세상은 어떻게 시작되었는가

“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.