습니다. 이대로라면 은하 안의 별들이 우주 공간으로 흩어져야 할 텐데 말이지요. 그렇다면 도대체 어떤 신비로운 힘이 이 은하의 별들을 붙들고 있는 것일까요?

과학의 법칙, 즉 이론과 방정식이 예측하는 것과 맞지 않는 결과를 마주했을 때는 두 가지 선택지가 있습니다. 첫째는 법칙이 맞고 관측에 무언가 문제가 있다고 가정하는 것이에요. 측정 방법에 오류가 있었을 수도 있고, 아니면 우리가 알지 못한 새로운 물질이 존재해서 중력으로 그 별들을 제자리에 붙들고 있는 것일지도 모릅니다.

또 다른 선택지는 그 이론과 방정식 자체가 틀렸다고 생각하는 거예요. 어떤 상황에서는 들어맞지만, 우리가 관측하고 있는 조건에서는 맞아떨어지지 않을 수도 있습니다. 아인슈타인이 발전시킨 중력의 법칙은 별과 행성에 대한 관측을 바탕으로 한 것입니다. 그런데 혹시 중력의 법칙이 아주 먼 거리에서는 조금 달라지는 것은 아닐까요? 중력이 빠르게 감소하지는 않아서, 은하 가장자리의 중력이 우리의 예상보다 더 강력할 수도 있지 않을까요?

이런 딜레마에 부딪혔을 때, 보통은 기존의 이론을 그대로 유지하고 그 이론을 바탕으로 어떤 일이 벌어지는지 알아내고자 합니다. 이것이 가장 쉽고 일반적인 방법이지요. 루빈 박사와 연구진이 측정 결과를 발표하고 나서 잇따른 다른 실험들에서도 그 결과가 검증되었습니다. 심지어 우리은하뿐만 아니라 다른 은하들도 같은 양상을 보인다는 사실을 발견했지요.

가장 간단한 설명은 우주에 우리가 알지 못하는 물질이 존재한다는 거예요. 우리가 한 번도 본 적은 없으니까요. 이런 물질이 존재한다면, 이 물질은 빛이 그냥 이 물질을 통과해 버리는 것이지요. 이 신비로운 물질에 ‘암흑 물질’이라는 이름이 붙은 이유입니다. 암흑 물질이 은하를 뭉치게 하는 추가적인 중력 글루텐 역할을 함으로써, 가장자리의 별들도 빠른 속도로 움직일 수 있는 것이지요.

암흑 물질이 무엇으로 구성되어 있는지, 그 정체를 밝히기 위해 노력한 지도 어언 50여 년이 흘렀지만, 그 실체는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 하지만 가능성 없는 성질을 하나씩 배제해 나가면서, 몇 가지 단서들을 손에 넣었습니다.

만약 암흑 물질 이론이 맞다면, 우리는 우주의 겨우 15%만 무엇으로 이루어진 것인지 알고 있는 셈입니다! 우주 전체 질량의 85%는 여전히 완전한 수수께끼로 남아 있는 것이지요. 은하의 운동을 설명하기 위해, 암흑 물질을 가정하지 않고 중력이 적절한 방식으로 조금 더 강해지도록 일반 상대성이론을 수정하자는 제안들도 많았습니다. 하지만 안타깝게도, 상대성이론을 수정하자는 주장은 최근 과학자들의 관측 결과로 설득력을 많이 잃었습니다. 그래서 현재로서는 암흑 물질이 별들을 한데 묶어준다고 생각하고 있습니다. 은하의 글루텐인 것이지요.



설탕으로 알아보는 핵융합

지난 장에서 우리가 이야기한 여러 힘을 만들어 내려면 에너지가 반드시 필요합니다. 에너지는 운동, 열, 전기, 화학 결합 등 다양한 형태로 존재하지요. 문명의 발전은 우리가 에너지를 더 효율적으로 생산할 수 있게 된 것과 밀접한 관련이 있습니다. 나무, 석탄, 석유, 핵에너지는 같은 양의 물질에서 점점 더 많은 에너지를 얻을 수 있게 해주었지만, 모두 우리 지구에 적지 않은 대가를 치르게 하지요. 하지만 핵융합 에너지는 이 모든 문제를 해결해 줄 잠재력을 가지고 있습니다.

모든 형태의 에너지는 서로 연결되어 있고, 하나를 다른 하나로 바꾸는 것이 가능합니다. 그래서 이번에는 우리의 쿠키 재료 중 하나인 설탕부터 자세히 살펴보려고 해요. 우리가 요리할 때 흔히 사용하는 설탕은 자당인데, 이는 과당과 포도당이라는 2개의 작은 설탕 분자가 결합해서 만들어집니다.

쿠키를 먹으면, 우리 몸은 자당과 다른 탄수화물을 분해해 체내에서 활용할 수 있는 형태로 바꾸어 줍니다. 혈액은 포도당을 우리 몸의 세포로 운반합니다. 평균적으로 우리 혈액에는 1티스푼의 양인 4g 정도의 설탕이 포함되어 있습니다. 이 1티스푼의 설탕이 우리 몸의 에너지를 순환시키는 데 일조하는 셈이지요. 설탕은 세포에 흡수되어 그 안의 미토콘드리아로 운반되는데, 미토콘드리아는 에너지 생산을 책임집니다. 포도당은 일련의 화학 반응을 거치고 산소와 결합하면서, 생명체를 살아 있게 하는 원동력인 에너지를 생산하지요.

그렇다면 쿠키 1개에서 얼마나 많은 에너지를 얻을 수 있을까요? 쿠키 상자 옆면에 있는 영양성분표에는 열량이 킬로칼로리(kcal) 단위로 표시되어 있습니다. 바로 이 칼로리가 식품이 우리 몸에 제공하는 에너지의 양을 나타내는 단위입니다. 쿠키 1개의 열량은 평균적으로 150kcal입니다. 이 에너지를 남김없이 사용한다면, 가정용 10와트 LED 전구를 약 17시간 동안 밝힐 수 있습니다.

우리 몸은 쿠키에서 에너지를 빼내 세포에 공급합니다. 그러면 애초에 쿠키에는 어떻게 에너지가 포함되어 있었던 것일까요? 음, 우리가 쿠키 반죽에 넣은 자당은 사탕수수나 사탕무 같은 식물에서 추출한 것입니다. 그러면 그 식물들은 설탕에 담긴 에너지를 어떻게 얻었을까요? 식물들은 광합성이라는 일련의 화학 반응을 통해 햇빛과 이산화탄소, 물을 결합해 설탕과 산소를 만들어 냅니다.

결국, 우리가 쿠키를 먹어서 얻는 에너지는 태양으로부터 비롯된 셈입니다. 사실 지구상의 거의 모든 에너지가 태양으로부터 온다고 해도 과언이 아닙니다. 기본적으로 우리 지구의 모든 것은 태양을 통해 에너지를 얻고 있습니다. 햇빛은 지구를 움직이는 대부분의 에너지를 제공하지만, 사실 우리는 태양 에너지의 아주 작은 부분만을 받을 뿐입니다. 우리 지구에 도달하는 태양 에너지의 양은 태양이 방출하는 전체 에너지의 10억분의 1에도 미치지 못합니다.

그러면 태양은 어떻게 그토록 엄청난 에너지를 만들어내는 것일까요? 태양은 가장 강력한 힘, 바로 강력을 이용합니다. 강력은 원자핵 안의 양성자와 중성자를 붙들고 있지요. 2개의 원자핵을 아주 가까이 가져가면, 처음에는 서로 밀어내려고 합니다. 핵은 양전하를 띠고 있어서 아주 가까이 붙이면 두 양전하가 서로 반발하기 때문이지요. 마치 두 자석의 N극을 붙이려고 할 때 느껴지는 힘과 같아요. 자석과 핵이 서로 밀어내는 것은 모두 전자기력 때문이에요.

하지만 원자핵을 충분히 밀어붙이면, 강력 덕분에 핵들이 서로 결합하려고 합니다. 핵 안에서 양성자와 중성자를 붙들고 있는 강력은 전자기력보다 더 세지만, 아주 짧은 거리에서만 작용합니다. 그래서 핵이 서로 매우 가까워지기 전까지는 핵들을 끌어당기는 힘을 발휘할 수 없습니다. 전자기력을 이겨내고 핵들을 충분히 가깝게 밀어붙여 강력이 작용하게 하려면 많은 에너지를 공급해야 해요. 그렇게 해서 일단 강력이 작용하면 핵들은 엄청난 양의 에너지를 방출하는데, 이것을 바로 ‘핵융합’이라고 합니다. 그리고 이렇게 방출되는 에너지는 핵들을 가깝게 밀어붙이는 데 필요한 에너지보다도 훨씬 크지요. 많은 에너지를 투입하더라도, 더 많은 에너지를 얻을 수 있는 거예요.

핵융합이 일어날 때 에너지를 방출하는 쪽은 가벼운 핵들이에요. 수소 핵(양성자 1개), 중수소 핵(양성자 1개와 중성자 1개), 삼중수소핵(양성자 1개와 중성자 2개)이 가장 많은 에너지를 방출하는 핵들 중 하나입니다. 철이나 그보다 무거운 원자의 경우에는, 더 이상 융합으로 에너지를 얻지 못해요.

아주 무거운 원자로 가면, 오히려 핵을 결합하는 대신 쪼개면서 에너지를 얻지요. 이것은 ‘핵분열’이라고 합니다. 원자가 무거울수록 더 많은 에너지가 핵분열을 통해 만들어집니다. 우라늄과 플루토늄이 가장 무거운 원자이지요. 핵분열 에너지 역시 강력에서 비롯되는데, 바로 이 강력이 원자로와 핵무기에 반응을 일으키는 힘입니다.

우리의 태양은 다른 모든 별과 마찬가지로 대체로 가벼운 핵들로 이루어져 있어서, 핵융합에 필요한 연료가 매우 풍부합니다. 그런데 태양은 어떻게 이 전자기력 에너지 장벽을 극복하고 핵들을 충분히 가깝게 밀어붙여 핵융합을 일으키는 것일까요? 그것은 바로 중력입니다! 태양의 질량은 지구의 질량보다 33만 배 더 큽니다. 중력이 이 모든 것을 끌어당겨서 태양의 중심부를 압축하면, 온도 또한 증가합니다. 이렇게 높은 온도와 압력 덕분에, 에너지가 높은 핵들이 전자기 반발력을 극복할 수 있을 정도로 빠르게 충돌하면서 핵융합 반응이 일어나 에너지를 방출할 수 있게 되는 것이지요.

핵융합은 엄청난 에너지를 만들어냅니다. 그런데 다른 에너지원, 예를 들어 쿠키 속 설탕과 비교하면 얼마나 될까요? 일반적으로 우리가 흔히 먹는 초콜릿 칩 쿠키의 열량은 약 150kcal입니다. 사실 쿠키 속의 원자들은 핵융합에 그다지 적합하지는 않지만, 수소나 중수소와 같이 핵융합에 적당한 입자로만 쿠키를 만들었다고 가정해 봅시다. 만일 그 쿠키 속의 모든 물질을 이용해 핵융합을 일으킨다면, 약 82억kcal를 만들어 낼 수 있을 거예요. 쿠키가 핵융합으로 이런 에너지를 만들어 낸다면, 전력이 부족한 나라라면 정말 좋은 방법이 아닐까요?

사실 우리는 이미 지구에서 핵융합 반응을 만들어냈답니다. 바로 수소 폭탄입니다. 핵융합 반응으로 작동하는 것들 중 하나이지요. 하지만 수소 폭탄을 작동시키려면, 우라늄이나 플루토늄 같은 무거운 원자의 핵으로 핵분열 폭발을 일으켜야 하고, 그 폭발을 이용해 안의 중수소와 삼중수소 중심부를 압축해야만 핵융합이 시작되지요. 핵융합을 위해 원자 폭탄을 안쪽으로 폭발시켜야 한다는 것만 보더라도, 핵융합을 일으키는 데 얼마나 어마어마한 온도와 압력이 필요한지 짐작할 수 있습니다.