40. 다시 우주물리학 앞에 선다

40. 다시 우주물리학 앞에 선다.

우리는 우주여행을 거쳐 인체와 생명의 신비, 그리고 진화론의 문제, 나아가 에너지와 원자력까지 살펴보았다. (대장쟁이의 과거이력과 넋두리까지......)

특히 생명과 생명체가 결코 우연히 생겨날 수 있는 것이 아니라는 것을 살펴보았다.
생명이 어떻게 생겨날 수 있으며 어디에서 비롯된 것인지는 결코 과학으로 밝혀낼 수 없다.
생명의 근원은 하나님이시고 생명체는 하나님에 의하여 창조된 것임이 틀림없다.

그러나 이것만으로 창조주의 창조주이심이 입증되는 것은 아니다.
모든 생명체를 지으신 생명의 근원이라는 것으로도 창조주의 지위는 보장되지 않는다.
왜냐하면 생명체는 이미 존재하는 재료들, 곧 물질을 바탕으로 출발하기 때문이다.  

창조는 궁극적으로 모든 물질과 모든 존재의 기원의 문제다.
우주의 모든 물질, 모든 에너지, 모든 현상의 근원의 문제다.
우주의 모든 존재, 모든 에너지, 모든 현상은 시간과 공간 속에 존재한다.
따라서 창조주의 창조는 시간과 공간의 창조에서부터 출발하여 시간과 공간의 문제로 회귀할 수밖에 없다.

왜 시간과 공간인가?
만일 시간과 공간이 원래부터 존재한 것이라면 창조주도 어쩔 수 없는 시간과 공간 속에 속하여 시간과 공간의 피조물(우연히 생겨났든 스스로 존재하든)이 될 수밖에 없을 것이다.
그렇게 되면 시간과 공간이야말로 "스스로 존재하는 (I am who I am) 존재"가 될 것이다.

그러므로 참신, 곧 창조주의 창조는 시간과 공간의 창조에서부터 시작될 수밖에 없다.
모든 존재를 있게 하는 시간과 공간이 창조의 시작이 될 수밖에 없기 때문이다.
그렇다면 과연 창조주는 시간과 공간을 지으셨는가?
과연 창조주는 시간과 공간을 초월하며 시간과 공간이 창조주의 손 안에 있는 것인가?

그래서 창조주의 창조에 관한 과학자적인 궁구(窮究)는 결국 우주물리학 앞에 다시 설 수밖에 없다고 본다.
그래서 우리는 다시 아득한 우주물리학 앞에 선다.
인간의 이 조그만 머리와 인식의 한계로는 결코 헤아려볼 수 없다 할지라도......



고전물리학은 아이작 뉴턴으로부터 시작된다.
영국의 아이작 뉴턴은 1705년 앤 여왕으로부터 고학자로서는 처음으로 기사 작위를 수여받았고 85세로 생을 마칠 때까지 국가와 대중으로부터 극진한 대우를 받았다.
그는 사과가 떨어지는 것을 보고 만유인력을 발견하였으며, F=ma 로 알려진 뉴턴의 운동법칙으로 자연현상에 나타나는 모든 현상을 설명, 해석하는 고전물리학의 장을 열었다.

뉴턴의 운동 제2법칙으로 불리는 F=ma 공식은 관성의 법칙으로도 설명된다.
어떤 물체의 상태, 곧 속도는 외부에서 가해지는 힘이 없으면 그대로 지속된다. 외부에서 가해지는 힘이 없으면 물체는 정지상태를 지속하거나 직선운동을 그대로 지속한다.
또한 작용과 반작용의 법칙에 따라 에너지는 불변으로 존재한다.
오랫동안 이러한 뉴턴의 물리학법칙은 자연계의 모든 물리적 현상을 정확하게 해석하고 풀어내는 궁극적인 진리로 믿어졌다.
그러나 X선과 방사선이 발견되고 원자의 구조가 밝혀지고 난 뒤부터 전자기와 원자에 나타나는 현상들을 고전물리학으로는 설명할 수 없게 되면서 현대물리학의 시대가 서서히 열리기 시작하였다.

현대물리학은 아인슈타인이 제안한 시간과 공간에 대한 이론인 상대론과 미시세계의 자연법칙인 양자론을 모두 포함하는 이름이다. 상대론은 아인슈타인이 수립하였지만 양자론은 보어, 하이젠베르그, 플랑크, 슈레딩거, 디락 등 수많은 과학자들의 공동노력과 발견으로 이루어졌다.
또한 역학과 전자기학은 쿨롱, 가우스, 옴, 암페어, 비올사발, 키르히호프, 패러데이, 맥스웰 등을 거치면서 수많은 법칙들과 이론들이 정립되었다.

그리고 빛이 무엇이냐 하는 문제, 이미 앞서 이야기 나눈 바와 같이 입자와 파동의 성질을 함께 가지는 빛의 신비를 파헤쳐가던 과학자들은 광속이 일정하다는 사실을 발견하게 되었고 이것이 아인슈타인으로 하여금 시간과 공간의 문제와 빛의 관계, 즉 빛의 속도로 날아가면 세상이 어떻게 보일까 하는 문제를 생각하게 만들었다.
즉 아인슈타인의 상대성이론은 빛과 시간과 공간의 관계에 관한 이론이라고 할 수 있다.

상대성이론이란 세상의 모든 것이 항구불변한 절대적인 것이 아니라 각 사람의 움직임의 상태에 따라서 달라지는 상대적이라는 것이다.
그리고 빛과 운동속도에 따라 시간과 길이가 달라지는 것을 나타내고 운동량과 에너지의 관계에서 질량과 에너지는 결국 같다는 유명한 공식  E = mc²를 증명해낸다.

1. 속도에 따라 시간차가 난다. (동시(同時)의 상대성)

이것을 설명하는 데는 버스와 전등이 사용된다.
버스의 한 가운데 천정에 달린 전등이 ‘반짝’ 했다고 치자. 버스가 정지되어 있는 상태라면 그 빛이 버스 앞쪽이나 뒤쪽에 도착하는 시간은 버스 안에 있는 사람에게나 버스 밖에 있는 사람에게나 똑같이 관측될 것이다.
그러나 버스가 달리고 있다면 달라진다.
만일 그 버스 안에 있는 사람이라면 그 ‘반짝’ 하는 빛도 버스와 함께 달리므로 앞에나 뒤에나 동시에 도착한 것으로 관측하게 될 것이다.
그러나 버스 밖에 있는 사람이 관측한다면 빛이 버스의 뒤에는 빨리 도착하고 버스의 앞에는 늦게 도착하게 될 것이다.

그런데 여기에서 우리는 빛의 속도가 일정하다는 의미를 다시 생각해야 한다.
이 말은 바꾸어서 말한다면 빛이 일정한 거리를 달리면 그만큼의 시간이 흘렀다는 것을 의미한다.
즉, ‘시간=빛이 달린 거리’인 것이다.
다시 말하자면 1초는 빛이 30만 킬로미터를 진행한 시간이다.
그런데 달리는 버스 안에서는 빛이 더 먼 거리를 달렸기 때문에 더 많은 시간이 흐른 것이다.

만일 버스가 매우 빨라서 거의 빛의 속도에 가깝다고 치자.
그러면 천정에서 ‘반짝’ 한 그 빛이 버스의 앞에 도착하려면 버스의 속도를 따라잡으면서 한참을 달려야 할 것이다.
버스 안에 있는 사람은 그것을 모른다. 그러나 버스 밖에서 관측하는 사람이 볼 때는 빛이 한참을 따라가서야 버스의 앞면에 도착한 것으로 보일 것이다.
즉 버스 안에서 느끼는 시간은 짧지만 버스 밖에서 관측한 시간은 길어지는 것이고 그것은 버스의 속도가 빠를수록 그 시간은 더 길어질 것이다.
만일 버스가 빛의 속도로 달린다면 빛이 버스를 따라잡지 못 하고 같이 달리게 되고 이것은 시간이 정지되는 것을 의미하게 된다.

다른 설명으로, KTX 열차 안이라고 생각해보자.
대장쟁이가 농구공을 열차바닥에 튕겼다고 치자.
열차가 정지상태라면 농구공이 움직인 거리는 아래위로 튕긴 거리다.
1초 사이에 농구공은 튀었다 떨어지는 약 2미터의 거리를 움직였다.
그러나 열차가 고속으로 주행중이라면 열차 밖에서 보는 사람이 볼 때 농구공은 엄청난 거리를 날아간 것으로 관측될 것이다.
여기에서 농구공이 빛이라고 치고 그 빛이 달린 거리가 시간이라고 쳐보자.
달리는 열차 안에 있는 사람이 느끼기에는 똑같이 농구공이 한 번 튀었다가 떨어졌을 뿐인데 농구공은 엄청난 거리를 달린 것이다.
즉 엄청난 시간이 흘러간 것이다.

이 관계를 간단한 삼각형 그림으로 그려서 피타고라스 정리에 의한 삼각함수로 풀어내면 결국 속도가 빨라질수록 시간은 느려지고 삼각형의 밑변이 무한히 길어지면, 즉 속도가 빛의 속도에 이르면 시간이 흐르지 않는다는 계산이 된다.
그리고 이 계산공식에서 (수학을 좀 아는 사람이라면 제곱근공식이 그리 어려운 것은 아니지만 약간 복잡하므로 생략한다. )  E = mc² 라는 결과가 도출된다.

2. 질량의 에너지변환

자, 앞에서 말한 대로 아인슈타인의 상대성이론에서 도출된  E = mc² 공식이 과연 실제로 증명되는가?
빛의 속도와 시간의 관계를 가지고 도출한 이 공식이 실제 물리적으로 적용될 수 있는가 하는 문제가 대두된다.
좀 엉뚱한 것 같아 보이기도 하고 전혀 관계가 없어 보이기도 하지 않은가?
만일 이 공식이 들어맞는다면 모든 물질은 에너지로 변환되고, 만일 물질이 에너지로 변환된다면 그것은 물질의 질량에다 광속의 제곱을 곱하는 에너지가 나온다는 계산이 되는 것이다.

무슨 뜻인가 하면.......
예를 들어 1 그램의 물질이 사라지면 그 물질을 광속 곱하기 광속의 거리로 옮기는 일만큼의 엄청난 에너지가 발생한다는 것이다.
1그램의 질량이 소멸되면 그 1그램을 30만 곱하기 30만 킬로미터, 즉 900억 킬로미터, 곧 지구에서 명왕성까지의 거리의 15배의 거리에까지 옮겨놓을 만큼의 에너지가 나온다는 것이다.

핵폭탄(원자력발전도 마찬가지이지만)은 우라늄이나 풀로토늄 같은 물질이 핵분열을 일으켜 다른 물질로 바뀌면서 질량이 바뀔 때, 그 질량이 에너지로 바뀌는 것을 이용한 것이다.  

제2차 세계대전 때 맨해튼 프로젝트로 알려진 원자폭탄 개발에 참여한 과학자들조차 과연 물질이 소멸될 때 E = mc² 만큼의 에너지가 나올 것인지에 대하여는 현실감을 느끼지 못 하였고 실제로 뉴멕시코 사막에서 이루어진 핵폭탄 실험을 보고서야 그 엄청난 결과에 놀랐다고 한다.

이러한 위대한 발견이 히로시마, 나가사키의 참혹한 파괴가 아닌 원자력의 평화적 이용에 먼저 쓰여 졌더라면 얼마나 좋았을까?

(계속)