미주중앙일보 - 미주 최대 한인 뉴스 미디어

[박종진의 과학 이야기] 자기 홀극

일상에서는 한 번도 들은 적이 없는 생소한 용어다. 하지만 일단 그 속뜻을 알고 나면 아주 쉽게 이해가 간다. 자석은 한쪽이 N극이면 다른 쪽은 항상 S극이다. 길이가 한 뼘쯤 되는 막대자석을 반으로 자르면 짧은 자석 두 개가 된다. 그 두 자석 모두 한쪽은 N극이고 반대쪽은 S극이다. 계속해서 반으로 나눠도 항상 한쪽은 N극이고 다른 쪽은 S극이 된다. 심지어는 N극 끝에서 조금 떼어내도 그 조각의 반대쪽 끝은 여전히 S극이다. 하지만 전기는 그렇지 않다. 양성자는 +전하만을 띄고 전자는 -전하만을 갖는다. 전기는 +와 -가 각각 독립해서 존재할 수 있다는 말이다. 마치 전기의 예처럼 자기 홀극이란 N극이든 S극이든 한쪽 극만 갖는 상상 속의 자석을 말한다. 1980년경 미국 MIT 공대 대학원생이던 앨런 구스는 왜 자석은 전기처럼 독립된 N극과 S극이 존재하지 않는지 궁금했다. 빅뱅 직후 존재했던 자기 홀극이 왜 지금은 발견되지 않는지 알고 싶었다. 오랜 기간 연구를 거듭했지만, 그는 결국 자기 홀극을 발견하는 데 실패했다. 그리고 좀 뚱딴지 같은 결론을 내렸다. 빅뱅 후 우주가 급팽창하게 되어 공간이 엄청나게 커지자 자기 홀극 입자가 희석되어서 눈에 띄기 힘들다는 이론이다. 쉬운 예를 들어 어느 작은 연못에 물고기가 많아서 물 반, 물고기 반이란 말을 할 정도였다. 그런데 무슨 이유에서 그 연못이 태평양만큼 커지자 그 많던 물고기가 다 어디로 갔는지 쉽게 보이지 않는다는 말이다. 앨런 구스가 우주 급팽창 이론을 처음으로 발표했을 때 많은 사람이 그의 이론에 동의하지 않았다. 우주가 급팽창하는 바람에 자기 홀극이 희석되어 찾기 불가능하다니 정신 나간 사람 취급을 받았다. 그런데 빅뱅 후 우주 온도가 내려가면서 상전이 현상이 생기고 거기에서 발생한 엄청난 에너지가 우주를 급팽창시켰다는 이론이 탄력을 받자 그동안 빅뱅 이론의 문제점이던 우주 지평선 문제, 우주 편평도 문제, 그리고 자기 홀극 문제까지 한꺼번에 해결되어 버렸다. 정신 나간 대학원생의 얼토당토 않은 이론인 줄 알았는데 앨런 구스의 우주 급팽창 이론은 우주의 진화 과정을 아주 잘 설명해 주었다. 지금은 빅뱅 이론과 함께 우주 급팽창 이론이 정설로 굳어지고 있다. 최근에 일단의 한국 과학자들이 초전도체를 발견했다고 해서 난리가 났다. 지금은 세계 여러 연구소에서 검증하고 있다. 초전도체의 성격상 회의적인 시선이 많은 것도 사실이지만 혹시 앨런 구스가 찾던 자기 홀극을 발견한 것이 아닌가 의심을 하는 사람도 있다고 한다. 지금까지는 우주에 존재하는 힘이 4가지라고 알고 있지만, 어떤 학자들은 다섯 번째 힘도 있을 것이라고 한다. 관측되지 않아서 잘 모르기는 하지만 우주 대부분을 차지하는 암흑물질과 암흑에너지의 정체도 언젠가는 밝혀질 것이고, 블랙홀을 명쾌하게 설명할 수 있는 새로운 물리학도 나올 것이다. 무엇보다도 상온 상압에서 작동하는 초전도체는 수소 핵융합 발전과 함께 우리 인류의 생존과 직결된다. 백여 년 전에 아인슈타인은 시간과 공간은 절대적이 아니라 상대적이라고 했다. 21세기를 사는 우리도 피부로 느낄 수 없는 얘기지만, 사실이다. 어쩌면 우리는 아주 새로운 미래에의 전야에 와 있는지도 모른다. (작가) 박종진박종진의 과학 이야기 우주 급팽창 우주 지평선 우주 온도

[박종진의 과학이야기] 우주 급팽창 이론

137억 년 전에 빅뱅이 있었다는 사실은 이제 거의 정설로 받아들여지고 있다. 그런데 빅뱅 이론에는 다음과 같은 세 가지 걸림돌이 있었다. 전문적인 용어여서 우리 일반인이 쉽게 이해하기는 어렵지만 어쨌든 우주 지평선 문제, 우주 평탄성 문제, 그리고 자기 홀극 문제가 그것이다. 모든 것이 상대적인 우리 우주에 절대적인 것이 단 하나 있다면 바로 빛의 속도다. 이 세상에 어느 것도 빛보다 빠를 수 없다. 빅뱅으로 생긴 그 어떤 것이라도 아무리 빨라야 결국 빛의 속도로 우주 공간으로 퍼져나간다. 그런데 빅뱅의 결정적인 증거인 우주배경복사를 관찰하면 전 우주는 거의 같은 온도 분포를 보인다. 우주 전체가 지금처럼 열적평형 상태가 되려면 빛보다 빠른 속도의 온도 이동이 있어야 한다는 모순이 생겼다. 이것이 우주 지평선 문제다. 우주의 미래는 현재 우주를 이루고 있는 물질의 밀도와 맞물려 있다. 밀도가 임계치보다 낮으면 우주는 수축하여 깨져버릴 것이고, 높으면 찢겨서 끝날 텐데 지금 우리 우주는 일부러 미세 조정된 것처럼 정확히 임계치를 유지하며 팽창하고 있다. 이것을 우주 평탄성 문제라고 한다. 아주 전문적인 내용이므로 일반인들에게는 오히려 이해가 안 가는 것이 맞다. 전기에는 음극과 양극이 존재하며, 음의 전하를 띤 전기 입자를 전자라고 한다. 그런데 자기는 아무리 작게 잘라내도 한쪽은 N극, 반대쪽은 S극이 된다. 1980년 엘런 구스는 자기도 전기처럼 한쪽 극만 갖는 입자가 있을 것으로 생각하여 이론상이긴 하지만 빅뱅 때 흔했던 자기 홀극, 다시 말해서 N극이나 S극 하나만 가진 입자를 찾으려고 노력했으나 성과가 없었다. 실망한 그는 엉뚱한 상상을 했다. 예를 들어 물고기 반, 물 반이던 어떤 작은 호수가 있다고 하자. 어느 날 무슨 이유에서인지 그 호수가 바다처럼 커지자 그 많던 물고기 보기가 힘들어졌다. 물고기의 총수는 그대로인 데 반해 호수가 엄청나게 커지니까 물고기가 보이지 않았다는 소리다. 다시 말해서, 우주 전체에 존재하는 자기 홀극 입자는 한정되어 있는데 우주 전체가 엄청나게 커져서 희석되었다는 것이다. 아무리 연구 성과를 내야 한다고 해도 과학자로서 할 수 있는 말은 아닌 것 같다. 그런데 말입니다, 빅뱅 후 우주가 갑자기 엄청나게 팽창해버렸다고 가정하자 자기 홀극 문제뿐만 아니라 지평선 문제, 편평도 문제까지 한꺼번에 해결되었다. 무엇이 실제로 움직인 것이 아니라 공간 자체가 커져 버렸다는 엘런 구스의 뚱딴지 같은 인플레이션 이론으로 궁지에 몰린 빅뱅 이론은 다시 우뚝 제 자리를 잡을 수 있게 되었다. 지금 엘런 구스의 우주 급팽창 이론은 빅뱅 이론과 함께 정설로 굳어지고 있다. 137억 년 전에 빅뱅이 있었다. 그 직후 우주는 짧은 시간에 엄청난 팽창을 했다. 그렇게 부푼 우주는 다행히 우리 우주의 물질 밀도가 딱 임계치여서 우주는 별 탈 없이 운행되고 있다. 우주 시간으로 찰나를 사는 인간은 우주의 미래를 걱정할 필요는 없다. 그것은 숙주를 떠나서 고작 몇 시간 사는 바이러스가 인류의 미래를 염려하는 것과 똑같기 때문이다. (작가) 박종진박종진의 과학이야기 급팽창 우주 우주 급팽창 우주 지평선 우주 시간

[박종진의 과학 이야기] 우주

1969년 인류는 드디어 달에 그 첫발을 디뎠다. 60억이나 되는 지구인들이 TV를 시청하며 환호했다. 우리는 곧 달나라 여행을 갈 것으로 생각했고, 조만간 유인 화성 탐사와 태양계 밖 성간 여행을 할 줄 알았다. 그리고 반세기가 지났지만 그런 일은 없었다. 왜 그럴까? 하룻강아지 범 무서운 줄 모른다는 말처럼 우리는 우주를 너무 과소평가했다. 지구 밖 천체에 발자국을 남기자 그저 손만 뻗으면 어디든 닿을 것처럼 우주를 대했다. 그러나 우주는 생각처럼 그렇게 만만한 상대가 아니라는 사실을 깨닫게 되었다. 우선 천문학적인 거리에 있는 천문학적 숫자의 별을 상대하려면 천문학적 재원이 필요했다. 농작물 재배는 힘들게 일 년만 투자하면 소득을 얻을 수 있다. 대학은 4년 다니면 졸업하고 취직할 수 있다. 그런데 우주 탐험은 투자의 결과가 언제 어떻게 돌아올지 몰라서 아주 부자 나라 빼놓고는 선뜻 덤벼들지 못했다. 이렇게 돈이 많이 들어가고, 첨단 과학기술이 필요하고, 투자비 회수가 오래 걸리고, 위험한 사업인 우주 탐사가 지연됐던 것은 당연한 일이었다. 오늘날 우리는 우주에 대해 참 많이 알게 되었다. 우주의 시작이 빅뱅이라는 것, 빅뱅 후 우주 급팽창이 있었다는 것, 우주는 계속 팽창하고 있다는 것, 우주에 산재한 은하 중 우리가 속한 은하수 은하와 이웃 안드로메다은하, 태양계의 구석구석, 암흑물질, 암흑에너지와 우리 우주의 미래까지 알고 있다. 그런데 문제는 우주의 규모다. 우리 생각에는 아폴로 우주선이 달에 가는 것처럼 언젠가는 화성에도 가고 북극성에도 갈 수 있을 것이라는 순진한 상상을 했던 것 같다. 참고로 지금 첨단 우주선을 타고 달까지는 3일이면 갈 수 있다. 그런데 지구에서 가장 가까운 행성인 화성까지는 편도당 7달 걸린다. 게다가 현재 태양계를 막 빠져나갔다는 보이저호는 지구를 떠난 지 벌써 45년이나 지났다. 우리 태양계를 벗어나는데 반백 년이 걸린다. 그리고 우리가 속한 별인 태양에서 가장 가까운 별까지 앞으로 약 2만 년 더 날아야 도착한다고 한다. 그런 별들이 우리 은하에 무려 4천억 개 정도가 있고, 이웃 안드로메다은하에는 약 1조 개나 되는 별이 있다. 그런 은하가 수천억 개가 모여서 비로소 우주를 이룬다고 한다. 관측할 수 있는 우주는 지름이 약 930억 광년이라고 하지만, 기껏 백 년 사는 우리에게는 무한한 거리이고 무한한 세월이다. 그런 우주는 로마자(영어) 표기로 다음과 같이 세 가지로 구분한다. 첫째, Space는 공간이란 의미도 있지만 좁은 의미의 우주를 뜻하며 일반적으로 지구 대기권 밖을 지칭하는데 쉽게 말해서 우주 비행사가 활동하는 범위, 즉 태양계 내의 공간을 말한다. 둘째, Universe는 일반적으로 물리학에서 일컫는 우주를 말하는데 우리가 보통 말하는 우주는 이 Universe다. 그러니 우주를 영어로 번역할 때 Universe라고 쓰면 된다. 셋째, Cosmos라는 단어도 있다. 철학적인 의미의 우주를 이야기할 때 사용하는 말인데 과학책에 나오는 우주가 Universe라면 철학책에 등장하는 우주는 Cosmos가 된다고 생각하면 쉽다. (작가) 박종진박종진의 과학 이야기 우주 첨단 우주선 아폴로 우주선 우주 급팽창