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[술술과학] 우주(3): 空하다!

우리가 살고 있는 지구를 4억 분의 1로 축소하는 것부터 시작해 태양계의 광활함을 탐험해 봅니다. 축척을 계속해서 줄여나가면 수성과 금성, 지구를 지나 화성과 목성, 그리고 해왕성까지의 행성들이 차례로 모습을 드러냅니다. 태양계의 진정한 경계라 할 수 있는 오르트 구름에 도달하기 위해서는 무려 4광년에 해당하는 거리를 한 화면에 담아야 할 정도로 축소해야 합니다. 이 거대한 규모 속에서 우리가 아는 행성들은 아주 작은 흔적처럼 보일 뿐이며, 우주는 우리가 상상하는 것보다 훨씬 더 넓은 공간을 품고 있습니다. 태양계를 벗어나 가장 가까운 이웃인 알파 센타우리 계에 도달하면 세 개의 별이 공존하는 삼중성계를 만나게 됩니다. 태양과 질량이 비슷한 알파 센타우리 A와 B, 그리고 가장 가까운 별인 적색왜성 프록시마 센타우리가 그 주인공입니다. 프록시마 센타우리는 태양에서 약 4.24광년 떨어져 있으며, 이는 우주적 거리로는 매우 가깝지만 인간의 척도로는 가늠하기 힘든 먼 거리입니다. 이러한 별들의 배치를 통해 우리는 태양계가 우주라는 거대한 바다 속에서 결코 고립된 존재가 아님을 다시 한번 확인하게 됩니다. 우주의 빈 공간이 얼마나 거대한지 실감하기 위해 서울 광화문과 미국 LA 할리우드 거리에 각각 등을 설치하는 비유를 들어보겠습니다. 두 지점 사이의 수만 킬로미터 구간에는 전구 몇 개를 제외하면 아무것도 존재하지 않는 어둠뿐입니다. 이것이 바로 우리 은하의 평균적인 밀도이며, 별과 별 사이에는 상상을 초월하는 공허함이 자리 잡고 있습니다. 칼 세이건의 말처럼 우주에 우리만 있다면 엄청난 공간의 낭비겠지만, 실제 우주는 이미 물질보다 공간이 압도적으로 많은 상태로 존재하고 있습니다. 이러한 광활한 공간의 법칙은 거시 세계뿐만 아니라 원자와 같은 미시 세계에서도 동일하게 발견됩니다. 수소 원자의 경우, 질량의 대부분을 차지하는 원자핵은 전체 크기의 10만 분의 1에 불과할 정도로 작습니다. 만약 원자핵을 운동장 한가운데 놓인 작은 모래알이라고 한다면, 전자는 그로부터 100m나 떨어진 외곽을 돌고 있는 셈입니다. 우리가 만지는 단단한 물체들도 실제로는 그 내부가 텅 비어 있으며, 우리는 물질의 실체가 아닌 원자들 사이의 복잡한 상호작용을 물질의 감촉으로 느끼며 살아가고 있습니다. 태양계와 수소 원자는 구조적으로도 놀라운 유사성을 보입니다. 태양은 태양계 전체 질량의 대부분을 차지하며 중심을 잡고 있고, 원자핵 역시 원자 질량의 거의 전부를 차지하며 중심에 위치합니다. 우주 전체의 밀도를 보더라도 1세제곱미터당 양성자가 단 몇 개에 불과할 정도로 우주는 텅 비어 있습니다. 결국 거대한 은하계부터 작은 원자 하나에 이르기까지, 우주의 본질은 빽빽한 물질이 아니라 끝을 알 수 없는 광대한 공간 그 자체라는 사실을 우리는 이 비유들을 통해 명확히 이해할 수 있습니다.

카오스재단술술과학

천문학

[석학인터뷰] 최선호_ 좋은 교수라면 벽을 허물어 줘야죠｜2019 서울대 자연과학대 공개강연 '과학자의 꿈과 도전 : 과학 선율'

어린 시절의 호기심은 종종 엉뚱한 행동으로 이어지곤 합니다. 새로 산 라디오의 내부가 궁금해 이를 분해했다가 결국 고장 내 버렸던 일화는 과학자로서의 탐구심이 어디서 시작되었는지를 잘 보여줍니다. 단순히 겉모습에 만족하지 않고 그 속이 어떻게 구성되어 있는지, 어떤 원리로 작동하는지 직접 확인하고 싶어 하는 열망은 물리학이라는 학문의 본질과도 맞닿아 있습니다. 이러한 어린 날의 경험은 세상을 구성하는 가장 작은 단위에 대한 깊은 관심으로 이어졌습니다. 우리가 살아가는 세상은 원자와 분자로 이루어져 있지만, 그 너머에는 더 깊고 신비로운 미시 세계가 존재합니다. 원자핵 속에는 양성자와 중성자가 있고, 그 안에는 다시 쿼크라는 기본 입자들이 자리 잡고 있습니다. 핵입자물리학은 이처럼 작은 입자들이 서로 어떻게 상호작용하며 하나의 사회를 형성하는지 연구하는 학문입니다. 최근에는 국내에서도 연구용 가속기가 건설되면서 이러한 미시적 상호작용을 더욱 정밀하게 이해할 수 있는 토대가 마련되고 있어 학계의 기대가 매우 큽니다. 과학적 지식을 전달하는 과정에서도 소통과 공감은 필수적입니다. 학생들의 눈높이에서 그들이 무엇을 어려워하는지 파악하고, 고등학교 교육과정과의 연결고리를 찾는 노력은 교육의 질을 높이는 핵심입니다. 단순히 이론을 설명하는 데 그치지 않고 몸소 시연하며 지루함을 깨는 방식은 지식이 머릿속에 깊이 각인되도록 돕습니다. 은퇴 후 시골에서 아이들에게 과학을 가르치며 고장 난 물건을 고쳐주는 삶을 꿈꾸는 모습은, 과학이 결국 우리 삶의 현장과 긴밀하게 연결되어 있음을 시사합니다.

최선호

카오스재단석학인터뷰

물리학
천문학
융합

[강연] 물질의 기원 (2) - 빅뱅 핵합성 _ 김희준 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ②

우주의 역사는 약 138억 년에 달하며, 우리가 속한 태양계는 그중 마지막 3분의 1에 해당하는 약 46억 년 전에 형성되었습니다. 시간을 거슬러 올라가면 우주 초기에는 매우 역동적인 변화들이 일어났습니다. 빅뱅 후 약 30만 년이 지났을 때 온도가 낮아지며 전자가 원자핵에 붙어 중성 원자가 처음으로 탄생했고, 더 거슬러 올라가 약 3분 시점에는 수소와 헬륨의 핵합성이 완료되었습니다. 특히 1초 무렵에는 우리 몸을 구성하는 수소의 기원인 양성자가 안정되었으며, 그 이전인 마이크로초 단위의 찰나에는 물질의 가장 기본 단위인 쿼크로부터 양성자와 중성자가 만들어지는 경이로운 과정이 시작되었습니다. 현대 물리학의 표준 모형은 우주를 구성하는 기본 입자들을 설명합니다. 그 중심에는 여섯 종류의 쿼크와 여섯 종류의 경입자인 렙톤이 있습니다. 흥미롭게도 '쿼크'라는 이름은 물리학자 머레이 겔만이 제임스 조이스의 소설에서 영감을 얻어 붙인 문학적인 명칭입니다. 수많은 입자 중 우리 몸과 직접적인 관련이 있는 것은 업쿼크와 다운쿼크, 그리고 전자입니다. 업쿼크 두 개와 다운쿼크 하나가 모이면 양성자가 되고, 반대로 업쿼크 하나와 다운쿼크 두 개가 모이면 중성자가 됩니다. 자연은 이처럼 단순한 기본 입자들을 창의적으로 조합하여 복잡한 물질 세계를 구축하는 기초를 마련했습니다. 양성자의 내부를 들여다보면 놀랍게도 대부분이 텅 빈 공간으로 이루어져 있습니다. 양성자를 구성하는 쿼크는 부피가 없는 점입자로 간주되며, 이들이 일정한 영역을 유지하며 양성자의 형태를 만드는 것은 '강한 핵력' 덕분입니다. 강한 핵력은 전자기력보다 백 배 이상 강력하지만, 매우 짧은 거리에서만 작용하는 독특한 성질을 가집니다. 마치 긴 줄에 묶인 강아지들이 줄 안에서는 자유롭게 뛰어놀다가 줄 끝에 다다르면 강한 힘에 가로막히는 것과 같습니다. 쿼크들은 양성자 내부에서 자유롭게 움직이지만, 결코 그 경계를 벗어날 수 없으며 이러한 구조가 물질의 안정성을 보장합니다. 우주가 수소를 넘어 더 무거운 원소를 만들기 위해서는 중성자의 역할이 필수적이었습니다. 양성자들은 모두 양전하를 띠고 있어 서로 가까워질수록 강력한 전기적 반발력을 일으키지만, 전하가 없는 중성자는 이러한 반발력 없이 양성자와 결합할 수 있습니다. 중성자가 디딤돌 역할을 해주었기에 양성자와 중성자가 결합한 중수소가 만들어졌고, 이를 바탕으로 헬륨과 같은 더 무거운 원자핵이 형성될 수 있었습니다. 만약 쿼크의 전하 조합이 조금이라도 달랐다면 중성자는 존재할 수 없었을 것이며, 오늘날 우리 몸을 이루는 탄소나 산소 같은 복잡한 원소들도 탄생하지 못했을 것입니다. 빅뱅 핵합성은 우주 탄생 후 단 3분이라는 짧은 시간 동안 일어난 기적과 같은 사건입니다. 중성자는 홀로 존재할 때 약 15분의 반감기를 거쳐 붕괴하는데, 우주가 급격히 팽창하며 밀도가 낮아지기 전인 이 짧은 골든타임 안에 모든 핵합성이 이루어져야 했습니다. 다행히 이 과정이 성공적으로 진행되어 우주에는 수소와 헬륨이 약 3대 1의 질량 비율로 자리 잡게 되었습니다. 현재 우주 어디에서나 관찰되는 이 일관된 비율은 빅뱅 이론의 강력한 증거가 됩니다. 결국 우리 몸속에 흐르는 수소 원자 하나하나가 138억 년 전 우주 초기의 뜨거웠던 3분으로부터 전해진 소중한 유산인 셈입니다.

김희준

카오스재단카오스강연

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