물질 소멸시키는 ‘쌍둥이 입자’빅뱅 당시 작용 없어 수수께끼절대 영도 가까운 트랩서 실험양전자, 에너지 계단 오르내려자성 측정해 대칭성 정밀 검증“자기모멘트 다를 가능성 존재” 영화로도 만들어진 댄 브라운의 소설 ‘천사와 악마’에서는 비밀 결사 조직 일루미나티가 유럽입자물리연구소(CERN)에서 훔쳐낸 ‘반물질’을 폭탄 삼아 바티칸을 파괴하려 한다는 내용이 나온다. ‘스타트렉’에서는 우주선의 동력으로 반물질을 사용하기도 한다. 이처럼 반(反)물질(antimatter)은 SF의 단골 소재로 등장한다. 반물질은 물질과 질량은 같지만 전하가 반대인 ‘거울 쌍둥이’ 입자로 물질과 만나면 질량에 상응하는 에너지를 내고 사라지는 ‘쌍소멸’이 일어난다. 높은 에너지에서 입자가 생겨날 때 물질과 반물질이 쌍으로 만들어지는 것처럼 빅뱅 때도 둘이 똑같이 만들어졌다면 모두 소멸해 우주에는 아무것도 남지 않아야 한다. 그렇지만 실제 우주는 물질로 가득하다. 이는 현대 물리학 기본 이론인 표준모형이 아직 풀지 못한 대표적인 수수께끼다. 이런 가운데 미국 노스웨스턴대 기초물리학센터 연구팀은 전자의 반물질 짝인 양전자 1개를 진공 속에 띄우고 양자 상태를 마음대로 다루는 ‘단일 양전자 양자 사이클로트론’을 구현하는 데 처음 성공했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 10월 22일 자에 실렸다. 양전자는 어떤 용기에 담더라도 벽에 닿는 순간 사라진다. 연구팀은 전기장과 자기장으로 입자를 빈 공간 한가운데 띄우는 ‘페닝 트랩’을 이용했다. 양전자는 방사성 나트륨-22가 붕괴할 때 빛에 가까운 속도로 튀어나온다. 연구팀은 이 양전자를 텅스텐 결정에 통과시켜 속도를 늦춘 뒤 트랩에 가뒀다. 최대 54만 6000전자볼트(eV)였던 운동에너지를 약 210억분의 1로 줄인 양전자 하나를 트랩에 넣는 데는 11시간가량이 걸렸다. 연구팀은 트랩을 절대영도(0K, 영하 273.15도)보다 0.3도 높은 300mK(밀리켈빈, 영하 272.85도)까지 냉각했다. 차가운 트랩 벽은 트랩 속에 남은 기체 분자까지 달라붙게 해 내부를 완벽에 가까운 진공으로 만든다. 이 트랩에서 양전자는 에너지가 가장 낮은 ‘바닥 상태’에 머물렀고, 진공 덕분에 오래 붙잡아 둘 수 있었다. 이렇게 갇힌 양전자는 원자 속 전자처럼 띄엄띄엄한 에너지 계단을 오르내리는 인공 원자가 됐다. 연구팀은 156기가헤르츠(㎓)의 마이크로파를 쏴 양전자를 한 계단씩 들어 올리고 그 상태를 망가뜨리지 않은 채 변화를 읽어냈다. 또 트랩을 마이크로파 공진기처럼 설계해 원래 0.08초면 끝날 들뜬 상태를 약 4초까지 붙잡아 뒀다. 연구팀의 최종 목표는 양전자가 얼마나 강한 자석인지를 나타내는 ‘자기모멘트’를 정밀하게 측정하는 것이다. 표준모형에 따르면 전자와 양전자의 자기모멘트는 크기가 정확하게 같아야 한다. 연구팀은 양전자 자기모멘트를 전자만큼 정밀하게 재면 물질과 반물질의 대칭성을 기존보다 30배 이상 정밀하게 검증할 수 있을 것으로 전망했다. 연구를 이끈 제럴드 가브리엘스 교수는 “현재 이론은 전자와 양전자의 자기모멘트에 차이가 없을 것으로 보는데, 만약 다르다면 지난 100년 물리학에서 가장 큰 발견이 될 것”이라고 말했다. 이번 연구는 거대한 입자가속기 대신 작은 실험 장치로 우주 탄생의 근본 질문에 다가갈 수 있다는 점에서도 의미가 크다.

앤 카슨 ‘플레인워터’시와 산문 그 사이 유동하는 언어경계 구분 없이 흐르는 물과 같아비숍 ‘우리는 내륙으로 질주한다’시집 4권·미발표 원고 모은 전집작품서 자신을 레즈비언 규정도휘트먼 ‘사람들은… 몸을 감싸안는다’퀴어 감각 작품들 선별해 재구성몸·영혼 불일치로 평생 괴로워해 지겹도록 들여다봐도 좀처럼 곁을 내주지 않는다. 외국어는 어쩌면 영원한 동경의 대상일지도 모른다. 그래도 영어는 좀 괜찮지 않을까. 우리가 영어에 들인 시간과 돈을 합하면 저 태평양을 메우고도 남을 것이기에. 그러나 이런 오만은 영어로 쓰인 시(詩)를 읽는 순간 곧바로 멈출 것이다. 온몸을 휘감는 익숙하지 않은 감각. 괜찮다. 그 ‘낯섦’이 우리를 구원할 것이다. 영어로 아름다운 성을 쌓았던 북미 시인들의 시집 세 권이 한국어로 도착했다. “그가 나를 사랑했다면 나를 봤겠지/위층 창가에서 창문에 이마를 부딪치고 있는 내 모습을.”(앤 카슨, ‘기울어진 사랑 마을’) 캐나다 시인 앤 카슨(75)의 초기 대표작 가운데 하나인 ‘플레인워터’(난다)는 시와 산문 그 사이에서 유동하는 언어의 아름다움을 포착하고 있는 작품집이다. 영문학 번역가이자 시인으로도 활동하는 황유원이 옮겼다. 1부 ‘밈네르모스 브레인섹스 그림’부터 4부 ‘물의 인류학’까지 일관된 흐름이 없다. 그래서 어떤 총체적인 사상이나 주제로 이 책을 붙잡는 시도는 실패하고 만다. 카슨은 어쩌면 독자가 실패하기를 의도했을지도 모른다. ‘물의 인류학’ 서문에서 카슨은 이렇게 선언한다. “물은 당신이 붙잡을 수 없는 무언가다.” 물은 손에 쥘 수 없다. 세계의 실상도 그렇다. 우리는 다만 깊이 잠길 수 있을 뿐이다. 이 서문의 제목은 ‘잠수’다. 세계라는 물 안에 깊이 침잠하는 것만이 문학이 할 수 있는 일이다. “국경을 건널 때 내 귀에 들리던 소리라고는 너의 맥박과/내 귀뼈를 빗질하듯 쓰다듬던, 반물질 같은/바람뿐.”(‘그대와 나 사이에 진실이 있기를’) 카슨은 프리드리히 횔덜린, 에밀리 디킨슨 등 서양문학의 고전뿐 아니라 노자의 ‘도덕경’, 일본의 전통 정형시 ‘하이쿠’ 등도 적극 인용하며 나름의 독창적인 사유를 전개한다. 경계를 구분하지 않고 그저 흐르는 ‘물’처럼. “화장대 거울 속 달은/수백만 킬로미터 너머를 바라본다, … 우주로부터 버림받으면, 달은 지옥에나 가버려, 말할 것이고, 곧장 물웅덩이나 거울을 발견하고는,/그 안에 깃들 것이다./그러나 걱정 따위 거미줄로 싸서/우물에 처박아 버리길.//뒤집힌 세상에서는,/왼쪽이 항상 오른쪽이고,/그림자가 진짜 몸이며, 우리는 밤새 깨어 있고,/하늘은 지금 바다 깊이만큼 얕으며,/당신은 나를 사랑한다.”(엘리자베스 비숍, ‘불면증’) 퓰리처상(1956), 전미도서상(1970) 등을 받은 미국 시인 엘리자베스 비숍(1911~1979)은 일부 영문학 연구자를 제외한 국내 독자에게는 미지의 영역으로 남아 있었다. 드디어 그의 시 전집 ‘우리는 내륙으로 질주한다’(봄날의책)가 한국어로 옮겨졌다. 소설가 이주혜가 번역을 맡았다. 비숍의 시 전집이 미국에서 출간된 것은 2011년, 그의 탄생 100주년이 되던 해다. ‘북과 남’(1946), ‘어느 차가운 봄’(1955) 등 생전 출간됐던 시집 4권과 함께 시집에 묶이지 않은 것까지 망라했다. 비숍의 사후 발굴된 미발표 원고를 분석하는 과정에서 그가 레즈비언으로 자신을 규정했었다는 사실이 알려졌다. 앞서 인용한 ‘불면증’이라는 시는 그래서 더욱 의미심장하게 읽힌다. 화장대 거울이 비추는 세계는 좌우가 뒤집힌 공간이다. ‘나’는 그곳을 간절히 열망하는 듯하다. 뒤집힌 세계에서만이 당신이 나를 사랑할 수 있기에. 비숍의 사랑은 당대 현실에서는 받아들여질 수 없었을 것이다. “여기가 해안이다. 여기가 항구다. … 어떤 것은 아마도 큰 야자수다. 아아, 여행자여,/이 나라가 그대에게 내놓으려는 대답이 고작 이건가? … 우리는 곧장 상투스를 떠난다./우리는 내륙으로 질주한다.”(‘상투스에 도착’) 그에게 시는 단순한 언어의 놀이가 아니라 사랑의 실존을 확인하는, 실감 넘치는 공간이었을 것이다. “나는 전율하는 몸을 노래하지,/내가 사랑하는 사람들의 무리가 나를 감싸고 나도 그들을 감싸,/그들은 나를 놓아주지 않을 거야, 내가 그들과 함께하고, 그들에게 응답하고, … 맨 살결을 만질 때 손에서 느껴지는 신비로운 공감,/강줄기처럼 도는 숨결, 그리고 들숨과 날숨, … 나는 말하지, 이 모든 것이 몸뿐 아니라, 영혼의 일부이고 시라고.”(월트 휘트먼, ‘나는 전율하는 몸을 노래하지’) 시집 ‘풀잎’으로 유명한 미국의 거장 월트 휘트먼(1819~1892)의 시 가운데 ‘퀴어’의 감각으로 읽을 수 있는 작품을 뽑아 김성훈 전남대 영문과 교수가 재구성한 시집 ‘사람들은 사람들의 몸을 감싸안는다’(파시클)도 흥미로운 책이다. 영어 원문을 함께 수록해 원전과 번역의 리듬감을 아울러 느낄 수 있게끔 편집했다. 평생 독신으로 살았던 휘트먼은 동성애자 혹은 양성애자였던 것으로 추정된다. 그가 명시적으로 밝히진 않았지만. 실제 그렇다고 해도 정체성을 밝히는 건 불가능했을 것이다. 퀴어는 몸과 영혼의 강렬한 불일치. 평생 그것으로 괴로워했겠지만, 그 괴로움은 역설적으로 위대한 문학을 추동하는 힘이 됐다. “나는 육체의 시인이고 영혼의 시인이다./천국의 기쁨이 내게 있고, 지옥의 고통도 내게 있다./기쁨은 내 몸에 접붙여 늘리고, 고통은 새로운 언어로 바꾼다.”(‘나는 육체의 시인이고 영혼의 시인이다’)

최근 공개된 봉준호 감독의 신작 ‘미키17’이 전미 박스오피스 1위를 비롯해 국내에서도 200만 관객을 돌파한 가운데 원작 소설인 ‘미키7’도 국내에서 각 서점 베스트셀러에 진입하며 10만부 판매를 돌파했다고 민음사 계열 출판사 황금가지가 12일 밝혔다. 황금가지에 따르면 ‘미키7’은 최근 교보문고 소설 부문 주간 7위, 리디북스 영미소설 1위(종합 3위), 알라딘 및 예스24 공상과학(SF) 소설 및 장르 부문 1위에 올랐다. 죽은 뒤에도 예전의 기억을 가진 복제인간으로 끊임없이 되살아나는 ‘익스펜더블’을 앞세워 우주적 상상력을 발휘하고 있는 영화 ‘미키17’은 원작과 설정이 크게 다르지 않다. 우스꽝스러운 상황 안에서도 인간과 인격, 죽음 등 묵직한 철학적 주제를 깊이 있게 녹여내고 있다. 다만 일부 차이는 있다. ‘미키17’과 ‘미키18’의 성격이 다른 것과 달리 소설에서 ‘미키7’과 ‘미키8’은 성격의 결이 같다. 영화 속 미키는 마카롱 사업에 실패한 것으로 나오지만 소설에서 미키의 직업은 역사가다. 봉 감독은 큰 설정에서는 원작의 상상력에 기대면서도 세부적인 부분에서 변화를 주며 독창적이고 새로운 세계를 창조했다. 원작 소설가 에드워드 애슈턴이 쓴 후속작 ‘미키7: 반물질의 블루스’도 있다. 봉 감독은 한 인터뷰에서 이 후속작에도 관심이 있다고 밝힌 바 있다.

‘탄생 100주년’ 양자역학 돌아보기핵무기·컴퓨터 개발 과정 흥미진진 양자역학의 개념을 설명할 때 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 비유를 들곤 한다. 창문 없는 상자에 들어 있는 이 고양이는 방사성물질이 깨지면 독극물에 중독돼 죽을 수도 있지만 현재는 살아 있는, ‘살아 있지도 죽어 있지도 않은’ 상태에 있다. 입자가 중첩 상태로 존재하면서 서로 반대되는 두 가지 특징을 동시에 지닐 수 있다는 양자역학의 핵심을 설명한다. 오스트리아 출신 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학을 무너뜨리려고 생각해 낸 이야기가 이 분야를 대표하는 사례가 됐으니 그야말로 아이러니가 아닐 수 없다. 매사추세츠공대(MIT) 물리학과 교수이자 과학사 교수인 저자가 양자역학 탄생 100주년을 맞아 지난 한 세기를 돌아본다. 원자, 분자, 전자 등 물질의 기본단위에 대한 역학인 양자역학이 어디에서 왔고, 무엇인지, 어떻게 나아가고 있는지를 재미있게 소개한다. 책은 양자역학에 반대했던 알베르트 아인슈타인의 특수상대성이론과 하이젠베르크 행렬역학, 폴 디랙의 반물질 등 물리학이 맹렬한 속도로 현대화한 20세기 초부터 시작해 거인 과학자들의 발자취를 차례로 따라간다. 영화 ‘오펜하이머’(2023)로도 우리에게 익숙한 ‘맨해튼 프로젝트’와 히로시마 원자폭탄 투하를 비롯해 제2차 세계대전 이후 핵무기 연구 중 컴퓨터를 개발하고 발전시킨 과정, 냉전 당시 물리학자들의 사정 등이 흥미진진하다.

감정 경제학(조원경 지음, 페이지2) 왜 불황에는 립스틱이 잘 팔리고 영상 콘텐츠 길이는 어째서 점점 짧아지는 걸까. 이성적인 선택을 한다고 생각하지만 뭔가를 결정할 때 감정이 큰 영향을 미친다. 일상에서 마주하는 경제 현상으로 ‘물건이 아닌 기분을 사는 시대’에 감정에 휘둘리지 않는 방법을 소개한다. 328쪽. 1만 9800원.인더스트리 5.0(이인식 외 10명, 인문공간) 유럽연합이 인더스트리 4.0의 연장선에서 2020년 발표한 새로운 패러다임 ‘인더스트리 5.0’. 기술 독점과 부의 불평등을 낳은 효율성 중심 승자 독식 디지털 경제에 대한 대안이다. 인더스트리 5.0 개념은 물론 메타버스, 인공지능, 생물영감 등 10대 기술을 전문가들이 소개한다. 3만원. 320쪽.고래와 대화하는 방법(톰 머스틸 지음, 박래선 옮김, 에이도스) 지구 생명체 가운데 가장 거대한 동물이자 뛰어난 지적 능력을 지닌 고래의 말을 해독하기 위한 흥미진진한 여정을 담았다. 역사와 언어, 철학, 인지과학, 인공지능, 로봇 등 동물의 마음을 해독하기 위한 최신 연구를 통해 고래와의 소통법을 이야기한다. 436쪽. 2만 3000원.기호와 탐닉의 음식으로 본 지리(조철기 지음, 따비) 영국인의 티타임은 추악한 전쟁을 일으켰다. 달콤한 설탕과 초콜릿은 노예노동과 아동노동의 산물이기도 하다. 전 세계가 탐닉하는 홍차, 설탕, 초콜릿, 팜유, 바나나, 새우, 와인 7가지 음식으로 역사와 지리, 생산자와 소비자, 인간과 자연의 떼려야 뗄 수 없는 관계를 돌아본다. 376쪽. 2만 5000원.어쩌다 학교가 집이 되었다(김윤 지음, 창비) 학교에 몰래 살게 된 고등학생 준영을 통해 입시, 가족, 가출 등 현시대 청소년들의 문제를 다룬다. 낯선 세계처럼 표현한 한밤의 텅 빈 학교가 새롭고 미지의 인물과 벌이는 아슬아슬한 추격전은 속도감이 넘친다. 제4회 ‘창비×카카오페이지’ 영어덜트소설상 우수상 수상작. 264쪽. 1만 3000원.미키7: 반물질의 블루스(에드워드 애슈턴 지음, 진서희 옮김, 황금가지) 죽어도 끊임없이 전임자의 기억을 지니고 되살아나는 복제인간의 삶을 소재로 한 ‘미키7’ 후속편. 니플하임의 토착 생명체인 크리퍼의 실체, 비밀스럽게 숨겨 둔 반물질 폭탄에 얽힌 놀라운 이야기 등 전작에서 채 마무리하지 못한 이야기를 들려준다. 436쪽. 1만 7000원.

덴마크 오르후스대 물리천문학과 연구진을 중심으로 영국, 이탈리아, 캐나다, 미국 등 10개국 26개 기관이 참여한 국제 공동 연구팀이 반물질(antimatter)도 일반 물질과 똑같이 중력의 영향을 받는다는 것을 실험으로 증명했다. 이번 연구 결과는 과학 저널 ‘네이처’ 9월 28일자에 실렸다. 아인슈타인은 일반 상대성 이론에서 질량이나 구성과 관계없이 모든 물체가 중력의 영향을 받아 똑같이 자유낙하한다고 예측했다. 그렇지만 세심하게 통제된 실험 환경을 만들기 어려워 지금까지는 관측하지 못했다. 연구팀은 유럽입자물리연구소(CERN)가 만든 반(反)수소 원자의 중력 영향을 측정할 수 있는 자기 트랩 ‘ALPHA-g’로 실험했다. 그 결과 반수소 원자도 일반 수소 원자와 마찬가지로 중력의 영향을 받아 똑같은 방식으로 낙하한다는 사실을 확인했다.

-우리가 아는 것과 모르는 것 빅뱅 직후에 무슨 일들이 있어났는가? 아직까지 밝혀지지 않은 빅뱅 직후의 사건에 대해 흥미롭게 정리한 폴 M. 서터의 칼럼을 소개한다. 칼럼은 26일(현지시간) 우주전문 사이트 스페이스닷컴(Space.com)에 게재되었다. 서터 박사는 미국 뉴욕주립 스토니 브룩 대학과 플랫아이언 연구소의 천체물리학자이며, Ask a Spaceman 및 Space Radio의 호스트이자 '우주에서 죽는 방법'(How to Die in Space)의 저자이다.  복숭아만 한 아기 우주 믿거나 말거나 물리학자들은 우주가 빅뱅 직후 불과 몇 초 밖에되지 않았을 때의 상황을 이해하기 위해 대뇌를 혹사하고 있다. 그러나 당시의 상황은 복잡하고, 마땅한 검증 방법이 없는만큼 과학자들의 외로운 싸움은 아직도 계속되고 있다. 하지만 소득이 영 없었던 것은 아니다. 상당한 진전을 이루어내긴 했지만, 그래도 여전히 많이 부분이 베일에 가려져 있다. 미니 블랙홀에서 물질 상호작용에 이르기까지 아기 우주는 엄청 붐비는 장소였다. 일반적인 줄거리부터 훑어보자. 137억 7000만 년 전 갓 태어난 우리 우주는 믿을 수 없을 정도로 뜨겁고 작았다. 온도는 무려 1천조 도, 크기는 복숭아만 했다. 천문학자들이 우리 우주가 탄생 1초 만에 엄청난 속도의 팽창기를 겪었다고 보는데, 이를 인플레이션이라 한다.  이 사건으로 우리 우주는 역사상 가장 혁신적인 시대에 접어들었다. 우리 우주는 이로 인해 순식간에 어마무시하게 커졌다. 천문학자들은 계산서까지 뽑아냈는데, 대략 10 ^ 52제곱 배로 확대된 것으로 나타났다. 이 급속한 팽창 단계가 끝났을 때, 인플레이션을 일으킨 그 무엇(아직도 그것이 무엇인지 우리는 모른다)은 쇠퇴하고, 물질과 방사능이 우주를 가득 채웠다. 그러나 그 과정이 어떠했는지 역시 밝혀지지 않았다.문자 그대로 몇 분 후, 첫 번째 원소가 우주에 나타났다. 이 시간 이전에 우주는 너무 뜨겁고 밀도가 높아서 안정된 어떤 것도 형성할 수 없었고, 쿼크(원자핵의 구성 요소)와 글루온(강한 핵력 운반체)의 거대한 혼합체였다. 그러나 우주가 10분 남짓 지난 후에는 쿼크가 서로 결합하여 최초의 양성자와 중성자를 형성할 수 있을 만큼 충분히 냉각되고 팽창되었다. 양성자와 중성자는 최초의 수소와 헬륨 그리고 약간의 리튬을 만들기 시작했고, 이러한 과정은 수억 년 후 최초의 별과 은하를 만들어내기까지 계속되었다. 첫 번째 원소의 형성으로부터 우주는 계속 팽창하고 냉각되어 결국 플라스마와 중성 기체로 가득 차게 되었다. 이 개괄적인 이야기가 대체로 옳다는 것은 알고 있지만, 특히 첫 번째 원소가 형성되기 이전의 시간에 대해서는 많은 세부사항이 누락되었음을 우리는 알고 있다. 우주가 겨우 몇 초 밖에 되지 않았을 때 일부 물리법칙에 위배되는 사건이 작동했을 수 있다. 그렇다면 현재 우리가 가진 물리학으로는 규명하기 어려울 수도 있지만, 그렇다고 해서 그것을 알아내려는 우리의 시도와 노력을 막지는 못할 것이다. 알려진 '수수께끼'  최근에 출판 전 논문 저장 저널 아카이브(arXiv)에 게재되어 '천체물리학 오픈 저널'에 게재된 논문은 매우 이색적인 초기 우주 시나리오를 설명한다. 예를 들어, 암흑물질에 대한 모든 질문이 망라되어 있다. 우리는 암흑물질이 무엇으로 이루어져 있는지 모르지만 그것이 우주에 있는 물질의 80 % 이상을 차지한다는 것은 알고 있다. 또한 초기 우주의 뜨겁고 진한 수프에서 어떻게 정상 물질이 생성되었는지 잘 알고 있지만, 암흑물질이 언제 어떻게 무대에 등장했는지는 전혀 모르고 있다.태초의 몇 초 안에 나타났을까, 아니면 훨씬 나중에 나타났을까? 암흑물질이 과연 첫 번째 원소로 이어지는 우주 화학을 엉망으로 만들었을까, 아니면 그냥 뒷전에 얌전히 머물러 있었을까? 우리는 모른다. 그리고 인플레이션이 있다. 우리는 이 놀라운 팽창 이벤트에 에너지를 공급한 것이 무엇인지 알지 못하고 있으며, 그 시간이 지속된 이유도, 중단된 이유도 모른다. 아마도 인플레이션은 우리가 가정했던 것보다 오래 지속되어 온전히 1초 동안 작동했을 것으로 보고 있다. 또 다른 상황도 있다. 모든 우주학자들에게 큰 골칫거리가 되고 있는 물질-반물질 비대칭 문제이다. 실험을 통해 물질과 반물질은 완벽하게 대칭적이라는 것을 알 수 있다. 우주 전체에 걸쳐 만들어진 물질의 모든 입자에 해당하는 반물질 입자가 있다. 그러나 현재의 우주를 둘러보면 반물질은 한 줌도 볼 수 없고 정상 물질 더미만을 볼 수 있을 뿐이다. 따라서 물질-반물질 균형을 깨뜨리기 위해 우주의 처음 몇 초 동안 엄청난 사건이 일어났을 것이라고 유추할 수 있다. 그러나 무엇이 그 같은 사건을 일으켰는가에 관한 정확한 메커니즘은 아직도 안개에 가리워져 있다. 만약 암흑물질과 인플레이션, 반물질이 충분하지 않았다면 초기 우주가 미니 블랙홀의 홍수를 만들어냈을 가능성도 있다. 지난 130억 년 동안 블랙홀은 모두 거대한 별의 죽음에서 비롯되었다. 죽는 별만이 물질 밀도가 블랙홀 형성에 필요한 임계값에 도달할 수있는 유일한 장소이기 때문이다. 그러나 초기 우주 곳곳에서 충분한 물질 밀도를 달성하여 별 형성 과정을 거치지 않고도 블랙홀을 생성할 수 있었을 것이라고 과학자들은 생각하고 있다. 중력파로 아기 우주를 본다 우리의 빅뱅 이론은 풍부한 관측 데이터에 의해 뒷받침되고 있지만, 그래도 우리의 호기심을 충족시킬 수 있는 미스터리가 여전히 많이 남아 있다. 고맙게도 우리는 우주 초기 시대에 관해 완전한 장님은 아니다. 예를 들어, 우주가 몇 초 밖에 되지 않았을 때의 상태를 직접 볼 수는 없지만, 강력한 입자 충돌기에서 이러한 상황을 재현해 완벽하지는 않지만 우주 초기 환경의 물리학에 대한 이해를 꾀할 수 있다. 태초의 몇 초 동안 우주에서 일어난 사건의 단서를 찾을 수 있을지도 모른다. 물리법칙을 초월한 일이 일어났다 하더라도 반드시 그 흔적을 남겼을 것이다. 암흑물질의 양이나 인플레이션 시간이 달라졌다면 수소와 헬륨의 생성이 어떻게 되었을지 알 수 없다. 아마도 오늘날 우리가 우주에서 측정 할 수 있는 상태로 되지는 않았을 것이다. 우주는 38만 년이 지났을 때 플라스마에서 중성 기체로 전환되었다. 물질에서 놓여나 방출된 빛은 우주 마이크로파 배경의 형태로 지속되었다. 우주가 미니 블랙홀들을 만들어냈다면 이 잔광 패턴에 영향을 미치게 된다. 우리는 우주 초기 상태를 직접 관찰할 수 있을지도 모른다. 빛이 아니라 중력파를 통해서. 그 혼란스러운 지옥은 우주의 마이크로파 배경과 같이 시공간 구조에 무수한 주름을 지게 했을 것이며, 그것은 오늘날까지 남아 있을 것이다. 우리는 아직 중력파를 직접 관찰할 수있는 기술을 가지고 있지 않지만, 점차 거기에 가까이 다가가고 있는 중이다. 이윽고 거기에 이른다면, 아마도 우리는 갓 태어난 우주의 모습을 엿볼 수 있을 것이다.  이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

세계는 원자로 이루어져 있다. 일찍이 플라톤은 "우주는 왜 텅 비어 있지 않고 무언가가 존재하는가?" 하고 물었다. 물질의 기원에 관한 가장 원초적인 질문이었다. 물론 그러한 질문에 제대로 답할 만한 과학이 당시엔 없었다. 그러나 물질에 대해 가장 독창적이고 놀라운 주장을 한 사람이 나타났다. 기원전 4세기 그리스의 데모크리토스(BC 460 ~380)였다. 지식을 얻는 방법에 대해 “지식은 두 가지 방법으로 얻을 수 있다. 지성에 의해 타당한 추론을 얻을 수 있고, 다른 방법은 모든 감각을 정교하게 동원해서 얻어낸 자료를 통해 추론하는 것이다”라고 말한 데모크리토스는 물질의 본성에 대해 다음과 같이 갈파했다.“모든 물질이 더 이상 나눌 수 없는 작은 것, 곧 원자(atomon)로 이루어져 있으며, 이것이 바로 물질의 보이지 않는 가장 작은 구성요소로서, 세계는 무수한 원자와 공(空) 외에는 아무것도 존재하지 않는다.” 그는 또 원자를 설명하면서, 원자는 영원불변하며, 절대적인 의미에서 새로 생겨나거나 사라지는 것은 아무것도 없으며, 사물들이 안정되어 있고 시간이 흘러도 변하지 않는 까닭은 모든 원자들이 똑같은 크기를 갖고 자기가 차지하고 있는 공간을 꽉 메우고 있기 때문이라고 했다. 물론 오늘날 우리는 원자가 더 작은 입자들로 이루어진 보따리 구조라는 사실을 알고 있다. 따라서 데모크리토스가 말한 원자는 입자로 바꿔 생각해야 할 것이다. 어쨌든 데모크리토스가 말한 대로 물질을 계속 쪼개나가다 보면, 그 이름이 무엇이든 간에 물질의 최소 단위에 이르게 된다. 왜냐하면 물질을 무한히 쪼개나갈 수는 없기 때문이다. 양자론 개척자의 한 사람인 베르너 하이젠베르크는 그 최소 단위에 대해 이렇게 말했다. “우리는 여전히 옛 데모크리토스의 표상을 믿고 있었다. 한 마디로 ‘맨 처음 입자가 있었다’는 표상이었다. (...) 그러나 이런 표상이 틀린 것인지도 모른다. 물질을 계속 쪼개가다 보면 맨 나중에는 더이상 부분이 남지 않고 물질 속의 에너지가 변환될 것이며, 부분은 쪼개지기 전보다 작지 않을 것이다.” 현대 물리학은 물질의 최소 단위에 착상한 데모크리토스의 원자론에서부터 출발했다고 해도 과언이 아니다. 그래서 양자역학의 확립에 기여해 노벨 물리학상을 받은 리처드 파인만은 원자에 대해 이렇게 한 마디로 규정했다. “다음 세대에 물려줄 과학지식을 단 한 문장으로 요약한다면, ‘모든 물질은 원자로 이루어져 있다’는 것이다.” 이처럼 원자는 물질세계의 가장 기본적인 질료이자 현대 물리학의 화두이다. 현대문명의 총화인 컴퓨터, TV, 휴대폰 등 모든 전자기기들은 원자의 과학인 양자론 위에 서 있는 것들이다. 물리는 원자에서 시작하여 원자로 끝난다고 할 수 있다. 원자는 얼마나 클까? 원자의 크기는 대체 얼마나 될까? 전형적인 원자의 크기는 10^-10m다. 1억분의 1㎝란 얘기다. 상상이 안 가는 크기다. 중국 인구와 맞먹는 10억 개를 한 줄로 늘어놓아야 가운데 손가락 길이만한 10㎝가 된다. 각설탕만한 1㎝^3의 고체 속에는 이런 원자가 10^23개쯤이 들어 있다. 얼마만한 숫자인가? 지구의 모든 바다에 있는 모래알 수와 맞먹는 숫자이다. 그럼 원자핵의 크기는 얼마나 될까? 약 10^-15m다. 원자의 100,000분의 1 정도다. 그렇다면 원자의 크기는 무엇으로 결정되는가? 원자핵을 중심으로 돌고 있는 전자 궤도가 결정한다. 결론적으로 말하면, 원자는 그 부피의 10^-15(부피는 세제곱), 곧 1천조 분의 1을 원자핵이 차지하고, 그 나머지는 모두 빈 공간이라는 말이다. 이게 대체 얼마만한 공간일까? 원자가 잠실 야구장만하다면 원자핵은 그 한가운데 있는 콩알보다도 더 작다. 지구상의 모든 물질을 원자핵과 전자의 빈틈없는 덩어리로 압축한다면 지름 200m의 공을 얻을 수 있다. 자연은 원자를 제조하는 데 너무나 많은 공간을 남용했다고 해도 할 말이 없을 것 같다. 결국 물질의 크기는 원자핵의 둘레를 돌고 있는 전자에 달린 문제이지만, 원자의 구조에 대한 자세한 얘기는 또 다른 얘기이므로, 여기서는 이런 원자가 온 우주에 얼마나 있는가 하는 문제만 짚어보도록 하자. 자연에는 원소의 종류가 92가지 있고, 그중 수소가 양성자와 전자 하나씩으로 이루어진 가장 단순한 원소다. 그 다음 단순한 원소로 헬륨이 있다. 우주에서 가장 많은 원소는 수소인데 그냥 많은 것이 아니라 다른 모든 원소보다 압도적으로 많다. 질량으로 보면 70%, 원소의 양으로 보면 90%가 넘는다. 그 다음으로 많은 원소는 헬륨이다. 질량으로 28%, 원소의 양으로는 9%를 차지한다. 다른 원소는 모두 합해도 질량으로 2%, 원소의 양으로 0.1%에 지나지 않는다.수소와 헬륨을 합치면 우주 내 물질의 약 99%를 차지한다. 나머지 90종은 1% 미만이다. 그런데 지구는 사정이 좀 다르다. 지구 중심에는 철과 니켈이 풍부하지만 지각에는 산소‧규소‧알루미늄과 같은 원소들이 많다. 바다에는 수소와 산소가 풍부하고 대기는 질소와 산소가 대부분을 차지한다. 이는 철 이하의 원소들이 별 속에서 만들어지고 나머지 중원소들은 초신성이 폭발할 때 만들어져서 지구라는 행성을 형성했기 때문이다. 자연계에 존재하는 92개의 원소들의 이 같은 출생의 비밀을 갖고 있다. 수소와 헬륨 외의 모든 원소는 뜨거운 별 속에서 제조되어 초신성 폭발과 함께 우주 공간으로 흩뿌려지고, 그것들이 지구와 인간 등 뭇 생명체를 빚어냈던 것이다. 별이 우주의 주방인 셈이다. 지구를 벗어나 태양계로 나가면 우주와 비슷한 상황을 볼 수 있다. 태양은 태양계 전체 질량의 99.86%를 차지하는데, 그 대부분이 수소와 헬륨이다. 따라서 태양계 전체로 볼 때 가장 풍부한 원소는 수소와 헬륨이다. 그 다음으로 많은 원소는 산소이고 그 다음은 탄소이다. 우주 전체 원소들의 존재량 비와 비슷한 셈이다. 우주를 이루는 원자의 개수 그렇다면 이 우주에 원자의 개수가 얼마나 되는지 알아보기로 하자. 뜻밖에 간단한 방법으로 알 수 있다. 원자번호 1인 수소 원자의 경우, 1억 개를 한 줄로 늘어세워도, 그 길이는 1㎝를 넘지 않는다. 1억이라면 어느 정도의 숫자일까? 사과 한 알을 1억 배 확대한다면 그 크기가 지구와 같아질 만큼 큰 숫자다. 그러니 원자가 얼마나 작은지는 상상력을 아무리 동원해도 이해하기 힘들다. 도대체 누가 이런 크기를 쟀단 말인가, 하고 짜증이 날 정도다. 그렇다면 또, 그 원자의 무게는 그럼 얼마나 되는가? 아보가드로 수인 6*10^23개만큼 수소를 수소 1몰이라 하는데, 저울에 달면 1g이 나온다. 저 1g 수소의 개수는 지구상의 모든 모래알 수보다 많은 것이다.빅뱅 이후 태초의 우주공간을 가득 채운 물질이 바로 그런 수소다. 캄캄한 공간 속을 수소 구름들이 흘러다니는 풍경을 상상해보라. 그 수소 구름들이 중력으로 뭉치고 뭉친 끝에 마침내 태양과 같은 별을 탄생시킨 것이다. 오늘도 당신 머리 위에서 눈부시게 빛나는 저 태양 같은 별을 만들려면 수소 원자가 몇 개나 있어야 할까? 지수 법칙을 아는 중학생 수학 실력만 있어도 간단히 그 계산서를 뽑아볼 수 있다. 태양 질량 ÷ 수소 원자 질량 =수소 원자 개수 그 답은 약 10⁵⁷개이다. 이 숫자는 옛 인도 사람들이 갠지스 강의 모래알 수라고 말한 1항하사(10^52)보다 10만 배나 많은 수이다. 그러니까 이 숫자만큼의 수소 원자 알갱이들이 모이면 저런 엄청난 태양이 만들어지는 것이다. 그리고 저 태양이 없다면 이 너른 태양계 속에 인간은커녕 아메바 한 마리도 살아갈 수 없다. 물질의 오묘함이 아닐 수 없다. 우리 역시 저 별먼지에서 나온 물질의 조합체가 아닌가? 저런 태양이 각 은하마다 평균 2000억 개가 있고, 그런 은하가 관측 가능한 우주에 또 2조 개 정도 있는 걸로 알려져 있다. 그렇다면 이것들을 다 곱하면 온 우주에 있는 천체들의 원자 수가 나온다. 계산해보면 4*10^80이란 숫자가 나온다. 이것이 우주의 일반물질을 이루고 있는 원자의 개수이다. 그런데 우주는 일반물질이 차지하고 있는 비율이 4%밖에 안된다. 그 나머지는 이른바 암흑물질과 암흑 에너지가 차지한다. 에너지는 아인슈타인의 E=mc^2 방정식에 따라 물질로 치환할 수 있으니까, 여기에 다시 25를 곱하면 대략 온 우주의 원자 개수가 나오는 것이다. 그래서 나온 우주의 모든 원자 개수는 10^82승 개이다. 10^100승인 구골에는 한참 못 미치는 수다. 10^82승 개 원자들이 만드는 우주는 얼마나 물질로 충만해 있을까? 우주 공간의 1조분의 1 정도를 채우고 있을 뿐이라고 한다. 그래서 물리학자는 제임스 진스는 우주의 물질 밀도에 대해 “큰 성당 안에 모래 세 알을 던져넣으면 성당 공간의 밀도는 수많은 별을 포함하고 있는 우주의 밀도보다 높게 된다”고 말했다. 그러니 우주는 사실 텅 빈 공간이나 다를 바가 없다. 우리는 그야말로 색즉시공(色卽是空)의 세계 속에서 살고 있는 것이다. 참고로 우리 몸을 구성하는 원자의 종류는 약 60종이고, 그 개수는 약 10^28승 개이다. 그중 수소가 3분의 2(질량비는 10%)를 차지한다. 그리고 그 수소는 모두 빅뱅 공간에서 탄생한 것이다. 온 우주에서 수소를 만들 수 있었던 환경은 빅뱅 공간이 유일하기 때문이다. 그러므로 여러분은 138억 년 전 빅뱅의 유물을 몸으로 갖고 있다는 뜻이니, 우리 모두는 우주의 역사를 지닌 참으로 유구한 존재라 할 수 있다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

영남대 기계공학부 변정훈(39) 교수와 약학부 김종오(43), 용철순(62) 교수가 기계공학과 약학 분야 융합 연구를 통해 암 치료에 적용 가능한 기반 기술을 개발했다. 이번 연구는 영남대 공동 연구를 통해 진행됐다. 연구팀은 지난해 학문간 융합 연구를 통해 약물 제조 신기술을 개발해 학계로부터 크게 주목받은 바 있다. 이번에 게재된 논문은 그 후속 연구 성과다. 영남대 연구팀은 이번에 세계 최초로 에어로졸 연속공정(Aerosol Continuous Process, 기체 공정을 통한 흑린의 연속적 나노화)을 통해 흑린(Black Phosphorus) 나노화(Nanorization, 나노미터 크기로 미립화)를 구현했다. 암 치료에 최적화된 흑린 제조 기술 개발에 성공한 것이다. 변정훈 교수는 “이번 연구에서 기존의 복잡하고, 유해한 나노화 공정을 대체함과 동시에 균일한 형태로 연속제조가 가능한 플랫폼을 제안했다”면서 “나노화된 흑린을 화학-온열면역치료용 나노물질의 기반소재로 적용해 직장암 치료의 효율성을 높일 수 있다”고 연구 성과를 밝혔다. 최근 20년간 다중적 암치료(화학, 면역 등의 기능이 동시에 적용된 복합적 치료 기법)를 위한 자극반응형(Stimuli-Responsive) 생기능성 나노물질의 연구개발이 활발히 이루어져 왔다. 하지만 이러한 나노물질은 체외 배출 및 분해, 부작용, 독성 등의 문제점을 갖고 있다. 흑린은 체내 생분해가 가능하고, 독성이 낮아 다중적 암치료를 위한 기반물질로 주목받고 있다. 김종오 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 기술이 인체의 구성요소 중 하나인 ‘인’을 기반으로, 안전하고 효과적인 암치료용 나노물질을 제조할 수 있는 플랫폼으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”면서 “인체 친화적인 암치료 물질을 설계하고 적용할 수 있는 ‘에어로졸 기반의 가변형 나노의약 제조’에 대한 후속 연구를 진행해 나노의약의 실용화에 기여하고 싶다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 선도연구센터(MRC) 지원으로 이뤄졌으며, ‘플러그-앤-플레이 에어로졸 나노화 기법으로 제조된 흑린을 이용한 직장암의 다중적 치료 적용(Plug-and-Play Nanorization of Coarse Black Phosphorus for Targeted Chemo-photoimmunotherapy of Colorectal Cancer)’이라는 제목의 논문으로 미국화학회가 발행하는 세계적인 학술지 ‘ACS Nano’(영향력지수(IF) 13.709) 최신호에 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

해가 진 뒤 밤이 조용히 찾아온다. 인적은 없고 매미만 시끄럽게 울어댄다. 고개 들어 까맣디 까만 하늘을 바라본다. 빛나는 큰 별, 그리고 그 옆에 반짝반짝 작은 별. 우리가 보는 별은 ‘물체’가 아닌, ‘빛’이다. 빛이 빠르다는 사실은 학교에서 배웠다. 우주는 아주 넓다. 빛이 아무리 빠르게 달려도 밤하늘 건너 우리에게 온 저 별의 빛은 결국 아주 오래전 것이란 이야기다. 문득 궁금증이 생긴다. 이 우주는 얼마나 크고, 어떻게 작동하는 것일까. 그 궁금증을 따라 우주를 다룬 신간 3권을 펼쳐본다. ◆빛 분석해 우주 지도 그린다-매일 밤 우리가 보는 수천 개의 별은 우리 은하(Milky Way galaxy)의 별에 지나지 않는다. 눈으로 보지는 못하지만, 우주 안에는 모양·크기·나이가 제각각인 수천억개의 은하가 있다. 은하마다 또 수천억 개의 별을 저마다 거느린다. 우리 지구는 이런 은하들이 각기 방출하고 흡수한 뒤 결합한 빛을 온몸으로 받는다. 이 빛을 연구한다면 우리는 우리 은하와 외부 은하의 지도를 그릴 수 있다. 또 우주의 구성 성분도 밝혀낼 수 있다. ‘우주의 지도를 그리다’(글항아리 사이언스) 저자 제임스 기치는 관측 천문학자로, 우주를 더 깊이, 더 멀리, 더 자세히 들여다보고자 매일 빛을 모은다. 광자 가운데 일부를 포착하고 분석해 그것이 어디서 왔고, 어떻게 방출되었는지 알아내고자 노력한다. 저자는 이를 통해 우리 은하와 다른 은하의 존재를 최초로 입증했던 100년 전 ‘나선성운들’로 독자를 데려간다. 그 여정에서 우리는 은하가 어떻게 형성·진화했는지 배울 수 있다. 저자는 우리 은하에서 극도로 멀리 떨어져 있는 은하의 성질과 진화 방식에 관한 최신 관측 자료는 물론, 급속도로 발전하고 있는 관측 천문학 연구 분야 사례를 풍부하게 소개한다. 나아가 우주에 대한 ‘세계 모형(world model)’과 컴퓨터 시뮬레이션을 깊이 있게 다룬다. 특히 108장에 이르는 컬러 도판이 우주의 모습을 생생하게 그려낸다. ◆몰랐던 우주물리학 쉽고 재밌게-우주의 크기는 얼마나 클까. 그런데 왜 우주는 텅텅 비어 있는 것처럼 보일까. 그리고 우주 너머에는 무엇이 있을까. 우리는 우주에 관해 꽤 많은 것을 알고 있다고 생각한다. 그러나 그것은 착각일뿐이다. 우주는 인류의 직관과 전혀 다른 방식으로 작동한다. 이런 우주를 ‘코스모스 오디세이’(사회평론) 저자 호르헤 챔과 대니얼 화이트슨이 우주물리학으로 풀어낸다. 상대성이론, 양자역학, 강입자 충돌기(LHC)처럼 많이 들어봤지만 알지 못하는 개념에서 암흑물질, 암흑에너지, 쿼크와 반물질 등 우리가 밝혀내야 할 미지의 존재까지 드넓은 우주의 세계로 안내한다. 호르헤 챔은 앞서 스탠퍼드 대학원 재학 시절, 대학원생의 고달픈 삶과 이공계의 현실을 그린 ‘PHD COMICS’를 연재해 큰 인기를 끌었다. 미국에서는 드라마로까지 만들어질 정도로 유명세를 탔다. 저자는 우주물리학의 개념과 원리를 일러스트와 적절한 설명으로 알려준다. 예컨대 ‘질량’이 무엇인지에 관해 ‘질량이란 그 안에 있는 물질의 양이 아니라 입자에 붙여진 신비한 양자 이름표’라고 설명하는 식이다. 페이지마다 등장하는 유머러스한 삽화는 이해를 돕고 책을 지루하지 않게 한다. 암흑물질, 암흑에너지, 반물질, 물질을 이루는 가장 기본적인 원소, 중력과 공간, 그리고 시간과 차원 등을 비롯해 빅뱅과 우주 너머까지, 우주물리학을 재밌게 즐겨보자. ◆우주 바라보고 인간을 돌아보다-천체를 관측하기 가장 좋은 곳은 어딜까. 태평양 한가운데에 있는 하와이 마우나케아 천문대다. 버지니아대 천체물리학 교수 트린 주안 투안이 북반구에서 가장 아름다운 밤하늘을 관측할 수 있는 이곳을 찾았다. 청색 밀집 왜소은하에 관한 연구를 위해서다. 망원경을 설치하고 밤이 내려오기를 기다리는 저자는 땅거미에서 새벽녘까지 은하를 분석하고, 우주의 기원을 발견하려고 수십억 년을 거슬러 올라가고, 흑색물질의 수수께끼를 조사한다. 그러면서 세상의 아름다움과 덧없음, 인간 존재에 대한 이런저런 질문을 던진다. 저자는 어린 시절 베트남 전쟁을 겪었다. 그에게 밤이란 포탄소리가 울리는, 언제 어디서 공격을 받을지 모르는 위험한 시간이었다. 이후 스위스의 로잔으로 유학을 떠난 저자는 밤중에 유탄이 날아들까 봐 걱정하지 않아도 되고 안심하며 돌아다닐 수 있다는 사실에 놀랐다. 자신의 내면에 자리 잡은 밤에 관한 이런 생각을 저자는 다양한 문학·예술작품과 함께 녹였다. 라이너 마리아 릴케가 쓴 ‘밤에 드리는 시’를 비롯해 고흐, 샤갈, 피카소, 뭉크, 르네 마그리트에 이르기까지 예술가들의 작품을 통해 밤을 돌아본다. 사랑과 두려움, 신비로움에 대한 이야기가 감성적으로 다가온다. 해발 4207m의 천문대 연구 과정과 결과, 그곳에서 찍은 사진, 그리고 명화와 글이 잘 어울린다. ‘과학과 아름다운 예술의 조화’라는 찬사 속에 프랑스 천문학회가 뽑은 ‘2018년 올해의 천문학 도서’로 선정됐다. 김기중 기자 gjkim@seoul.co.kr

고백할 것이 있다. 필자를 포함해 우주 기원을 연구하는 입자물리학자들은 수지를 만나고 싶어 한다. 수지를 만나기만 하면 많은 일들이 풀릴 것으로 생각되기 때문이다.우주의 기원을 알기 위해서 필요한 것은 무엇일까. ‘요리’를 생각하면 쉽다. 요리에는 재료가 가장 중요하다. 우주에는 비어 있는 시공간뿐만 아니라 온갖 물질과 물질을 구성하는 기본입자들이 있다. 지난 100년 동안 물리학자들은 전자, 중성미자를 포함한 렙톤들, 핵을 구성하는 쿼크들을 발견했다. 이런 물질과 입자들의 다양한 상호작용은 우주의 거대한 구조에서부터 생명현상에 이르기까지 모든 현상을 만들어 낸다.이런 상호작용들도 모두 발견됐다. 더군다나 힉스 입자의 발견으로 긴 여정이 일단락된 상태다. 이런 입자들의 역할을 알기 위해서는 빅뱅 초기처럼 매우 높은 에너지가 필요하다. ‘거대강입자충돌장치’(LHC)가 이 환경을 재현하고 있다. 이런 재료만으로 우주를 설명하기는 부자연스럽다. 특히 이론물리학자들은 오래전부터 힉스 입자의 질량이 지나치게 작다는 점을 지적해 왔다. 정신없이 뛰놀고 있는 아이들이 가득한 방에 비싸고 깨지기 쉬운 꽃병을 방바닥 한가운데 놓아두었다고 하자. 한 시간 뒤 방에 들어갔더니 아이들은 여전히 뛰어놀고 있는데 꽃병이 원래 자리에 그대로 있다면 어떤 생각이 들까. 가능성은 있지만 그런 일이 어떻게 생겼는지 설명하기는 어렵다. 이처럼 힉스 입자의 질량과 상호작용력은 부자연스러울 정도로 작다. 수지만 있으면 이런 부자연스러움도 자연스럽게 설명할 수 있다. 우주에는 기본입자들 외에 암흑물질이라는 것도 있다. 관측을 통해 간접적으로 존재가 알려져 있지만 직접 발견하지는 못했다. 우주에는 일반물질보다 암흑물질이 더 많은데도 말이다. 암흑물질의 정체도 수지의 도움으로 해결할 수 있을 것이다. 또 물리법칙의 아름다움을 완성하기 위해서는 복잡해 보이는 여러 입자들과 상호작용이 통일된 하나의 법칙으로 표현될 수 있어야 한다. 여러 다른 힘들을 통일하는 데도 수지가 결정적 역할을 한다. 전자기력, 약력, 강력을 통일하는 대통일이론에 수지만 있으면 힘의 크기가 우주 초기와 같아져서 통일할 수 있고, 중력까지 통일할 수 있는 끈이론에도 수지가 필요하다. 지난 수년간 LHC에서 실험을 했지만 수지는 모습을 드러내지 않았다. ‘자연스러움’이라는 물리학의 기본 철학을 포기해야 하는 것 아닌가라는 논의까지 진행되고 있다. 어쩌면 물리학이 완전히 새로운 국면에 들어가기 직전의 상태라는 징조일 수 있다. 19세기 말 거의 완성된 듯한 물리학에서 몇 가지 빈틈이 보이기 시작했던 것처럼 말이다. 당시 물리학은 전자가 원자핵 주위를 돌면 전자기파를 방출해 원자들이 불안정해진다는 문제에 직면했다. 이 문제 해결 과정에서 양자역학이라는 혁명적인 패러다임이 등장했다. 양자역학은 세계관만 변화시킨 것이 아니고 반도체, 레이저 등의 발명을 통해 인류의 삶을 완전히 바꿔 놓았다. 또다시 물리학에서 새로운 전환이 필요할 때다. 수년간 공을 들였지만 수지를 만나지 못할 경우에는 당혹감과 함께 이전 생각을 과감히 버리고 새로운 물리학을 하게 될 것이다. 이런 변화는 끈기를 가지고 추구할 때만 온다. 지금까지 이야기한 수지(SUSY)는 ‘초대칭성’(supersymmetry)의 준말이다. 모든 기본입자에 짝이 있다는 이론이다. 짝 입자 중 일부는 암흑물질로 우주에 남아 있고 대다수는 질량이 더 낮은 것으로 붕괴할 것으로 생각하고 있다. 초대칭성이 있으면 짝입자의 역할로 힉스 입자의 질량이 자연스레 낮게 유지될 수 있다. 초대칭성이 없는 끈이론은 불안정성을 가지고 있으나 초대칭성이 있는 초끈이론은 이 불안정성이 없어진다. 이런 이유들 때문에 수지를 간절히 찾고 있는 것이다.

우리가 사는 우주는 유령의 동네일지도 모른다. 미국자연사박물관의 헤이든 플레네타리움 스페이스쇼 다크유니버스에서 만든 ‘우주의 암흑물질 지도’를 보면 그런 섬뜩한 생각이 든다. 이 암흑물질 지도는 지난 1일(현지시간) 미항공우주국(NASA)의 오늘의 천체사진(APOD)에 발표되었다. 정교한 컴퓨터 시뮬레이션으로 제작된 이 암흑물질 지도는 우주에 분포하고 있는 암흑물질들이 연출하는 으시시한 우주의 풍경을 그대로 보여주고 있다. 뿐더러 은하들이 왜 그렇게 빨리 도는지, 은하단 속의 은하들이 왜 그렇게 빠른 속도로 움직이는지, 중력렌즈가 왜 그렇게 빛을 강하게 굴절시키는지, 우주 속에 가시 물질이 왜 그렇게 분포하는지에 대해 눈에 보이지 않는 암흑물질이 설명해주고 있다. 우주는 이 암흑물질의 중력으로 여지없이 사로잡혀 있는 것이다. 위의 이미지에서 암흑물질은 검은 가닥들이 거미줄처럼 복잡하게 얽힌 우주의 구조를 보여주고 있으며, 우리에게는 친숙한 일반물질은 주황색 매듭으로 표현되어 있다. 이 암흑물질 지도 시뮬레이션은 실제 천문학적 관측결과와도 잘 부합한다. 우리가 사는 우주에는 은하만 해도 약 2000억 개 정도가 있다. 그런데 이 모든 은하들의 총량보다 더 많은 미지의 암흑물질이 우주의 은하들을 하나로 묶어주고 있다. 만약 이러한 암흑물질이 없다면 우주의 은하들이 다 뿔뿔이 흩어지고 말았을 것이다. 따라서 암흑물질이 은하의 진정한 수호자라 할 수 있다. 이 같은 암흑물질 지도는 중력렌즈 현상을 이용해서 만들어졌다. 중력렌즈 현상이란 천체의 중력이 빛의 경로를 휘어지게 하는 렌즈의 역할을 하는 현상으로, 중력이 클수록 이 현상은 더욱 크게 나타난다. 그런데 우주에는 암흑물질보다 더 섬뜩한 존재가 모습을 드러냈다. 암흑물질의 중력보다 더 막강한 중력을 휘두르고 있는 존재로, 바로 암흑 에너지란 존재가 우주를 지배하는 척력(반중력)이란 사실이 밝혀졌다. 이 암흑 에너지로 인해 우리 우주가 가속팽창을 하고 있다는 사실이 얼마 전 밝혀졌다. 이 놀라운 발견을 한 과학자들은 2011년 노벨 물리학상을 받았다. 노벨 물리학상 공동 수상자인 브라이언 슈미트 호주 국립대 교수는 앞으로 1000억 년 후에는 지구가 속한 은하수를 제외한 우주의 모든 은하계가 사라져 버리고 인류는 결국 텅 빈 우주를 보게 될 것이며, 암흑 에너지가 갑자기 사라지지 않는다면 우주는 갈수록 빠른 속도로 팽창을 계속한 끝에 결국 없어질 것이라고 전망했다. 참고로, 우주 구성물질의 비중을 보면, 암흑 에너지가 74%로 압도적인 비중을 차지하고, 그 다음이 암흑물질이 22%를 차지한다. 이 둘만 합해도 무려 96%다. 가시 물질이 나머지 4%인데, 그중 3.6%는 은하들 사이에 산재하는 가스이고, 관측 가능한 우주의 모든 것, 즉 모든 은하들과 그 안에 있는 모든 별들이 우주 '파이'에서 차지하는 양은 고작 0.4%에 지나지 않는다. 우리 눈에는 보이지도 않는 암흑물질과 암흑 에너지가 결국 우주의 운명을 쥐고 있는 셈이다. 이처럼 우리가 사는 우주는 갈수록 유령의 동네를 닮아가고 있는 것 같다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

1927년 호기심에 가득 찬 25세의 청년은 당시 이미 유명한 아인슈타인의 상대성 이론에 많은 흥미를 느끼고 있었다. 또 이 청년은 당시 막 떠오르기 시작한 양자역학에도 관심이 컸다. 미시의 세계에 대한 새로운 이론을 향한 호기심이었다. 그는 어느 날 매우 단순한 질문을 한다. “두 이론을 함께 적용하면 어떤 일이 있을까?” 그는 몇 달 동안 이 문제를 고민하다가 매우 간단한 방정식을 발견한다. 1928년 초 청년 디랙은 이와 관련한 논문을 발표한다. 디랙 방정식은 전자의 상대론적, 양자론적 성질을 보여 주는 것이었다. 이 방정식에서 새로운 또 한 가지 사실이 도출됐다. 전자와는 전하가 반대이고 이제까지 발견된 적이 없는 새로운 반물질의 존재였다. 이듬해 양전자라 불리는 이 입자는 실제로 발견됐고, 1933년 31세 청년은 노벨물리학상을 받았다. 이 낭만적 과학사에 대해서는 이미 알고 있는 사람도 있을 것이다. 이렇듯 과학에서 창의적 발전 방향에 대해서는 주위에서 예측할 수 없고 연구 성과의 경제적 효용 가치에 대해 연구자 스스로도 알 수 없다. 탄생 90여년이 지난 지금 양자역학은 전 세계 국내총생산(GDP)의 20%에 해당하는 산업을 만들어 냈다. 또 양전자는 암, 심장질환, 뇌질환 진단에 많이 쓰이는 양전자 단층촬영 장치에 응용되고 있다. 창의성 있는 젊은이가 마음껏 자신의 호기심을 추구했을 때 간혹 이런 엄청난 파급효과가 따라올 수 있다.그럼 이런 연구는 어떻게 가능했을까? 사회와 정부는 어떻게 과학을 지원해야 할 것인가? 해답은 비교적 간단한 데 있다. 1919년 노벨물리학상 수상자인 막스 플랑크는 ‘빛의 존재’라는 책에서 “지식이 응용을 선행해야 한다”고 강조했다. 그의 이런 철학은 독일의 최고 연구기관인 막스플랑크연구소의 설립 취지에 분명히 각인돼 있고 덕분에 2차 세계대전 후 거의 20건의 노벨상을 배출할 수 있었다. 아인슈타인을 비롯한 세계 최고 석학들이 거쳐 간 미국의 최고 연구기관인 ‘프린스턴 고등연구소’ 초대 소장을 지낸 에이브러햄 플렉스너는 1939년 ‘쓸데없는 지식의 유용성’이란 글에서 방향을 잃은 듯해 보이지만 거기서 나오는 탐구들이 가장 중요한 연구 결과들을 가져다주고 있음을 강조하면서 효용성을 따져 연구비를 배분하는 것에 대해 강하게 반대했다. 인간의 영혼을 자유롭게 하는 것이야말로 가장 중요하다는 것이다. 이런 논조는 21세기에도 유효하다. 윌리엄 프레스는 2013년 ‘사이언스’에 기고한 ‘과학이 뭐가 그리 특별한가?’라는 글에서 호기심에 기반을 둔 기초과학 연구가 대중의 이익을 위해서도 가장 효과적인 투자라고 주장했다. 우리나라는 어떤가. 창의적 인재들의 호기심에 기반한 기초과학은 국가와 사회에서 지원이 필수적이다. 자체적으로 재원을 마련할 방법이 없기 때문이다. 프린스턴 고등연구소의 경우 백화점 사업으로 크게 돈을 번 기업가 뱀버거가 사재로 만든 연구소다. 그의 이름은 인류에 기여한 공로로 역사에 기록되고 있다. 반면 한국에서는 이런 기업인을 찾기 어렵다. 자신과 가족의 이윤을 위해 불법도 불사하는 기업인이 더 많다. 보다 공적이어야 하는 정부는 아직도 과학을 기술과 묶어 동류로 여기면서 헌법 127조 1항에 ‘국가는 과학기술의 혁신과 정보 및 인력의 개발을 통하여 국민경제의 발전에 노력하여야 한다’고 하는 말처럼 경제 발전의 도구쯤으로 여기고 있다. 과학에 대한 근본적인 시각을 완전히 바꾸고 영혼이 자유로운 창의적 인재들이 마음껏 연구할 수 있는 국가적 인프라를 조속히 구축해야 한다. ‘왜 그럴까’ 하는 질문의 불씨가 계속 타오를 수 있도록 하기 위해서는 과학이 무엇인지 무엇을 추구하는지를 제대로 알 필요가 있다. 새로운 연구 주제로 연구비 지원을 신청하면 사전 연구가 없고 국제 동향과 동떨어져 있다고 거부하는 낮은 수준의 연구 지원 방식은 사라져야 한다.

영화 ‘스타트렉’의 세계에서는 ‘워프 항법’(워프 드라이브)라는 유명한 기술로 먼 은하까지도 손쉽게 여행할 수 있다. 즉 이 기술만 있으면, 우리 인류는 다른 항성계의 문명과 수백 년이 아닌 단 며칠 만에 접촉할 수 있는 것이다. 하지만 현실 세계에서는 그렇게까지 빠르게 이동할 수 없다. 왜냐하면 우주의 구조를 설명하는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서는 빛의 속도보다 빠르게 이동하는 것은 존재하지 않기 때문이다. 즉 현재의 로켓 추진 시스템은 이 법칙에 묶여 있는 것이다. 하지만 수많은 기술자와 물리학자들은 ‘스타트렉’ 속 우주 이동에 조금이라도 다가가기 위한 개념을 세우기 위해 야심 차게 노력하고 있다. “현재 가장 진보한 성간 여행(interstellar travel)에 관한 아이디어조차도 가장 가까운 항성까지 이동하는 데 수십 년에서 수백 년이 걸린다. 이는 아인슈타인의 특수 상대성 이론은 물론 초고속으로 이동하는 데 필요한 기술의 부족이 벽이 되는 것”이라고 성간 비행을 위한 대책 마련을 전문으로 하는 비영리단체 ‘이카루스 인터스텔라’의 창립자 리처드 오부시는 말했다. 또한 그는 “빛의 속도보다 빨리 이동할 수 있는 우주선을 만들 수 있다면 은하 탐사는 물론 인류 이주를 가능하게 할 것”이라고 설명했다. • 원자력 엔진과 레이저 추진 우주는 너무나 광대하므로, 천문학자들은 일반적으로 빛이 1년간 진행하는 거리를 뜻하는 ‘광년’으로 거리를 표현한다. 1광년은 약 9조4541억㎞에 해당한다. 현재 태양계에 가장 가까운 별은 4.23광년 떨어진 ‘센타우루스자리 프록시마’로 알려졌다. 즉, 광속으로 이동하더라도 편도만 4.23년이 걸리는 셈. 매우 느리게 느껴질 수도 있지만, 그래도 광속의 꿈이 이뤄진다면 현대 기술보다는 엄청난 발전이라고 할 수 있는 것이다. 지금까지 지구에서 발사된 가장 빠른 우주선은 보이저 1호로, 시속 약 6만 2120㎞로 비행하고 있다. 이 속도라면 센타우루스자리 프록시마 별까지 7만 년 이상이 걸린다. 과거에도 여러 연구팀은 적어도 광속의 일부 속도에 도달하는 법과 우리가 성간 공간을 탐사하는 것을 앞당길 방법을 제안해왔다. 1950년대, 미국의 방위업체 ‘제너럴 아토믹스’(General Atomics)의 연구자들은 ‘오리온 계획’(Project Orion)을 고안했다. 이는 우주선이 근본적으로 핵폭탄의 힘으로 움직이는 것이다. 연속 핵폭발을 제어함으로써 우주선을 빠르게 추진해 수백 톤의 화물과 8명의 우주 비행사를 화성과 태양계 밖으로 빠르게 나른다는 내용이었다. 또한 이 기술을 성간 여행에 적응하는 방법을 나타낸 청사진도 만들어졌지만, 핵 펄스 추진(nuclear-pulse propulsion)라고 명명된 이 방법은 1963년 핵실험 금지 조약으로 그때까지 행해진 모든 실험이 취소됐다. 그런데 지난 4월, ‘브레이크스루 스타샷’(Breakthrough Starshot)이라는 프로젝트가 발표돼 세간의 관심을 끌었다. 이는 비교적 폭발이 적은 방법을 사용해 성간 비행을 실현하는 노력이다. 이론 물리학자 스티븐 호킹과 일론 머스크 등 억만장자들이 운영하고 있는 이 프로젝트는 4.3광년 떨어진 삼중성계 ‘센타우루스자리 알파’(Alpha Centauri) 별로 우표 크기의 우주선단을 보내는 것을 목표로 하고 있다. 이들이 꿈꾸는 작은 우주선에는 얇고 가벼운 돛이 장착된다. 여기에 지구 궤도에서 레이저를 비춰 추진시키는 기술을 사용해 우주 비행을 실현하는 것이다. 또한 이 기술이 적용된 우주선은 레이저의 힘이 더해져 광속의 20%까지 가속할 수 있다고 한다. 20년 정도면 목적지까지 도착할 수 있는 것이다. 물론 이 작은 우주선단이 대부분은 센타우루스자리 알파 별에 도달할 수 없을지도 모른다. 하지만 일부라도 살아남는다면 저 멀리 있는 삼중별의 궤도를 도는 행성 주위로 날아가 미지의 데이터를 보내올 것이다. 이에 대해 리처드 오부시는 “성간 비행 분야를 단번에 추진할 생각으로 민간 자본이 사용된다는 점은 어쨌든 흥미로운 것이다. 앞으로도 이런 일이 계속되면 좋을 것이다. 브레이크스루 스타샷에는 공학적인 과제가 여럿 존재하지만, 어느 것 하나도 극복할 수 없다고는 생각하지 않는다”고 말했다. • 초광속을 가능하게 하는 이론도 물론 진정한 돌파구는 워프 항법이 실현되는 것이다. 하지만 여기에는 이론적인 설계와 이를 유지할 기술이 필요하다. 지난 1994년, 멕시코의 이론 물리학자 미구엘 알쿠비에르는 ‘스타트렉’ 팬들에게 희망의 메시지를 전달했다. 그는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 어긋나지 않는 급진적인 ‘초광속 우주선 추진설’(theory of hyper-fast space propulsion)을 제창한 것이다. ‘우주선 자체를 광속까지 가속하는 대신, 우주선 주변의 시공간 구조를 왜곡해 버리면 되지 않을까?’라는 생각으로, 알쿠비에르는 시공간에 거품을 만드는 계산을 제시했다. 이 거품은 그 후방이 확대해 전방으로 수축하는 것으로 추진한다. 이 이론에 따르면 우주선은 거품을 따라 옮겨져 광속의 10배 이상 속도까지 올릴 수 있다. 이는 이론적으로는 간단하지만, 실현하려면 반물질 등 아직 밝혀지지 않은 물체를 이용해야 한다. 앞서서 해결해야할 만만치 않은 난제가 존재하는 셈이다. 또 워프를 위한 거품을 만들어 조종하기 위해서는 아직 해결되지 않은 문제가 많이 있다고 오부시는 말했다. 이에 대해 그는 “이 중 한 가지 문제는 인과관계의 단절이라는 아이디어로, 예를 들어 거품 안에 있는 어떤 우주선이 거품 밖으로 ‘통신’할 수 없다는 점에서 우주선이 일단 거품 안으로 들어가면 거품을 없앨 수 없다는 것”이라고 지적했다. 우주여행 분야에서는 흔히 있는 일이지만, ‘스타 트렉’에서 우리가 봤던 것처럼 성간 여행을 하기 위한 개발에는 비용과 에너지의 측면에서 커다란 변화를 요구한다. 그는 “현재, 유인 성간 여행의 개념을 실현하는 데 필요한 에너지와 자금은 세계적인 지출이 되고 있다”면서 “구체적으로는 매년 여러 선진국에서 10조 달러가 넘는 돈을 들이고 있는 것”이라고 말했다. 그런데도 그는 “15세기에 아무리 뛰어난 생각이라도 21세기의 기술 우수성을 예상할 수 없었을 것”이라면서 “이와 마찬가지로 우리는 향후 27세기의 인류가 어떤 기술을 갖고 있을지 알 수 없는 것”이라고 덧붙였다. 사진=ⓒ memory-alpha.wikia(위), NASA/ESA 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

영화 ‘스타트렉’의 세계에서는 ‘워프 항법’(워프 드라이브)라는 유명한 기술로 먼 은하까지도 손쉽게 여행할 수 있다. 즉 이 기술만 있으면, 우리 인류는 다른 항성계의 문명과 수백 년이 아닌 단 며칠 만에 접촉할 수 있는 것이다. 하지만 현실 세계에서는 그렇게까지 빠르게 이동할 수 없다. 왜냐하면 우주의 구조를 설명하는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서는 빛의 속도보다 빠르게 이동하는 것은 존재하지 않기 때문이다. 즉 현재의 로켓 추진 시스템은 이 법칙에 묶여 있는 것이다. 하지만 수많은 기술자와 물리학자들은 ‘스타트렉’ 속 우주 이동에 조금이라도 다가가기 위한 개념을 세우기 위해 야심 차게 노력하고 있다. “현재 가장 진보한 성간 여행(interstellar travel)에 관한 아이디어조차도 가장 가까운 항성까지 이동하는 데 수십 년에서 수백 년이 걸린다. 이는 아인슈타인의 특수 상대성 이론은 물론 초고속으로 이동하는 데 필요한 기술의 부족이 벽이 되는 것”이라고 성간 비행을 위한 대책 마련을 전문으로 하는 비영리단체 ‘이카루스 인터스텔라’의 창립자 리처드 오부시는 말했다. 또한 그는 “빛의 속도보다 빨리 이동할 수 있는 우주선을 만들 수 있다면 은하 탐사는 물론 인류 이주를 가능하게 할 것”이라고 설명했다. • 원자력 엔진과 레이저 추진 우주는 너무나 광대하므로, 천문학자들은 일반적으로 빛이 1년간 진행하는 거리를 뜻하는 ‘광년’으로 거리를 표현한다. 1광년은 약 9조4541억㎞에 해당한다. 현재 태양계에 가장 가까운 별은 4.23광년 떨어진 ‘센타우루스자리 프록시마’로 알려졌다. 즉, 광속으로 이동하더라도 편도만 4.23년이 걸리는 셈. 매우 느리게 느껴질 수도 있지만, 그래도 광속의 꿈이 이뤄진다면 현대 기술보다는 엄청난 발전이라고 할 수 있는 것이다. 지금까지 지구에서 발사된 가장 빠른 우주선은 보이저 1호로, 시속 약 6만 2120㎞로 비행하고 있다. 이 속도라면 센타우루스자리 프록시마 별까지 7만 년 이상이 걸린다. 과거에도 여러 연구팀은 적어도 광속의 일부 속도에 도달하는 법과 우리가 성간 공간을 탐사하는 것을 앞당길 방법을 제안해왔다. 1950년대, 미국의 방위업체 ‘제너럴 아토믹스’(General Atomics)의 연구자들은 ‘오리온 계획’(Project Orion)을 고안했다. 이는 우주선이 근본적으로 핵폭탄의 힘으로 움직이는 것이다. 연속 핵폭발을 제어함으로써 우주선을 빠르게 추진해 수백 톤의 화물과 8명의 우주 비행사를 화성과 태양계 밖으로 빠르게 나른다는 내용이었다. 또한 이 기술을 성간 여행에 적응하는 방법을 나타낸 청사진도 만들어졌지만, 핵 펄스 추진(nuclear-pulse propulsion)라고 명명된 이 방법은 1963년 핵실험 금지 조약으로 그때까지 행해진 모든 실험이 취소됐다. 그런데 지난 4월, ‘브레이크스루 스타샷’(Breakthrough Starshot)이라는 프로젝트가 발표돼 세간의 관심을 끌었다. 이는 비교적 폭발이 적은 방법을 사용해 성간 비행을 실현하는 노력이다. 이론 물리학자 스티븐 호킹과 일론 머스크 등 억만장자들이 운영하고 있는 이 프로젝트는 4.3광년 떨어진 삼중성계 ‘센타우루스자리 알파’(Alpha Centauri) 별로 우표 크기의 우주선단을 보내는 것을 목표로 하고 있다. 이들이 꿈꾸는 작은 우주선에는 얇고 가벼운 돛이 장착된다. 여기에 지구 궤도에서 레이저를 비춰 추진시키는 기술을 사용해 우주 비행을 실현하는 것이다. 또한 이 기술이 적용된 우주선은 레이저의 힘이 더해져 광속의 20%까지 가속할 수 있다고 한다. 20년 정도면 목적지까지 도착할 수 있는 것이다. 물론 이 작은 우주선단이 대부분은 센타우루스자리 알파 별에 도달할 수 없을지도 모른다. 하지만 일부라도 살아남는다면 저 멀리 있는 삼중별의 궤도를 도는 행성 주위로 날아가 미지의 데이터를 보내올 것이다. 이에 대해 리처드 오부시는 “성간 비행 분야를 단번에 추진할 생각으로 민간 자본이 사용된다는 점은 어쨌든 흥미로운 것이다. 앞으로도 이런 일이 계속되면 좋을 것이다. 브레이크스루 스타샷에는 공학적인 과제가 여럿 존재하지만, 어느 것 하나도 극복할 수 없다고는 생각하지 않는다”고 말했다. • 초광속을 가능하게 하는 이론도 물론 진정한 돌파구는 워프 항법이 실현되는 것이다. 하지만 여기에는 이론적인 설계와 이를 유지할 기술이 필요하다. 지난 1994년, 멕시코의 이론 물리학자 미구엘 알쿠비에르는 ‘스타트렉’ 팬들에게 희망의 메시지를 전달했다. 그는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 어긋나지 않는 급진적인 ‘초광속 우주선 추진설’(theory of hyper-fast space propulsion)을 제창한 것이다. ‘우주선 자체를 광속까지 가속하는 대신, 우주선 주변의 시공간 구조를 왜곡해 버리면 되지 않을까?’라는 생각으로, 알쿠비에르는 시공간에 거품을 만드는 계산을 제시했다. 이 거품은 그 후방이 확대해 전방으로 수축하는 것으로 추진한다. 이 이론에 따르면 우주선은 거품을 따라 옮겨져 광속의 10배 이상 속도까지 올릴 수 있다. 이는 이론적으로는 간단하지만, 실현하려면 반물질 등 아직 밝혀지지 않은 물체를 이용해야 한다. 앞서서 해결해야할 만만치 않은 난제가 존재하는 셈이다. 또 워프를 위한 거품을 만들어 조종하기 위해서는 아직 해결되지 않은 문제가 많이 있다고 오부시는 말했다. 이에 대해 그는 “이 중 한 가지 문제는 인과관계의 단절이라는 아이디어로, 예를 들어 거품 안에 있는 어떤 우주선이 거품 밖으로 ‘통신’할 수 없다는 점에서 우주선이 일단 거품 안으로 들어가면 거품을 없앨 수 없다는 것”이라고 지적했다. 우주여행 분야에서는 흔히 있는 일이지만, ‘스타 트렉’에서 우리가 봤던 것처럼 성간 여행을 하기 위한 개발에는 비용과 에너지의 측면에서 커다란 변화를 요구한다. 그는 “현재, 유인 성간 여행의 개념을 실현하는 데 필요한 에너지와 자금은 세계적인 지출이 되고 있다”면서 “구체적으로는 매년 여러 선진국에서 10조 달러가 넘는 돈을 들이고 있는 것”이라고 말했다. 그런데도 그는 “15세기에 아무리 뛰어난 생각이라도 21세기의 기술 우수성을 예상할 수 없었을 것”이라면서 “이와 마찬가지로 우리는 향후 27세기의 인류가 어떤 기술을 갖고 있을지 알 수 없는 것”이라고 덧붙였다. 사진=ⓒ memory-alpha.wikia(위), NASA/ESA 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

블랙홀은 한마디로 우주의 괴물이다. 은하계를 어슬렁거리고 돌아다니면서 주위에 있는 모든 물질들을 게걸스럽게 집어삼킨다. 그들이 하는 짓을 보면 블랙홀이란 이름에 값한다. 만약 당신이 블랙홀의 사건 지평선 안으로 미끌어진다면, 결코 다시는 바깥으로 나올 수가 없다. 거기서는 빛조차 탈출할 수 없기 때문이다. 하지만 영화에서는 무시무시한 블랙홀이 약점을 보이기도 한다. 은하계의 괴물 블랙홀도 취약점을 갖고 있다는 말이다. 1970년대에 이론물리학자인 스티븐 호킹이 중력과 양자역학이 만나는 지점의 복잡한 수학 속에 숨겨진 놀라운 사실을 발견했다. 블랙홀도 빛을 방출하며, 오랜 시간이 지나면 증발해 사라진다는 것이다. 이것은 정말 놀라운 사실이 아닐 수 없다. 천하무적 블랙홀도 죽을 수 있다는 말이니 말이다. 과연 블랙홀은 어떻게 죽는가? 호킹이 내놓은 해답은 이른바 '호킹 복사'라는 것이다. 호킹 복사란 대체 뭘까? 블랙홀도 이길 수 없는 막강한 상대인가? 일반 상대성 이론은 아주 복잡한 수학적 이론이다. 양자역학 역시 마찬가지다. 복잡한 수학과 호킹 복사 간에는 만족스럽지 못한 문제점이 약간 존재한다. 그에 대한 표준적인 설명은 다음과 같다. 먼저 '가상 입자'에 대해 알아보자. 이 가상 입자는 실제도 아니고 입자도 아니다. 입자와 힘에 관한 현대적 개념인 양자장 이론에 따르면, 어떤 종류의 입자이든 시공간에 가득한 양자장의 영향 속에 있다고 한다. 아무것도 없는 진공이라 하더라도 양자장이 가득 차 있으며, 양자 요동으로 끊임없이 가상 입자들의 쌍생성과 쌍소멸이 일어나는 역동적인 공간인 것이다. 우주의 진공은 이러한 가상입자로 가득 차 있다. 양자요동으로 인해 한 쌍의 입자들이 진공에서 에너지를 얻어 태어나는가 하면 극히 짧은 시간 동안 존재하다가 서로 충돌하여 쌍소멸한다. 진공은 이러한 가상 입자들의 탄생과 소멸로 들끓고 있는 것이다. 때로는 블랙홀의 사건 지평선 근처에서 입자와 반입자의 쌍생성이 일어난다. 그 때 발생한 두 입자 중 반입자가 블랙홀의 사건 지평선을 향해 떨어지고, 입자는 외부로 방출된다. 블랙홀로 떨어진 반입자는 블랙홀 내부의 입자와 충돌하여 쌍소멸하여, 에너지를 방출하며 질량이 감소하게 된다. 이때 블랙홀 밖으로 방출된 입자는 일반물질의 입자로서 소멸을 피하게 되는데, 이 방사선이 바로 호킹 복사다. 시간 앞에 영원한 것은 없다 호킹 복사가 일어날 경우 이 과정에서 블랙홀이 질량을 잃게 되므로, 흡수하는 질량보다 잃는 질량이 많은 블랙홀은 점점 줄어들다가 결국 증발되어 사라질 것으로 예상된다. 이론에 따르면, 블랙홀은 작으면 작을수록 더 많은 열복사를 방출하는 것으로 알려져 있다. 블랙홀도 이렇게 빛을 방출하는 것으로 보인다. 그래서 가상입자 쌍을 분리해 그중 하나를 일반입자로 변화시킴으로써 ​자신의 질량을 서서히 잃어간다. 물론 이런 복사로 블랙홀 하나가 완전히 증발하는 데는 거의 영겁에 가까운 시간이 흘러야 할 것이다. 그래도 어쨌든 불랙홀도 불사는 아니란 사실이 중요하다. 블랙혹도 결국엔 죽는다. 그래서 호킹은 '블랙홀도 그다지 검지는 않다'고 말했다. 어쨌든 이런 식으로 블랙홀도 해체될 수 있다는 것이 현재까지의 연구 결과다. 그러나 해체되기까지는 엄청난 시간이 걸린다. 태양 질량만한 블랙홀이 완전히 증발하는 데는 무려 10^67(10의 67승)년이 걸린다. 우리 우주의 나이는 고작 10^10(10의 10승, 100억)년 남짓 정도임을 비추어볼 때, 이렇게 어마어마하게 긴 시간 동안을 버틸 수 있는 물질이 현실세계에 존재한다는 것이 참으로 신기한 일이다. 만약 에펠탑을 블랙홀 방식대로 증발시킬 수 있다면 단 하루 만에 사라지고 말 것이다. 이것이 인간세상과 우주의 차이라고 이해해야 할까? 어쨌든 블랙홀도 죽음을 피할 수는 없다. 시간 앞에 영원한 것은 없다. 블랙홀의 증발 정도는 그 질량이 작을수록 빨라진다. 처음에는 천천히 증발하다가 오랜 시간이 지나면 질량이 감소하는 정도가 심해지고 증발 속도는 점차 빨라진다. 그러다가 이윽고 소멸 단계에 이르면 거의 폭발하다시피 격렬한 증발로 소멸할 것으로 예측되고 있다. 하지만 그것을 볼 수 있는 사람은 결코 없을 것이다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

지난 8월 영국 런던 퀸메리대학 등 국제천문학 연구팀은 지금까지 발견된 외계행성 중 최단거리에 있는 ‘프록시마 b’(Proxima)를 발견했다는 연구결과를 발표해 화제를 모았다. 특히 이 행성은 지구와 닮은 꼴로, 얼마 전 프랑스국립과학연구소(CNRS)는 한술 더 떠 거대한 바다가 존재할 가능성이 높다며 외계 생명체 존재 가능성까지 제기했다. 그러나 문제는 지구와 프록시마 b간의 인터스텔라(Interstellar·항성 간)다. 최단거리에 있다고는 하지만 우리 태양으로부터 거리는 무려 4.24광년(약 40조 1104㎞). 우주적인 관점에서는 프록시마 b가 '지척'에 있지만 현재 인류의 우주선을 타고 간다면 8만 년은 가야할 판이다. 최근 미국 에이치바 테크놀로지스(Hbar Technologies)가 반물질 엔진을 장착한 우주선 개발 모금에 나서 눈길을 끌고 있다. 지난 2002년 미 항공우주국(NASA)의 후원으로 창업한 이 회사는 최대의 속도를 내는 엔진을 장착한 우주선을 연구하고 있다. 공동창업자인 물리학자 제럴드 잭슨 박사와 스티븐 하우 박사가 연구 중인 이 우주선의 핵심은 '반물질(antimatter) 엔진'이다. 반물질 엔진은 물질과 반물질 원자를 접촉해 소멸할 때 방출되는 막대한 양의 에너지를 이용하는 것으로 우라늄을 그 연료로 사용한다. 구상대로 반물질 엔진이 실제로 제작되면 우주선은 초속 1만 3800km로 날아갈 수 있다. 이 정도면 꿈의 속도인 광속(초속 31만km)의 5% 수준. 그러나 이 반물질 엔진을 달아도 프록시마 b까지 가는데 걸리는 시간은 무려 84년이다. 미래의 언젠가는 항성과 항성을 넘나드는 인터스텔라 여행이 현실이 되겠지만 지금으로서는 인류의 힘으로 넘을 수 없는 벽인 셈. 특히나 그 거리만큼이나 넘기 힘든 것은 돈이다. 두 박사의 프로젝트 역시 아직까지는 아이디어일 뿐 실제 개발에 도전하기 위해서는 1억 달러 이상의 막대한 돈이 들어가기 때문이다. 잭슨 박사는 "우리 아이디어를 현실화 하기 위해 크라우드펀딩 사이트인 킥스타터를 통해 자금 마련을 시작했다"면서 "충분한 돈이 있어도 10년 내에는 개발이 불가능하지만 언젠가는 이루어야 할 숙제"라고 밝혔다. 　 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

　빅뱅(우주 대폭발) 이론을 뒷받침한 공을 인정받아 1980년 노벨물리학상을 공동 수상한 제임스 크로닌 미 시카고대 명예교수가 84세의 일기로 별세했다고 워싱턴포스트(WP)가 28일(현지시간) 보도했다. 　WP는 시카고대학의 발표를 인용해 크로닌이 지난 25일 미네소타 주 세인트폴에서 숨졌다고 전했다. 정확한 사인은 알려지지 않았다. 　크로닌은 고(故) 밸 피치 미국 프린스턴대학 명예교수와 함께 한 ‘K-중간자’ 연구에서 물질과 반(反)물질의 대칭성 깨짐 현상을 처음 발견했다. 　이들 이론은 초기 우주에서 물질과 반물질이 상호 파괴를 피함으로써 별과 은하수, 생명의 진화가 가능했음을 보여주는 데 도움을 줬다. 　크로닌과 피치는 자연의 대칭성 법칙에 예외가 있음을 발견한 공로로 1980년 노벨물리학상을 공동 수상했다. 1931년 9월 29일 시카고에서 태어난 크로닌은 1951년 서던메소디스트 대학에서 물리학과 수학을 전공했다. 　이후 시카고대학에 진학한 크로닌은 노벨물리학상(1969년)을 받은 머레이 겔만 교수를 만나 입자물리학에 관심이 높아졌다. 　박사 학위를 받은 크로닌은 뉴욕주 롱아일랜드에 있는 브룩헤이븐 연구소에 들어갔다. 여기서 피치를 만났다. 　노벨물리학상의 영예를 안겨준 실험은 1964년 브룩헤이븐 연구소에서 이뤄졌다. 　한편 피치는 지난해 2월 5일 미국 뉴저지주 자택에서 91세의 나이를 끝으로 숨졌다. 　류지영 기자 superryu@seoul.co.kr

사람이 만든 운송 수단의 최고 속도는 얼마나 될까. 지금까지 최고 기록은 아폴로 10호가 보유하고 있다. 달에서 지구로 귀환할 당시 기록한 시속 3만9897km다. 이는 엄청나게 빠른 것처럼 보이지만 우주 여행을 실현하고자 한다면 그리 대단한 속도는 아니다. 이 속도로 가장 가까운 항성계에 가려면 지구에서 16만 5000년 정도가 걸리는 것으로 계산된다. 즉 현재 기술로는 우주여행이 불가능하다는 것이다. 그런데 미국 에이치바 테크놀로지스(Hbar Technologies)의 공동 창업자이자 물리학자인 제럴드 잭슨 박사와 스티븐 하우 박사는 이 문제를 해결할 방법이 있다고 말하고 있다. 두 박사가 최근 포브스에 밝힌 바에 따르면, 그 해결책은 ‘반물질 엔진’이다. 이 엔진만 만들 수 있다면 지구에서 가장 가까운 항성계에 도달하는 시간을 약 10년으로 단축할 수 있다. 하지만 이를 위해 필요한 것은 기술 개발을 위해 필요한 20~30년 정도 분의 막대한 자금이라고 한다. 따라서 두 과학자는 최근 크라우드펀딩 사이트인 킥스타터를 통해 20만 달러(약 2억 3000만원)에 달하는 초기 자금을 마련하는 캠페인을 시작했다. 두 박사가 구상하고 있는 반물질 엔진은 물질과 반물질 원자를 접촉해 소멸할 때 방출되는 막대한 양의 에너지를 이용하는 것이다. 그에 따르면, 우주선에 탑재될 반물질 엔진은 우라늄의 핵분열 반응을 일으키는 기폭제로서 반물질이 사용된다. 일단 반응이 시작되면 그로부터 두 입자(또는 핵종)가 생성돼 각각 반대 방향으로 이동한다. 공개된 이미지처럼 한 입자는 뱃머리쪽으로, 다른 한 입자는 선미를 향해 움직이는 것이다. 이때 선미를 향하는 핵종의 에너지는 기존의 추진 장치처럼 작용해 추진력을 만들어낸다. 반면 뱃머리로 향하는 에너지는 앞으로 설치될 탄소 소재의 특수 돛을 밀어내는 것이다. 두 핵종의 운동 에너지를 결합함으로써 얻을 수 있는 추진력은 빛의 속도의 약 40%까지 도달할 수 있다고 한다. 이같은 추진력이 과연 유효한 것인지를 확인하려면 20만 달러가 필요하다고 두 박사는 설명하고 있다. 이들은 마련한 자금으로 엔진의 이론적인 가능성을 검증하고 미국항공우주국(NASA)을 비롯해 프로토타입(원형) 제작에 자금을 투자할 파트너를 설득할 계획이라고 한다. 두 박사의 계산으로는 이 원형의 제작에 적어도 1억 달러(약 1160억원)의 비용이 들어간다. 이뿐만 아니라 실제로 시제품을 제작하는 단계까지 도달하기 위해서는 해결해야 할 문제도 여전히 많다. 우선, 연료가 있는 데 반물질 엔진에 필요한 연료는 화학연료 엔진이나 핵 엔진에 필요한 것보다 극히 드문 것이다. 태양계에 가장 가까운 항성으로 여행하는 데 필요한 연료는 ‘반수소’인 경우 약 17g이라고 한다. 하지만 현재의 기술로는 반물질 자체를 만드는 데 엄청난 비용이 소요된다. 참고로 반물질 1g을 만드는 데 약 1000억 달러(약 116조원)가 들어가는 것으로 추산된다. 또한 반물질의 저장 자체가 현재 기술로는 불가능하다. 보통의 물질과 접촉하면 즉시 소멸할 정도로 불안정한 것이다. 게다가 극히 미세한 양이었다고 해도 사고가 발생하면 그 결과는 비극적인 일이 될 것이다. 1g의 반물질은 원자 폭탄과 같은 파괴력을 만들어낼 수 있다. 하지만 두 과학자는 반물질 엔진이 안고 있는 이런 장단점 모두를 고려할 수 있다고 확신하고 있다. 충분한 자금을 투입할 수만 있다면 반물질 엔진은 20~30년 안에 빛을 보게 될 것이라고 이들은 말하고 있다. 만일 그렇게 되면 꿈에 그리던 진정한 반물질 엔진을 우주선에 탑재할 수 있을 것이다. 그리고 그보다 미래에는 반물질 엔진을 탑재한 우주선을 우주에서 조립하는 것이다. 이를 위해서는 수십억 달러가 필요할 것으로 두 박사는 예상한다. 하지만 이를 통해 꿈에 그리던 우주여행이 현실화되는 것은 물론 새로운 항성계를 탐험하는 길이 열리게 될지도 모른다. 사진=에이치바 테크놀로지스 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

수억 년 전 모습을 그대로 간직해 ‘살아있는 화석’으로도 불리는 투구게는 흡사 외계생물을 연상시키는 독특한 외모로 대중에 잘 알려져 있다. 그러나 이들이 백신 등 의약품 개발에 반드시 필요한 중요 자산이라는 사실을 아는 사람은 많지 않다. 동물 전문 매체 도도 등 외신은 지난달 30일(현지시간) 거대 제약회사들에게 포획돼 강제 채혈을 당하고 있는 투구게들의 실상을 소개했다. 투구게는 약 4억 4000만 년 전부터 지구에 존재했으며, 약 2억 년 전부터는 모습을 거의 변화시키지 않은 채 현재의 형태를 유지해 왔다. 현재 매년 50만 마리의 투구게들이 제약회사 연구실에 포획돼 24~72 시간에 걸쳐 30%의 혈액을 빼앗기고 있다. 채혈이 끝나면 이들을 다시 자연으로 돌려보내지만 약 10%의 투구게는 채혈과정 중에 사망하고 있다고 도도는 전했다. 설령 투구게들이 사망하지 않더라도 여전히 문제는 남아있다. 투구게는 본래 깊은 해저에 살기 때문에 짝짓기를 위해 얕은 바다로 올라온 시점에 맞춰 포획된다. 그런데 채혈을 당한 이후의 투구게 암컷들은 짝짓기 확률이 낮아져 종족 보존에 악영향을 미치게 된다는 것. 이 때문에 투구게의 개체수는 실제로 점점 줄어들고 있다. 세계자연보전연맹(IUCN)에서 발표하는 멸종 위험 야생생물 명단인 ‘레드리스트’에 따르면 투구게는 현재 ‘위기 근접종’(near-threatened)에 해당한다. 투구게 수 감소는 생태계 전반적으로도 위협이 된다. 본래 투구게 암컷은 많은 양의 알을 낳으며, 여러 해양생물들이 이 알을 먹이로 삼는다. 그런데 투구게 개체수가 감소하자 그 알을 먹던 해양조류들의 개체수가 덩달아 감소하는 현상이 관찰되고 있다. 그렇다면 제약회사들이 그토록 원하는 투구게 혈액에는 어떤 특성이 있을까? 우선 투구게 혈액은 다른 대부분의 동물과 달리 파란 색을 띤다. 보통 혈액이 빨간색인 이유는 혈액 속 산소운반물질 ‘헤모글로빈’에 포함된 철 성분이 산소와 만나 빨갛게 변하기 때문이다. 하지만 투구게 혈액 속에는 헤모글로빈 대신 ‘헤모시아닌’이 들어있으며 헤모시아닌은 구리를 기반으로 한다. 구리가 공기와 만날 경우 푸른색이 되기 때문에 투구게의 피는 파란 색으로 보이게 되는 것이다. 그러나 투구게 혈액의 진짜 중요한 특성은 박테리아에 노출될 경우 해당 부분의 혈액이 응고해 버린다는 점이다. 이는 현대 생물의 면역체계에서는 찾아볼 수 없는 고유의 질병 방어수단이다. 과학자들은 이런 투구게 혈액의 특성을 이용해 대상물질 속의 세균성 독소 존재 유무를 판단해내는 ‘LAL’(Limulus amebocyte lysate) 검사법을 고안해냈고, 제약사들은 현재도 해당 검사법을 통해 약물 오염 여부를 확인하고 있는 것. 현재 미 식품의약국 인가를 받은 수많은 의약품들에도 이 LAL 테스트가 사용됐다. 비록 일부 과학자들이 노력하고 있지만 현재로서는 투구게 혈액을 완전히 대체할 수 있는 물질이 만들어지지 않았다. 따라서 투구게 보호에는 더욱 많은 관심이 필요한 상태라고 도도는 전했다. 사진=MARK THIESSEN/NATIONAL GEOGRAPHIC CREATIVE 방승언 기자 earny@seoul.co.kr