보이드

우주의 텅 빈 공간, 거기 무엇이 있었는가 진공의 역사로 알아본 우주 탄생의 비밀 지구 궤도에 떠 있던 우주정거장에 위성 파편이 부딪치자, 밖에서 우주유영을 하던 우주인은 우주정거장에 매여 있던 가느다란 줄이 끊어지며 우주공간으로 내동댕이쳐진다. 우주인은 멀어져가는 검은 우주공간에 흰 점처럼 보인다. 영화 <그래비티>의 한 장면이다. 이 영화를 관람하면서 지구 중력에 감사하는 마음이 드는 한편, 텅 빈 우주공간에 대한 공포심도 생긴다. 영화 속 우주공간은 어떤 소리도, 빛도 없는 ‘진공’처럼 느껴졌다. 그 공간은 정말 아무것도 없는 텅 빈 공간인가. 우주 만물이 탄생하기 전 공간도 과연 저러했을까? 아인슈타인이 틀렸다? 아인슈타인에게도 어려웠던 진공의 비밀 아인슈타인이 일반상대성이론을 완성해 우주에 적용했을 때, 물질 간의 중력 때문에 우주가 불안정해 우주는 결국 붕괴될 것이라는 결론에 이르렀다. 당시의 우주는 정적이며 변하지 않는다는 생각이 지배적이었다. 그래서 아인슈타인은 반중력 역할을 하는 ‘우주상수’라는 개념을 도입해 우주의 붕괴를 이론적으로 막았는데 몇 해 뒤, 우주는 지속적으로 팽창한다는 사실이 발견되었다. 더 이상 ‘우주상수’가 필요 없게 된 것이다. 하여 아인슈타인은 이 ‘우주상수’ 도입이 자기 일생일대의 최대 실수라고 고백했다. 그런데 근래에 이르러 우주는 그저 팽창하기만 하는 게 아니라 ‘가속’ 팽창한다는 사실이 밝혀졌다. 중력을 능가하는 밀어내는 척력이 필요해지게 된 것이다. 정체를 알 수 없는 이 힘을 ‘암흑에너지’라 부르는데, 역설적이게도 현재 암흑에너지의 가장 유력한 후보는 아인슈타인이 도입했다 버렸던 우주상수, 다름 아닌 진공이다. 이 책은 이러한 진공에 관한 오딧세이다. 고대 자연철학자들의 무에 대한 사유에서부터 시작해 양자역학을 포함한 현대 물리학의 최신 성과를 아우르며 텅 빈 것처럼 보이는 진공의 역사를 통해 우주 탄생의 비밀을 풀어본다. 두려움의 대부분은 무지에서 비롯된다. 이 책을 읽고 우주 탄생의 비밀을 엿보게 되면, 한동안 밤하늘을 바라보는 일이 즐거워질 것이다. [출판사 서평] 진공에 대한 소고(小考) 지구 궤도에 떠 있던 우주정거장에 위성 파편이 부딪치자, 밖에서 우주유영을 하던 우주인은 우주정거장에 매여 있던 가느다란 줄이 끊어지며 우주공간으로 내동댕이쳐진다. 우주인은 멀어져가는 검은 우주공간에 흰 점처럼 보인다. 영화 <그래비티>의 한 장면이다. 이 영화를 관람하면서 지구 중력에 감사하는 마음이 드는 한편, 텅 빈 우주공간에 대한 공포심도 일었다. 영화 속 우주공간은 어떤 소리도, 빛도 없는 ‘진공’처럼 느껴졌다. 하지만 실제 우주정거장이 떠 있는 지구 근처의 우주공간은 수소, 헬륨 등으로 붐빈다. 태양계에서 지구 근처보다 행성들 사이의 우주공간이 더 희박하다. 평균 1cm3 공간에 10여 개의 분자만 발견되기 때문이다. 태양계를 벗어나면 어떨까. 별과 별 사이의 공간은 더 희박하지만, 그래도 평균 1cm3 공간에 1개 정도의 분자가 발견된다. 그렇다면 이 1개의 분자마저 없애 버린다면 무엇이 남을까. 아무것도 없는 텅 빈 공간이 남을 것인가. 이 질문은 영국의 입자물리학자이자 과학저술가인 프랭크 클로우스가 쓴 이 책에서 제기하고 있는 질문이다. ‘자연은 진공을 혐오한다’ 이 책의 원제는 『The Void』이다. 영단어 ‘void’의 사전적 의미는 ‘(커다란) 빈 공간, 공동(空洞)’이다. 이 책은 제목이 암시하듯 텅 비어 있는 것 같은 (우주)공간에 대한 이야기다. 책의 본문에서 void란 단어는 때로 무(nothing), 때로 진공(vacuum)의 의미로 쓰이고 있다. 이 책은 빈 (우주)공간, 무(無), 진공의 정체를 알아내려고 노력해 온 인류의 역사를 담고 있다. 고대 철학자들이 무(無)와 진공에 대해 어떻게 생각했는지부터 양자역학을 포함한 현대 물리학에서는 진공의 정체가 무엇이라고 밝혀냈는지까지 흥미롭게 풀어내고 있다. 토리첼리 같은 과학자들이 공기를 뽑아내며 진공을 만들려고 노력했지만, 현대 과학, 특히 양자역학은 공기를 모두 제거하더라도 완벽한 진공을 만드는 것이 이론상 불가능하다는 사실을 보여준다. 이는 어떻게 본다면 ‘자연은 진공을 혐오한다’는 아리스토텔레스의 원리가 틀리지 않았다는 뜻이다. 양자역학의 불확정성 원리에 따르면, 진공은 텅 비어 있지 않고, 에너지, 입자, 장場 등으로 들끓고 있다. 즉 진공에서 전자와 양전자(반전자)와 같은 가상 입자들이 나타났다가 사라지기를 반복하고 있는데, 이를 ‘양자 요동’이라고 한다. 우주의 표준 모형에 따르면, 우주 속의 은하, 별, 행성, 그리고 인간은 태초에 있었던 이런 양자 요동에서 탄생했다. 아인슈타인의 최대 실수가 정답? 원자 규모의 미시 세계는 양자역학이 지배하지만, 우주 같은 거시 세계는 상대성이론이 지배한다. 1916년 아인슈타인이 일반상대성이론을 완성한 뒤 우주에 적용했을 때, 물질 간에 서로 잡아당기는 중력 때문에 우주가 불안정해 결국 붕괴될 것이라는 결론에 이르렀다. 당시에는 우주가 정적이고 변하지 않는다는 생각이 일반적으로 받아들여지고 있었다. 그래서 아인슈타인은 밀어내는 반(反)중력 역할을 하는 ‘우주상수’를 도입해 우주의 붕괴를 막았다. 하지만 몇 년 뒤인 1929년 에드윈 허블이 멀리 있는 은하들일수록 더 빨리 멀어진다는 사실, 즉 우주가 팽창한다는 사실을 발견하자 상황이 바뀌었다. 우주가 팽창하므로 붕괴될 염려가 없기 때문에 우주상수가 더 이상 필요 없게 된 것이다. 아인슈타인 자신도 우주상수 도입이 자기 일생의 최대 실수라고 고백했다. 그런데 1990년대 후반 또 한 번의 반전이 일어났다. 두 팀의 천문학자들이 각각 우주가 가속 팽창한다는 사실을 발견했던 것이다. 대부분의 과학자들은 우주가 팽창하더라도 끌어당기는 힘인 중력 때문에 결국 팽창이 느려질 것이라 생각했지만, 예상과 달리 우주가 가속 팽창한다는 사실이 밝혀지면서 문제가 발생했다. 우주 차원에서 서로 밀어내는 작용을 하는 존재가 필요해진 것이다. 정체를 잘 모르지만 척력을 가하는 이것은 ‘암흑에너지’라고 불린다. 역설적이게도 현재 암흑에너지의 유력한 후보는 아인슈타인이 도입했다가 버렸던 우주상수이다. 우주상수는 다름 아닌 진공 에너지이다. 진공 에너지는 텅 빈 것처럼 보이는 우주공간 곳곳에 균일하게 퍼져 있다고 예상된다. 인플레이션에서 힉스 입자까지 밝혀지다 현재 우주를 설명하는 표준 모형에 따르면, 우주는 약 140억 년 전(좀 더 정확히는 약 138억 년 전) 빅뱅이라는 대폭발에서 생겼다. 빅뱅이 일어난 지 10-36초 뒤에 인플레이션(급팽창) 시기를 거쳐 우주의 크기는 1050배 이상 커졌다. 앨런 구스와 폴 슈타인하르트에 따르면 우리 우주가 가짜 진공에서 진짜 진공으로 옮겨갈 때 인플레이션이 발생한다. 단순한 빅뱅이론에는 문제가 있었다. 우주는 거대 규모에서 물질 분포가 너무나 균일하고, 공간이 너무나 편평하다. 또 우주는 너무 넓어서 모든 영역에서 서로 정보를 교환할 수 없을 것 같다. 하지만 어디를 관측해도 우주배경복사라는 ‘태초의 빛’의 온도가 거의 비슷하게 나타난다. 이런 문제를 한꺼번에 해결하는 것이 바로 인플레이션이다. 우주가 급격하게 팽창함으로써 마치 고무판이 잡아당겨져 펴지듯이 공간이 편평해졌고, 작은 부분이 굉장히 커짐으로써 우리 우주는 어디서나 정보 교환이 가능했으며 온도와 밀도가 균일할 수 있었던 것이다. 그런데 태초에 인플레이션이 진짜 있었을까. 2014년 3월 17일 미국 하버드-스미소니언 천체물리센터 존 코백 박사가 이끄는 국제공동연구팀이 우주배경복사를 관측해 원시 중력파의 흔적을 발견했다고 발표하면서 과학계를