양자터널효과

[강연] 별빛이 우리에게 밝혀준 것들 - 태양과 별 (2) _윤성철 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 2강 | 2강 ②

태양은 매초 엄청난 에너지를 방출하며 빛나고 있지만, 그 에너지의 근원을 밝히는 과정은 결코 쉽지 않았습니다. 초기 과학자들은 중력 수축이나 방사능 붕괴를 에너지의 원인으로 꼽았으나, 이는 지질학적으로 증명된 지구의 나이 수십억 년을 설명하기에는 턱없이 부족했습니다. 계산에 따르면 이러한 방식으로는 태양이 수천 년밖에 버틸 수 없었기 때문입니다. 결국 천문학자와 지질학자들 사이에서 태양계의 나이를 둘러싼 거대한 논쟁이 벌어졌고, 이는 현대 물리학이 해결해야 할 중요한 과제가 되었습니다. 이 논쟁의 실마리는 아인슈타인의 상대성 이론과 에딩턴의 통찰을 통해 풀리기 시작했습니다. 수소 원자 네 개가 결합하여 헬륨 하나를 만들 때 발생하는 미세한 질량 결손이 엄청난 에너지로 전환된다는 수소 핵융합 가설이 등장한 것입니다. 하지만 양성자 사이의 강력한 전기적 척력인 '쿨롱 장벽'을 넘기에는 태양 중심의 온도가 낮다는 한계가 있었습니다. 고전 물리학의 관점에서는 불가능해 보였던 이 현상은 조지 가모프가 발견한 '양자 터널 효과' 덕분에 비로소 과학적 타당성을 얻게 되었습니다. 수소 핵융합은 단순히 에너지를 만드는 과정을 넘어 우주의 연금술과 같은 역할을 합니다. 한스 베테는 양성자-양성자 연쇄 반응(PP 체인)과 탄소-질소-산소 순환(CNO 순환)을 통해 별의 내부에서 새로운 원소들이 탄생하는 과정을 규명했습니다. 별은 수소를 태워 헬륨을 만들고, 더 나아가 탄소, 산소, 그리고 가장 안정적인 원소인 철에 이르기까지 다양한 중원소들을 합성해냅니다. 이러한 핵융합 반응은 별의 질량과 중심 온도에 따라 다르게 나타나며 우주를 구성하는 물질의 다양성을 확보하는 기반이 됩니다. 철보다 무거운 원소들은 별의 평온한 일생이 아닌, 초신성 폭발과 같은 격동의 과정에서 탄생합니다. 폭발 시 쏟아져 나오는 수많은 중성자가 기존 원소에 포획되면서 금이나 우라늄 같은 무거운 물질들이 만들어지는 것입니다. 이렇게 생성된 원소들은 우주 공간으로 흩어져 성간 물질이 되고, 다시 새로운 별과 행성을 만드는 재료가 됩니다. 우리가 일상에서 접하는 질소나 생명의 근원인 DNA의 뼈대를 이루는 인(P) 역시 이러한 별들의 죽음과 탄생이 반복되는 순환 과정을 통해 우리에게 전달되었습니다. 우주의 역사를 관측하면 시간이 흐를수록 중원소의 함량이 높아지는 진화의 흔적을 발견할 수 있습니다. 초기 우주에는 수소와 헬륨뿐이었으나, 수많은 별의 탄생과 죽음을 거치며 현재의 풍요로운 화학적 조성을 갖추게 된 것입니다. 이는 지구와 같은 행성, 그리고 우리 인간이 존재할 수 있는 환경이 우주적 진화의 산물임을 의미합니다. 결국 우리 몸을 구성하는 원소들은 과거 어느 시점에 별의 내부에서 만들어진 것이며, 우리는 138억 년 우주의 역사를 몸소 기억하고 있는 역사적인 존재라고 할 수 있습니다.