스크랩 양자역학으로의 여행(BBC) - 제2부 우주의 열쇠

[영원한 순례자]

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하늘을 올려다보면서 사람들은 자신이 어디서 왔는지

별은 어떻게 생겨나고 물질은 어떻게 만들어졌는지

우주는 어떻게 시작됐는지 묻곤 했다.

인류의 위대한 업적 중 하나는 우리가 이런 질문에 대한 해답을 찾은 것이다.

주목해야 할 사실은 이런 지식을 물질의 가장 작은 단위를 연구하면서 얻었다는 사실인데

그것은 바로 원자이다.

그 내부를 들여다 보면서 외부도 설명할 수 있음을 깨달았다.

원자는 우주의 커다란 신비를 풀도록 도와주었다.

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원자

제2부 - 우주의 열쇠

세상 모든 것은 원자라는 작은 단위로 이뤄져 있다.

그러나 그 존재는 20세기 초에야 알게 되었다.

첫 번째 충격은 그 크기였는데,

지름이 10의 9승분의 1미터보다 작았고 모래 한 알보다 수 조 배 작았다.

놀랍게도 우리는 우주 전체의 원자 수에 대해 꽤 정확하게 알고 있다.

우주의 광활함과 원자의 미소함을 생각할 때 그것이 멍할 정도로 큰 수라는데 놀랄 사람은 없을 것이다.

1에 0이 70개  달린 숫자인데 우주에 1조조조조조조 개의 원자가 있는 꼴이다.

우리는 우주의 원자 수를 알 뿐만 아니라 그들이 92가지 종류라는 것도 알고 있다.

우리가 원소라고 부르는 것인데 주위에서 흔히 보는 것들이다.

산소, 철, 탄소, 주석, 금 등등 우주의 모든 것, 별, 행성, 산, 바다, 동물, 우리 모두 원자의 조합으로 만들어졌다.

우주의 원자 수와 그 종류를 알 뿐만 아니라, 왜 존재하는 지 아는 것은 인류의 위대한 성과이다.

우리는 이제 수많은 원자 하나 하나가 어떻게 생겨났는지 알고 있다.

바로 원자 중심에 창조의 신비가 자리잡고 있다.

우리가 창조를 이해하게 된 이야기는

100년 전으로 거슬러 올라가서

파리 남동부의 작은 실험실에서 시작한다.

방사능을 처음으로 연구한 화학자 마리 퀴리가 사용하던 노트에서

놀랍게도 100년이 지난 지금까지 종이에서 방사능 입자가 나오고 있다.

100년이 지난 후에도 종이가 입자를 방출하도록 만드는 방사능의 힘!

종이에 아직도 붙어 있는 것은 방사능 입자로 마리 퀴리가 1898년에 발견한 물질인데

바로 라듐이다.

그 발견은 대단한 반향을 가져왔다.

라듐은 보통의 회색 금속처럼 보이지만 당시의 모든 과학 법칙을 무시했다.

라듐은 보이지는 않지만 강력한 에너지를 방출했는데, 인화지를 감광시키고 피부를 태울 정도로 강했다.

전파(radio wave)와 비슷했기 때문에 퀴리는 라듐(radium)을 방사능(radioactive)라고 불렀다.

하지만 그 파(波)가 기존의 전파보다 수백만 배 강했다.

또한 라듐은 안에 무한한 에너지를 가진 것처럼 보였다.

퀴리는 동전보다 작은 라듐 1그램에

100톤의 석탄보다 많은 에너지가 있다는 것을 알아냈다.

세기가 바뀔 무렵

프랑스 사람들과 신문은 라듐에 매혹되었고

슬프게도 아무도 방사능의 정체에 대해 모르면서

모두들 그것이 건강에 좋다고 믿었다.

라듐을 처음 발견했을 때 사람들은 갖가지 이상한 상업적 용도를 착안했다.

라듐 입욕제, 라듐 향수, 원자력 향수, 건강한 피부로 아름다워진다고 하는 라듐 페이스 크림...

심지어 라듐 면도날도 있다.

어떤 원리인지는 모르겠지만...

정말 모르는 게 약이었다.

대중들과 상관없이

과학계에서는 방사능이란 가장 흥미로운 대상이었다.

시대의 위대한 지성들이 이것을 연구하려고 야단이었고

방사능의 가장 강력한 원천인 라듐의 가격은 천정부지로 뛰어올랐다.

그리고 방사능은 기대를 저버리지 않았다.

1919년의 위대한 발견으로 원자에 대한 근본적인 이해의 길이 열리게 된다.

바로 방사능으로 인류의 오래된 꿈인 연금술이 가능해진 것이다.

연금술은 보통 금속을 금으로 바꾸는 것으로

물질을 변화시키는 마법의 물체,

이른바 '현자의 돌'을 찾는 일에 수 세기 동안 인류를 사로잡았다.

연금술로 가질 수 있는 권력과 부는

아이작 뉴튼, 로버트 보일, 존 로크와 같은

위대한 과학자와 사상가들을 유혹했다.

그들 모두 원소를 변화시키려 했고 모두 실패했다.

그리고 1919년 연금술의 비밀이,

현자의 돌의 신비가 드디어 밝혀졌는데

그것은 마법사의 방이 아니라 맨체스터 대학의 물리학과에서였다.

세계 최초의 진정한 연금술사는 어니스트 러더포드였다.

말 많고 직설적인 뉴질랜드인 러더포드는 방사능 연구를 주도하게 되었다.

그는 뛰어난 직관을 가졌고 일반의 통념에 도전하는데 거리낌이 없었다.

러더포드는 그의 직관을 따라 미지의 세계로 파고들었다.

발견은 우연히 일어났다.

러더포드의 학생 중 하나가

라듐 같은 방사능 물질이 공기가 들어있는 밀폐된 용기에 들어가 있을 때

신기하게도 수소 기체가 생긴 것을 발견했다.

이상한 일이었다.

공기에는 거의 수소가 없는데 방사능이 있는 곳에서 수소가 뜬금없이 나타났다.

러더포드는 실험 물리학자로서 그 절정에 있을 당시 이런 문제를 좋아했고 거기에 빠져들었다.

먼저 질소, 산소, 수증기, 이산화탄소와 같은 공기의 모든 종류를 분리했다.

그리고 방사능이 있을 때 어떻게 되는지 연구했다.

그리고... 유레카!!!

러더포드는 강한 방사능이 있을 때 공기의 80%를 차지하는 질소가 산소와 수소로 바뀌는 것을 알아냈다.

그 순간 러더포드는 한 원소를 둘로 변화시켰다.

그는 연금술사가 되었고 강력한 방사능의 라듐은 현자의 돌이 되었다.

언론은 러더포드를 최초의 연금술사로 찬양했지만 실제로 그의 발견은 더 큰 의미를 가지고 있었다.

연금술이 그에게 보여준 것은 단순히 원자의 내부가 아니라 그 중심에 있는 이상한 물체, 그 작은 심장, 핵이었다.

그 발견의 의미를 알기 위해서는 러더포드와 동료 연구자들이 원자의 크기 외에는 거의 아는 게 없었음을 기억해야 한다.

그리고 그 크기는 너무나 작은 10의 10승 분의 1미터이다.

다르게 표현하자면 물 한 컵에 든 원자의 수가 바닷물 전체를 담은 컵의 수보다 많다.

러더포드는 또한 원자 속에 아원자 세계가 구조를 이루고 있다는 것을 알았다.

그는 원자가 태양계 모양을 하고 있다고 생각했다.

그 중심에 원자보다 10만 배 작은, 러더포드가 핵이라고 부른 물체가 있다.

그리고 전자가 행성처럼 핵 주위를 돌고 있다.

하지만 대체 핵이 무엇일까?

러더포드는 연금술이 답을 가지고 있다고 확신했다.

러더포드의 방법을 이해하기 위해 그의 머리 속으로 들어가 보겠다.

러더포드는 예리한 직관과 과학에 대한 아주 실용적인 접근법을 가지고 있어서,

복잡한 수학에 의한 이론을 싫어했다.

원자핵에 대해서, 러더포드는 잘 들어맞는 간단한 이론을 찾았고

그것은 당구공처럼 단단한 작은 구로 이루어진 핵의 모형이었다.

이 간단한 이미지로 러더포드는 우주의 모든 원소를 만들 수 있었다.

동일한 기본 입자로 어떻게 엄청나게 다양한 원자를 만들 수 있는지 설명할 수 있었다.

바로 이렇게 하는 것이다.

가장 간단한 원소인 수소는 구(球) 하나로 이뤄져 있다.

러더포드는 이것을 양성자(proton)라고 불렀는데, 그리스어로 '첫번째'라는 뜻이다.

모든 다른 원소들은 여기에 양성자를 더해서 만든다.

정말 간단하지 않은가?

그래서 다음으로 가벼운 원소 헬륨은 양성자 두 개이고 리튬은 세 개이다.

모든 생명의 바탕인 탄소는 6개의 양성자를 가진다.

우리가 들이마시는 산소는 8개이고, 자연에서 가장 무거운 원소인 우라늄은  92개의 양성자를 가진다.

이것이 러더포드의 이론으로

원소는 핵의 양성자 숫자로 정의된다는 뜻이다.

이것은 너무나 우아하고 간단하며, 우주의 모든 것이 어떻게 만들어졌는지 설명하고 있다.

그러나 과학자들이 종종 발견하듯이, 자연은 처음 생각처럼 그리 간단하지 않다.

당연히 러더포드의 양성자에서 큰 문제가 떠올랐다.

원자 이론 전체를 뒤집을 정도의 문제가 러더포드의 제자 중 한 명에 의해 발견되었다.

프란시스 애스톤은 재미있는 사람이었다.

그는 야외 활동을 즐겼고 스키와 자동차 경주에 심취했다.

그리고 와이키키 해변에서 파도를 타기도 했다.

하지만 파도보다 실험실에 더 끌리게 되었고, 캠브리지 대학에서 놀라운 장비를 발명했는데

그것은 평범해 보이는 건물 캐번디쉬 연구소에 있다.

이것이 애스톤의 분광기이다.

이 장치의 놀라운 점은, 이 장치를 써서 처음으로 원자의 무게를 쟀다는 사실이다.

총처럼 보이기도 하는데 아주 이상한 모양이다.

유리관에 무게를 잴 원자를 넣고,

대전된 원자가 왼쪽으로 발사되면

중간에서 전기로 전자의 방향을 틀어준다. 

전자가 전하를 가지고 있으므로 전기장에 의해 밑으로 휘게 된다.

지금은 없지만 당시에는 큰 자기 코일이 있어서 다시 위로 원자의 방향을 돌린다.

왼쪽 끝부분에 사진판이 있는데 ...

사진판에, 무게에 따라 원자들이 선을 이루고 애스톤은 판에 무게 별로 선을 이룬 원자를 보았을 것이다.

1차 세계대전 직후 무렵에, 원자의 무게를 잴 수 있었다는 것은 놀라운 일이다.

원자의 무게를 정확하게 측정할 수 있게 되자

러더포드의 핵 모형에 근본적인 문제가 있음이 발견되었다.

기본적으로 숫자가 맞지 않았다.

수소를 제외한 다른 원소들의 무게가 예상보다 더 나온 것이다.

예를 들어, 양성자가 두 개인 헬륨은 양성자가 한 개인 수소 무게의 두 배여야 하는데

결과는 네 배로 나왔다.

러더포드는 이 결과의 의미는 단 하나,

즉 핵에 양성자 외의 다른 것이 있다는 것을 깨달았다.

하지만 그게 무엇일까?

그 해답을 찾는데 12년이 걸렸다.

캠브리지 캐번디쉬 연구소의 소장으로 러더포드는 모든 힘을 이 문제에 쏟았다.

그는 학생들과 연구자들을 닦달하고 구슬렸다.

그것은 영국 북부 보통 집안 출신의 제임스 채드윅이

핵물리학의 금맥을 찾을 때까지 계속되었다. 

채드윅은 1932년 이 장치를 만들었다.

이 작은 장치로 그는 원자의 빠진 요소를 찾아냈다.

정말 놀라운 장치이다.

오늘날 원자핵을 조사하기 위해 만드는 거대한 가속기들을 생각하면

그 간단함에 경외심마져 든다.

그는 방사능 물질을 관 끝에 두고

방사능이 가운데의 작은 목표를 맞추면

거기서 다른 쪽 끝으로 새로운 입자를 내보낸다.

러더포드가 놓친 입자를 쏘는 원자총이라고 할 수 있겠다.

채드윅은 핵 안에 양성자 외에 다른 입자의 존재를 발견했다.

그것은 양성자와 무게는 거의 같지만 훨씬 더 알아내기 힘들다.

전하를 가지고 있지 않기 때문이다.

전기적으로 중성이기 때문에 중성자이다.

이것으로 원자 무게 문제가 즉시 풀렸다.

따라서 헬륨이 수소 무게의 네 배인 이유는

양성자 두 개와 중성자 두 개를 가지고 있기 때문이다.

그리고 산소는 8개의 중성자와 8개의 양성자를 가지고 있어서 수소보다 16배 무겁다.

그리하여 1932년 원자 가족이 완성되었다.

과학자들은 우주의 모든 원자는

세 요소로 만들어졌다고 선언했는데

그것은 핵 주위를 회전하는 조그마한 입자인 전자와

그 핵을 이루는 양성자와 중성자이다.

1932년 크리스마스

핵물리학의 다른 중심지

코펜하겐의 닐스 보어 연구소에서 중성자의 발견과

핵의 완성을 축하하며 뮤지컬을 만들었다.

이 뮤지컬에는 물리학계의 저명인사들도 참여했다.

그들이 들뜬 이유는 주로 한 가지이다.

그들은 자신들이 완전히 새로운 규칙에 의한

완전히 새로운 과학에 접어들었다는 사실을 알고 있었는데

우리가 핵물리학이라고 부르는 학문이다.

핵물리학의 첫 번째 난관은

핵의 구성 입자를 알아냈지만

어떻게 서로 뭉쳐있을 수 있는지는 모른다는 것이었다.

사실...

문제는 더 심각했는데

당시의 물리 법칙에 의하면

원자핵은 바로 붕괴되어야 했기 때문이다.

문제는 이렇다.

원자핵의 중요 요소인 양성자는 양전하를 가지고 있고

같은 전하를 가지면 서로 밀어낸다.

자석의 N극끼리 가까이 하면 서로를 밀쳐내듯이

양성자가 서로 가까이 가면 서로 떨어져나가야 한다.

하지만 이상하게도 원자핵은 다르다.

수 십 개의 양성자들이 서로 뭉쳐있다.

무엇이 그것들을 붙잡아 놓는 것일까?

무엇이 양성자들을 잡고 있을까?

그 해답은 커다란 뉴스였다.

그것은 완전히 새로운 자연의 힘이었다.

수 세기 동안 사람들은 두 가지 자연의 힘만을 알고 있었다.

우리를 내려 끄는 중력과 전자기력이다.

하지만 핵에 숨어있는 힘은 전혀 다른 것이었는데

그것은 강한 핵력이다.

그것을 보여줄 가장 쉬운 방법은 벨크로(일명 찍찍이)이다.

자석을 벨크로로 감으면 상황이 달라진다.

처음엔 가까이하면 전처럼 서로 밀어낸다.

하지만 서로 붙은 후에는 벨크로 때문에 떨어지지 않는다.

그 효과는 아주 가까운 범위에서만 일어나고 아주 아주 강력하다.

같은 일이 양성자에도 적용된다.

강한 핵력은 핵을 묶어주는 힘을 설명할 수 있다.

정말 놀라운 점은 핵력의 세기이다.

그것은 우주에서 가장 강력한 힘으로 중력보다 1조조조 배 강하다.

이렇게 생각해 보자.

지구가 중력이 아니라 강한 핵력으로 자신을 잡아당긴다면

체중보다 몇 조 배 더 나가서 은하계보다 더 무겁게 될 것이다.

하지만 그렇게 되지 않는 이유는 강한 핵력이 10의 15승 분의 1미터 거리에서만 작용하기 때문이다.

강한 핵력을 이해하고 나서 인류는 원자핵 안에서 무슨 일이 일어나는 지 엿볼 수 있게 되었다.

대충 말하면 모든 핵 현상은

양성자와 중성자를 붙잡는 강한 핵력과 양성자를 밀어내는 전자기력의 균형에 달려있다.

물리학자들은 핵을 다양한 기본적인 힘의 전쟁터로 생각함으로써 오래된 수수께끼를 풀 수 있었다.

인류가 태초부터 가졌던 그 질문은 바로 이것이다.

태양은 어떻게 빛나는가?

태양은 지구 모든 생명의 근원이다.

하지만 태양은 어떻게 만들어졌을까?

그것은 태양의 대부분을 이루는 수소 원자 속의 힘과 관련이 있다.

그 원리는 이렇다.

수소 원자의 핵은 양성자 하나로 구성된다.

그리고 고온 고압의 태양 내부에서 양성자는 다른 양성자와 만날 정도로 눌려지고...

꽝!!!

강한 핵력이 작용해 그 둘을 묶는다.

이렇게 해서 헬륨 원자가 만들어지고 동시에 열과 빛 형태로 에너지를 방출한다.

심벌즈가 부딪힐 때 소리가 나는 것과 비슷하다.

수소가 헬륨으로 융합될 때 나오는 에너지가 우리가 보는 햇빛이다.

두 수소 핵이 서로 충돌해서 에너지를 방출하는 과정을 핵융합이라 한다.

강한 핵력과 전자기력이 서로 핵을 지배하려고 다투는 과정은 태양의 에너지원 이상의 의미를 가진다.

그것은 모든 것의 중심에 있다.

하지만 1930년대 후반

사람들이 그것을 이해하기 전에

핵물리학은 훨씬 심각한 영향을 끼쳤다.

확실히 그 일은 인류의 역사를 다시 썼고 어두운 시대의 막을 열었다.

그 이야기는 중성자의 연구에서 시작한다.

발견 이후, 유럽 전역의 연구소에서 중성자는 핵 연구의 초점이 되었는데 그 이유는 이것이다.

중성자는 원자 세계의 스텔스 폭격기이다.

다른 원자 구성 입자인 양성자, 전자와는 달리

그 이름처럼 중성자는 전기적으로 중성이기 때문에

방해받지 않고 원자의 중심으로 날아가서 핵과 충돌할 수 있다.

물리학자들은 이 사실의 대단함을 알고 있었는데

무거운 중성자가 핵과 부딪히면 큰 충격을 주기 때문이었다.

달이 지구에 충돌하는 것과 비슷하다고 할 수 있다.

당시 물리학자들은 이 충돌이 여러 가지 가능성을 가지고 있음을 알았다.

이 충돌로 핵을 쪼개서 새로운 원소를 만들 수 있을 것 같았다.

마리 퀴리의 라듐처럼 무한한 에너지를 내뿜는

새로운 방사능 원소를 만드는 물리학의 성배를 찾을 수 있을 지도 모르는 일이었다.

여기에 고무된 유럽의 물리학자들은 보이는 원소마다 중성자를 쏴 봤다.

베를린의 카이저 빌헬름 연구소에서

화학자 오토 한은 주기율표의 가장 마지막 무거운 원소인  우라늄에 양성자를 발사할 수 있었다.

이것이 그 때 사용한 장치의 일부이다.

한쪽 끝에서 중성자가 나오면 주위의 파라핀납에서

그 속도를 늦춰서 옆에 있는 우라늄에 더 잘 흡수되도록 한다.

이 전자 장치는 이 방사능 원소에서 나오는 입자를 검출하기 위한 것이다.

오토 한은 이 반응에서 나오는 새로운 원소를 화학적으로 분석하려 했다.

관찰 결과 라듐이 나오는 것처럼 보였는데 그것을 분리하려고 하자 조금도 나오지 않았다.

대신 나온 것은 바륨이었는데 그것은 우라늄보다 훨씬 가볍다.

어떻게 바륨이 생겨난 것일까?

설명할 수 없는 수수께끼였다.

그렇지만 오토 한은 꼼꼼하게 결과를 정리했다.

그는 물리학자가 아닌 화학자였지만

과학법칙에 의하면 절대 실험에서 바륨이 나올 수 없다고 알고 있었다.

결과는 우라늄과 너무나 달랐기 때문에 오토 한의 생각에 이를 설명할 수 있는 사람은

그의 옛 조수인 물리학자 리제 마이트너 밖에 없었다.

하지만 유태인이었던 그녀는 몇 달 전에

나치 독일을 떠났기 때문에

한은 결과를 그녀에게 보냈다.

한의 편지를 받았을 때

리제 마이트너는 역시 물리학자인 조카 오토 프리쉬와 스웨덴에 있었다.

1938년 크리스마스 전날

그들은 숲으로 산책을 가서

한의 실험에 대해 토론했다.

그들은 우라늄이 단순히 약간 깍여 나간 것이 아니라는 것을 깨달았다.

원자핵이 말 그대로 반으로 나뉜 것이다.

마이트너와 프리쉬는 믿을 수 없을 정도로 놀랐다.

우라늄이 반으로 쪼개지는 것이 가능하다고 생각한 사람은 아무도 없었지만

그것만이 유일한 해석이었다.

그때, 마이트너와 프리쉬는

이것이 놀랍고 무서운 결과를 가져올 것이라는 것을 알았다.

강한 핵력이 핵을 붙잡아 주지 못하게 되면서 핵이 반으로 쪼개진다.

전기적 반발력이 핵을 깨뜨리고 이때 나오는 에너지는 상상할 수 없는 크기이다.

우라늄 원자 하나에서 나오는 에너지는 모래 한 알을 움직일 수 있는 크기이다.

이것은 엄청난 에너지이다.

모래 한 알에만도 10의 24승 개가 넘은 원자가 있으니까...

말하자면

달에 축구공을 차서 달을 튕겨내는 것이다.

이 발견은 원자력 시대의 탄생을 알렸다.

프리쉬와 마이트너가 발견한 것은 핵분열이었다.

핵분열로 핵 안에 있는 거대한 에너지를 인공적으로 방출할 수 있게 되었다.

인류는 우라늄을 이용해 핵 안의 폭발적인 에너지를 이용할 수 있게 되었다.

이 발견의 시기는 2차 세계 대전과 일치한다.

연합국 과학자들은

로버트 오펜하이머의 지휘 아래

어떻게 핵분열을 대량 살상 무기로 이용할 수 있을 지 밤낮없이 연구했고

그 결과가 1945년에 히로시마와 나가사키에서 현실로 나타났다.

원자 폭탄은 모든 것을 바꿔 놓았다.

전쟁 전 과학 연구의 기쁨도,

과학자들이 발견을 노래에 부치던 시대도 끝났다.

오펜하이머는 당시의 우울한 분위기를 이렇게 표현했다.

"물리학자는 죄악을 알게 되었고 이것을 잊어서는 안된다"

원자폭탄의 기막힌 아이러니는

과학자들의 죄악과

잊어서는 안될 그 지식으로 인해

아주 중요한 것을 알게 된 것이다.

140억 년 된 우주의 신비를 모두 밝혀줄 무언가를 말이다.

전쟁 중 핵 연구에 무려 20억 달러가 소모되었다.

인류는 원자와 핵에 대해 많은 지식을 쌓았다.

특히, 과학자들은 원자핵의 안정도를 정확하게 측정하게 되었다.

그 안정도란, 핵을 붙잡아두는 강한 핵력과 밀어내는 전자기력의 싸움이다.

어떤 원자에서는 강한 핵력이 우세해서 원자가 안정되어 있지만

전자기력이 우세할 때는 불안정하게 된다.

40년대 후반, 과학자들은 다양한 원자의 안정도가

어떤 결과를 가져오는지 연구하기 시작했다.

그들은 한 원자의 안정도에 대해 아주 이상한 사실을 발견했다.

92 종의 다양한 원소들로 우리 우주는 만들어졌다.

수소와 산소같은 기체,

탄소와 규소같은 고체,

금과 은같은 금속,

그 중에 특별한 것은 철이다.

철이 왜 특별할까?

그것은 핵의 특이한 구조와 관련이 있다.

철의 26개의 양성자는 중성자와 매우 특별한 형태로 결합하여

철을 아주 안정하게 만든다.

무슨 이유에선지

자연은 강한 핵력과 전자기력이 균형을 이루는 수를 26으로 정했다.

그래서 철은 우주에서 가장 안정적인 원소가 되었다.

이제 우리는 왜 핵융합이 일어나는 지 알 수 있다.

가벼운 원자들이 철과 비슷해지기 위해 서로 결합한다.

그리고 핵분열은 그 반대이다.

철보다 무거운 원자들은 쪼개져서 철과 비슷하게 되려고 한다.

이 모든 원자들이 원하는 것은 철과 같은 안정성이다.

그리고 이것이 우주의 역사를 결정한다.

이를 이해하는 가장 쉬운 방법은

원자의 상대적인 안정도를 그래프로 그려보는 것이다.

이것이 그 그래프이다.

가장 가벼운 원소인 수소와 헬륨은 별로 안정적이지 않다.

다른 훨씬 안정적인 상태가 되려는 경향이 있다.

마찬가지로 가장 무거운 우라늄과 폴로늄은 불안정하다.

얼마나 불안정한지...

자연적으로 방사능을 방출하며 붕괴한다.

그리고 가운데에 가장 안정적인 원자인

니켈, 코발트와 철이 있다.

지금까진 놀라울 게 없다.

이제 놀라운 걸 알려주겠다.

이 핵 안정도 그래프와 신기할 정도로 비슷한 그래프가 있다.

하지만 그걸 누구도 알아채지 못했다.

왜냐하면 그 다른 그래프는 핵에 대한 것이 아니라

상상 밖의 다른 영역에서 나온 것이기 때문이다.

바로 광활한 우주이다.

그 그래프는 빛나는 별을 연구한

천문학자들이 만든 것으로

우주에 존재하는 원자들의 양을 보여준다.

가장 흔한 원자는 수소이고

다음으로 헬륨이 있으며

그 외의 원소는 많지 않다.

여기를 보면

우주의 중요한 비밀을 알 수 있다.

안정도와 존재도

두 그래프 모두

같은 위치에 뚜렷한 정점이 있다.

이것을 발견한 과학자는 넋이 나갔다.

미소한 핵에서 나온 그래프와

광활한 우주에서 나온 그래프가

동일한 원자를 가리키고 있었다.

바로 전 우주의 비밀을 풀 열쇠가 되는 원자이다.

원자핵을 이해하는  데 열쇠가 되는 철이

전 우주에서 가장 흔한 원자 중의 하나인 것이다.

놀랍게도 핵의 특성이 그 양에 직접적으로 영향을 준다.

이것은 단지 철에만 해당하지 않는다.

아주 불안정한 라듐은 극히 드물다.

비교적 안정적인 알루미늄은 흔한 금속이다.

이 경향은 모든 원소에 적용되는 것처럼 보인다.

핵의 특성이 머리 위 하늘에 나타나 있고

이 관계를 해독하는 데에는 위대한 지성이 필요했다.

그 중 첫 번째는

반항아 프레드 호일이었다.

그는 고향 요크셔의 언덕과 골짜기를 걷는 것을 좋아했다.

호일은 주위와의 불화에도 아랑곳 하지 않고 항상 자신의 생각을 표현했고

그래서 과학계에서 배척당했다.

다른 과학자들보다 더 그는 원자와 우주의

이 이상한 연관에 대해 연구했다.

호일은 우주의 근본적 주제가 결국 '변화'라는 것을

그래프가 나타낸다는 걸 알아냈다.

우주의 모든 것은 변화한다.

원자는 양성자를 덜거나 더해서 더 안정화하려고 한다.

호일과 다른 과학자들은

우주 어디에서 어떻게 이런 변화가,

이 연금술이 일어나는지 궁금했다.

호일은 태양과 같은 별에서

핵융합을 통해 수소가 헬륨으로 변하는 것을 알고 있었다.

그러나 우주의 다른 원소들도 핵융합으로 만들어질까?

프레드 호일의 통찰력은

무거운 원소들이 어떻게 핵융합으로 만들어지는지 알아내는 데에서 빛을 발한다.

호일은 이 과정이 오직 상상할 수 없이 높은 압력과 섭씨 수 백만 도의 온도에서만 일어날 수 있음을 밝혔다.

우리 우주에서 그런 조건이 있는 곳은 오직 별이다.

프레드 호일이 부딪힌 문제는 그 자세한 과정이었다.

어떻게 핵융합으로 헬륨보다 무거운 원자가 생기는지 설명하는 것은 어렵고 복잡했다.

호일은 정확히 어떻게 뜨거운 별 내부에서 원자들이 합쳐지는지 설명해야 했다.

1940년대,

호일은

태양이 산소, 탄소, 질소와 같은 원자를 융합할 만큼 뜨거운 것을 밝혀냈다.

하지만 더 무거운 구리나 아연, 철은 어떨까?

그의 계산에 의하면

별 안에서 가능하긴 하지만

태양보다 훨씬 뜨거워야 한다.

호일은 그곳이 어디인지 알고 있었다.

이 생명이 다해가는 커다란 별들은

적색 거성이다.

천문학자들은

우주 전체에

이들이 수억 개가 있다는 사실을 알아냈다.

호일은 적색 거성이 무거운 원자를 융합할 정도로 뜨겁다는 결론을 내렸지만

문제가 하나 남아 있었다.

이 거대한 적색 거성조차도

정말 무거운 금이나 우라늄 같은 원자를 만들 정도로 뜨겁지는 않았다.

철보다 무거운 원자를 만들려면

원자를 더 불안정한 상태로 억지로 융합하게 만들어야 한다.

그것은 가공할 만한 온도와 압력을 필요로 한다.

호일의 희망은 광활한 우주 어딘가에

태양을 촛불로 보이게 할 만큼 크고 뜨거운 것이 존재하는 것이었다.

그리고 2차 대전 말미에,

남부 캘리포니아로 연구차 여행을 가던 중

프레드 호일은 그것을 발견했다.

이것은 마운트 윌슨 관측소의 100인치 망원경이다.

1917년,

제작 당시만 해도 이것은 세계 최대의 망원경이었다.

그리고 여기서 호일은 위대한 천문학자 발터 바데를 만나 초신성에 대해 듣게 된다.

초신성은 거대한 별이 폭발하면서 엄청안 에너지를 내는 과정이다.

호일은 드디어 무거운 원소를 만드는 데 필요한 극한의 조건을 발견했다고 생각했다.

바데가 말한 것은 말 그대로 천문학적 규모의 폭발이었다.

큰 별들은 헬륨을 만들 수소가 바닥나면 그 삶이 끝난다.

그리고 자신의 중력으로 인해 붕괴해서 폭발하게 된다.

영감이 번뜩이는 순간,

호일과 그의 동료 윌리엄 파울러는

초신성이 우주에서 가장 뜨거운 곳일 수도 있다고 생각했다.

가장 무거운 원자도 융합시킬 정도로 말이다.

호일과 파울러는 모든 것이 만들어지는 용광로를 찾았다.

원자가 별 안에서 어떻게 만들어지는지 밝혀낸 것은

인류의 위대한 업적 중 하나이지만 거기에는 문제가 하나 있었다.

호일이 결코 설명하지 못한 그 문제는 이것이다.

항성 핵융합은 우주의 모든 원소의 생성을 설명할 수 있다.

예외가 두 개 있는데, 아주 중요한 원소들이다.

가장 간단한 원소, 수소와 헬륨이다.

1940년대,

매우 정밀한 장치를 써서

과학자들은 태양의 1/4이 헬륨이라는 사실을 알아냈다.

이것은 예상보다 훨씬 많은 양이었다.

그 정도의 양을 융합해 내려면 태양의 온도는 수십억 도여야 하지만

실제로는 1500만 도에 지나지 않았다.

그 많은 양의  헬륨을 만들 만큼 뜨겁지 않았던 것이다.

밝혀진 바에 의하면,

태양은 1세제곱 미터 당

사람보다 적은 열을 만들어낸다.

사람은 자신과 같은 크기의 태양보다 더 많은 열을 내고 있다.

결국 태양은 가지고 있는 헬륨을 만들어 낼 만큼 뜨겁지 않다.

그렇다면 태양의 헬륨은 어디서 왔을까?

그리고 호일이 외면했던

더욱 중요한 질문은

우주의 원소가 수소에서 시작했다면 수소는 어디에서 온 것일까?

수소와 헬륨에 대한 설명이 필요했다.

이 문제가 전후 과학계의 가장 치열한 싸움을 촉발했다.

왜냐하면 이 문제가 훨씬 더 큰 문제, 가장 궁극적인 문제로 변했기 때문이다.

우주가 생겨난 순간이 있는가?

아니면 항상 존재했는가의 문제이다.

거의 모든 전후 물리학자들은

이 문제에 말려들었고

그 중심에는 두 사람이 있었다.

하나는 프레드 호일이었고

다른 하나는 괴팍한 우크라이나 사람

조지 가모프였다.

스탈린의 러시아에서 탈출한 그는

키가 크고 장난을 좋아했다.

어떤 물리학자는 그에 대해 이렇게 말했다.

"그는 틀릴 때조차도 흥미롭다."

두 사람 다 이 근원적인 문제에 자신의 명예를 걸었다.

모든 일은 의도하지 않게 일어났다.

조지 워싱턴 대학의 교수가 된 지 얼마 되지 않은 가모프는

수소와 헬륨 문제가 연구할 만 하다고 생각했다.

조지 워싱턴 대학의 좁은 가모프 연구실.

여기에서 그는 왜 태양에 수소의 융합으로 설명할 수 없을 만큼

많은 헬륨이 있는지 연구했다.

가모프는 헬륨의 대부분이 태양 형성 이전에

이미 존재했다는 황당한 이론을 내놓았다.

 그 순간 이 문제는 논쟁거리가 되어

창조(Creation) 논쟁으로 번지기 시작한다.

가모프 말처럼 헬륨이 별보다 먼저 존재했다면

헬륨을 만들 수 있는 다른 장소가 있어야 했다.

가모프는 이 장소가

놀라울 정도로 뜨거워야 한다는 것을,

수십억 도에 이를 정도로,

태양보다 수 백만 배 뜨거워야 함을 알았다.

이 정도 온도에서는 물질은 산산조각 난다.

수소 원자는 통제 불능으로 움직이고

끊임없이 놀라운 속도로 충돌해서 헬륨을 만들어낸다.

하지만 어떤 우주 현상이 그런 엄청난 온도에 달할 수 있을까?

이것을 설명하기 위해

가모프는 당시에 유행하던 이론을 썼는데

그 이론이 우주가 수십억 년 전에 커다란 폭발에 의해 시작되었다는 빅 뱅 이론이다.

수십 년 동안 천문학자들은

은하계가 서로 엄청난 속도로 멀어지고 있음을 알아냈다.

우주는 점점 커지고 있다.

이 말은

과거에는 우주가 훨씬 작았을테고

아주 아주 옛날에는

전 우주가 극소의 점이었다는 것을 의미한다.

이 말은

창조의 순간

모든 물질들, 시간과 공간이 생겨난 순간을 뜻한다.

1945년 대부분의 과학자들은 이 이론을 달가워하지 않았으나 가모프는 달랐다.

그는 과다한 헬륨의 수수께끼를 빅 뱅이 풀어줄 거라고 생각했다.

가모프는 전 우주가 작은 점으로 압축된다면 엄청나게 뜨겁게 될 것을 알아냈다.

탄생 후 몇 분 동안 우주는 수소 핵을 그 많은 헬륨으로 만들 정도로 뜨거웠을 것이다.

그 후에는 우주가 팽창하여 냉각되었겠지만 가모프에겐 몇 분이면 충분했다.

그때 모든 수소와 헬륨이 만들어졌고 그것이 오늘날 우주의 모든 원자의 약 98%를 차지한다.

또는 가모프의 표현대로 '우주는 오리와 구운 감자 요리보다 빨리 만들어졌다'

그러나 매우 논란의 여지가 있는 빅 뱅이

우주의 수소와 헬륨 대부분을 만들었다고 주장함으로써

가모프는 창조에 대한 커다란 논쟁을 점화시킨다.

곧 프레드 호일은 앞장서서 가모프를 비판한다.

프레드 호일은 빅 뱅 이론을 철저히 혐오했다.

뼛 속까지 무신론자인 그가 빅 뱅을 반대한 이유는 창조의 순간이 신을 떠올리기 때문이었다.

가모프는 빅 뱅 없이는 수소와 산소가 그렇게 많이 존재하는 이유를 설명할 수 없다고 받아쳤다.

두 사람에게는 각각 지지자들이 있었고 양측의 논쟁은 점점 고조되었다.

빅 뱅 옹호자들에게 호일은 꼬장꼬장한 구닥다리 영국인이었고

호일 측에게 가모프는 사실은 창조론자가 아니냐는 비난을 받았다.

논란은 학회와 언론 상에서 그칠 줄을 몰랐다.

속으로는 양쪽 모두 자기 주장이 낫다고 여겼지만

둘 다 논란을 잠재울 결정적 증거는 없었다.

갈등을 풀 길이 까마득했다.

그때 뉴욕 남부에서

예상치 못한 장비가 세기의 발견으로 논쟁을 종결시킨다.

이 녹슨 커다란 장치가

벨 연구소의 혼 안테나이다.

사실 이것은 전파 망원경으로

접시 안테나 같은 모양이 아니라

뿔과 같은 구조를 가지고 회전하면서

우주에서 오는 신호를 잡아낸다.

커다란 보청기와 비슷하다고 할 수도 있겠는데

그러나 정말 정말 작은 신호라도 아주 정확하게 찾아낸다.

원래 이것은 위성 통신 연구를 위해 제작되었으나

1960년대 중반

과학사의 중요한 발견에 쓰이게 된다.

아르노 펜지아스와 로버트 윌슨은

1963년 벨 연구소에서 이 안테나를 받아서

은하수 주위의 수소 무리를 연구하려고 했다.

그들은 실험을 시작하기에 앞서

안테나에 들어오는 배경 노이즈를 모두 제거해야 했다.

마치 라디오 채널을 돌릴 때 나는 잡음 같은 것이다.

두 사람은 일 년의 대부분을 전자 장비를 점검하는 데 보냈다.

심지어 안테나 안에 기어 들어가서 그들이 백색 유전체라고 부르던 비둘기 똥을 닦아 내기도 했다.

그러나 이렇게까지 했는데도 희미하게 계속되는 잡음은 없애지 못했고

이것은 안테나를 어디로 향해도 마찬가지였다.

여기엔 오직 한 가지 설명 밖에 없었다.

잡음은 복사의 소리, 가모프의 빅 뱅의 잔광이었다.

드디어 가모프가 옳았다는 결정적 증거가 나왔다.

빅 뱅은 실제로 일어난 게 틀림없었다.

우주가 생겨난 후에

빅 뱅 후 약 30만 년 후에

우주는 팽창, 냉각하여 가벼운 원자들이 형성되었고

전 우주에 빛이 가득했다.

조지 가모프는 이 태초의 잔광이 오늘날 약한 마이크로파 복사의 형태로 남아있을 것이라고 예측했다.

여러분도 이 복사를 라디오나 TV 채널을 바꿀 때 작은 잡음의 형태로 들을 수 있다.

펜지아스와 윌슨이 찾아낸 우주 배경 복사로

가모프의 빅 뱅 이론이 옳았고

수소와 헬륨의 형성에 대해서도 옳았다는 것이 증명되었다.

그 결과

무거운 원소들이 어떻게 별 안에서 만들어지는지 설명한 호일과 파울러의 이론과 함께

우리는 전체를 파악할 수 있게 되었다.

드디어 우리는 모든 원소의 원자가

우주에서 어떻게 만들어지는지 이해했다.

100년도 안돼서 과학은 기적을 이뤄냈다.

과학은 인류의 기원을 설명했고

우주의 140억 년 역사를 말할 수 있게 되었다.

태초에 빅 뱅이 있었다.

상상조차 할 수 없는 에너지 폭발이 있었고

그 후 10분 동안 뜨거운 열 속에서

수소와 헬륨, 두 가지 종류의 원자가 나타났다.

다음 30만 년 동안 우주는 팽창했다.

그리고 우주의 새로운 장이 열렸다.

각각의 원자가 서로 떨어져 나가면서 빛이 생겨났다.

펜지아스와 윌슨이 안테나로 찾은 것이 바로 이 빛의 잔여물이다.

그리고 수 백만 년 후

거대한 수소 구름이 뭉쳐서 별을 만들었다.

그리고 수소가 융합하여 빛을 만들고

현재 우주에 존재하는 다른 모든 원자들을 만들었다.

지구, 그리고 인간을 포함한 그 위의 모든 것이

우주의 용광로에서 만들어졌다.

예를 들어 사람의 몸은

거의 3/4이 물인데

물은 산소와 수소로 이루어진다.

수소는 빅 뱅 이후 130억 년 전에 만들어졌고

산소는 그 후 태양과 같은 별에서 만들어졌다.

지구 생명의 기반인 탄소를 비롯한 우리 몸의 다른 중요한 원소들도 마찬가지이다.

그러나 철처럼 소량이 들어있는 원소도 있다.

철은 수명이 다해가는 거대한 별의 잿더미 속에서 생겨났다.

극소량이 들어있는 아연과 같은 원소는 사람 몸에 2그램 밖에 없다.

아연은 거성이 폭발하는 초신성 속에서

가벼운 원소들이 무거운 원소로 융합할 때 만들어졌다.

다른 자연의 원소도 모두 우주의 도가니 속에서 나왔다.

낭만적이게도 우리는 모두 별의 먼지로 만들어진 셈이다.

하지만 어떻게 보면 우리는 단지 핵 폐기물이기도 하다.

[영원한 순례자]

저도 여사님의 댓글을 보고 다시 읽어보니 이런.. 정말 원자에 대한 이야기군요..

[키드윤]

재밌죠...원자의 세상...