기획연재☆───── 과학으로 본 불교：공사상(空思想)을 중심으로 - 중정 노용한

[윤거사]

 

과학으로 본 불교：공사상(空思想)을 중심으로

중정 노용한

(성균관대 정보통신학부 교수)

(3) 진공(眞空)의 정의

지난 호¹⁾에서 우리는 우주의 진화 그리고 물질의 근원을 밝히는 노력이 이제까지 우리에게 알려진 중력, 전자기력, 강력 그리고 약력이라는 4가지 힘들을 통합하는 과정임을 다루었습니다. 이 힘들을 통합하려는 과정 중에서 과학자들은 진공의 의미가 고전적으로 정의되던 진공과는 달라야만 한다는 사실을 밝혀낼 수 있었습니다. 존 배로는 그의 책²⁾ 머리말에서 “...진공의 미묘한 양자 효과가 발견된 후에야 비로소 다양한 자연의 힘들이 물질의 궁극적 입자들이 모여 있는 극렬한 미시 세계에서 어떻게 통합되는지를 이해할 수 있게 되었다...”라고 언급하였습니다. 이제 우리가 우주만물의 근원을 이해하고자 한다면, 중력이론인 아인슈타인의 상대성 이론 그리고 미시세계를 다루는 양자역학의 도움으로 현재까지 알려진 진공의 정의와 그 의미가 무엇인지를 파악하는 것이 필요합니다.

오래전 과학계에서 다루던 진공은 ‘없음’과 닮아 있는 ‘공허空虛한 무無’라고 치부되어 왔었으며, 그 안에서는 입자 즉 물질의 존재가 부정되었습니다. 현재까지도 공학적인 의미에서 진공은 ‘물질이 전혀 없는 공간’으로 정의되어 있습니다. 그러나 이 같은 정의를 가지는 완벽한 진공을 만들기는 기술적으로 사실상 불가능하기 때문에 밀폐된 공간 안의 입자 또는 물질을 진공펌프로 뽑아낸 후 대기압 보다 낮아진 압력의 상태에 따라서 고진공 또는 저진공 등으로 분류하고 있습니다. 요즈음 시장에 가서 물품을 살 때 표시되어 있는 진공포장 상품은 저진공을 그리고 반도체 업체 등에서 만들어지는 제품은 주로 고진공을 활용하고 있습니다. 또한 진공청소기도 진공펌프에 의해 만들어지는 압력 차이를 이용해서 집안 청소를 하는 데 이용되고 있습니다. 이러한 예들 외에도 진공은 우리의 생활과 아주 밀접하게 연관되어 있습니다. 공학적인 이용을 위해 우리가 사용하는 진공은 이와 같이 ‘물질이 전혀 없는 공간’ 즉 ‘공허空虛한 무無’라는 의미로 해석되어 왔습니다.

그러나 물리학의 발전을 통해 진공의 역할은 적막하고 무기력한 무가 아닌, 살아 숨쉬며 에너지로 넘쳐나 입자와 같은 물질을 생성시키고 소멸시키기도 하는 역동적인 무대로서의 무라는 사실이 밝혀졌습니다. 이에 대해 K. C. 콜(K. C. Cole)은 그녀의 책³⁾에서 “무가 변하면, 우리는 금방 알 수 있다. 무가 변했을 때, 우주가 탄생했다. 유는 ‘무가 변한 것’이다. 이것이 유의 정의이다. 무는 기준이고, 유는 파생물이다. 우리는 무의 완벽한 대칭을 깸으로써 유를 만든다.”라고 적고 있습니다. 이제 우리가 진공의 의미를 알아 가면 갈수록 신기하게도 무와 유의 경계가 사라져 불교철학의 핵심인 色卽是空 空卽是色의 실체로 다가가고 있음을 발견하게 됩니다. 色은 有요 空은 無로 설명되어지고 있습니다. 따라서 불교의 요체인 色卽是空 空卽是色은 곧 有卽是無 無卽是有로 바꾸어도 그 의미에는 변함이 없을 것이며, 이것이 곧 현재 물리학자들이 밝혀 놓은 진공의 실체인 것입니다.⁴⁾

우리는 앞으로 양자장론(quantum field theory)⁵⁾을 바탕으로 물리학자들이 언급하는 진공의 의미와 이들 진공으로부터 어떻게 입자를 포함한 물질이 출현할 수도 있는지에 대해 다루도록 하겠습니다. 우선 이번 호에서는 진공의 의미를 다루고, 다음 호부터는 진공의 정의에 기초한 물질과 반물질(antimatter)에 대한 논의를 거쳐 무로부터의 물질 형성에 대해 다루도록 하겠습니다.

물리학자들이 생각하는 무는, 가능한 모든 것을 제거하고 난 뒤에 남는 것을 말한다. 다시 말하면, 가장 낮은 에너지 상태이다.⁶⁾ 이러한 무는 완벽한 대칭이 아니다. … 대략적으로 말해서, 우주는 완벽하게 대칭인 무에서 출발했다. 무가 식어서 현재와 같은 얼어붙은 진공이 되었고, 언젠가 이 진공은 다시 녹아내릴 것이다. … 녹은 진공에서 쿼크와 전자와 중력과 전기는 모두 같다. 얼어붙은 진공에서, 그것들은 다르다. 녹은 진공에서는 어떤 입자인지, 어떤 방향인지, 어떤 힘인지 알 수 없고, 따라서 녹은 진공에서 무는 얼어붙은 진공에서의 무와 전혀 다르다. 그러나 얼어붙은 진공이 우리가 사는 진공이다. … 물리학자들이 보기에 지금 우리의 진공은 선반에 걸려 있다. 우리는 현재 상태에 만족하면서 우리가 진짜 진공 속에 있다고 생각하지만, 실제로는 가짜 진공 속에 있으며 그것은 마치 탁자 위에 놓인 다이너마이트처럼 안정하다는 것이다. [K. C. 콜, ‘우주의 구멍(The Hole in the Universe)’, 김희봉 옮김, 해냄 (2002), p. 30, 123, 128.]

물리학자들은 현재 우리가 알고 있는 무(진공)는 가장 낮은 에너지 상태가 아니며, 따라서 완벽한 대칭도 아닌 가짜 진공이라고 믿고 있습니다. 대칭(곧 자유도)에 대해서는 광륜지 2004 봄호에서 언급한 바 있지만, 이곳에서 진공의 의미와 관련지어 다시 기술하면 다음과 같습니다：진공의 의미와 대칭의 예로써 가장 적합한 예는 물과 얼음의 관계일 것입니다. 상온에서 물은 액체로 존재하지만, 0℃ 이하에서는 얼음이 됩니다. 이 같이 온도의 변화에 따라서 상태가 변화하는 것을 상전이라고 하며, 우리가 살고 있는 우주도 빅뱅이후 팽창하면서 온도가 낮아져 상전이라는 과정을 거쳐 현재의 우주가 되었습니다.⁷⁾ 이제 지금 우리가 알고 있는 가짜 진공을 물이 얼어붙어 만들어진 얼음이며, 진짜 진공은 얼음과 본질에서는 같은 분자인 H2O로 구성된 물이라고 가정해 보겠습니다. 물과 얼음의 차이는 에너지 차이입니다. 따라서 빅뱅이 일어난 때와 같이 현재의 우주보다 훨씬 뜨거웠던 시점에선 물이라는 진짜 진공의 상태가 존재하였었을 것입니다. 그러나 빅뱅 이후 우주의 온도가 낮아지면서 물은 얼게 되고, 물에서는 볼 수 없었던 결정들이 만들어지면서 얼음이 되었습니다. 얼음이라는 가짜 진공이 만들어지면서 우리가 물질이라고 알고 있는 것들, 즉 소립자와 원자 그리고 이들이 모여 만들어진 삼라만상들이 만들어지게 되었습니다. 이 가짜 진공인 얼음 속에서 살고 있는 우리는 얼음의 존재를 인지하지 못한다고 가정해보겠습니다. 다소 엉뚱한 가정처럼 보일지 모르지만, 가짜 진공인 얼음에서 만들어진 우리가 물질이라고 가정하는 것들은 얼음이 만들어지면서 출현한 것이기 때문에 얼음의 존재를 인지하지 못하는 상황에서 얼음 속에서 존재한다고 가정하여도 이상할 것은 없습니다. 이제 우리는 얼음과 본질은 같은 물이라는 진공 속에 있을 때 보다 이동이 자유롭지 못할 것입니다. 또한 얼음의 결정성이 방향에 따라 다르다면, 우리가 이동하는 방향이 위 또는 아래 그리고 오른쪽 왼쪽이냐에 따라서 이동하는 데 드는 힘이 다를 것입니다. 따라서 물보다는 얼음이라는 진공 속에서 살고 있는 우리는 자유도가 줄어든 그리고 대칭성이 깨진 상태에서 살고 있는 것입니다. 또한 이 같은 힘들의 차이를 우리는 중력, 전자기력, 약력 그리고 강력이라고 부르고 있는 것입니다. 만일 다시 빅뱅 시점으로 거슬러 올라간다면, 얼음이 녹으면서 결정들이 사라지고 자유도가 높은 물이 되듯이 얼음이라는 가짜 진공 속에서 살고 있던 물질들과 힘들이 하나로 통합된 에너지 상태로 되돌아 갈 것입니다. 빅뱅 이후 우주의 온도가 낮아지면서 그 원인이 무엇이었든 오늘날과 같은 형태의 진공이 그리고 우리가 알고 있는 물질들이 진공으로부터 만들어져 중력, 전자기력, 약력 그리고 강력이라는 힘들의 지배를 받게 되었습니다.

역사적으로 볼 때, 적막하고 무기력한 무가 아닌 살아 숨쉬며 에너지로 충만한 역동적인 무로써의 진공의 역할을 처음으로 주장한 이는 영국의 이론 물리학자인 폴 디랙(Paul A. M. Dirac)입니다. 그는 1928년 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 양자역학의 통합을 시도한 디랙 방정식을 발표하였는데, 놀랍게도 그 방정식의 해를 통해 우리의 세계와 같지만 반물질(反物質, antimatter)로 구성된 세계인 반세계(反世界, antiworld)의 존재를 예측할 수 있었습니다. 입자 그리고 물질에 대해 질량은 같지만 전하와 스핀(spin)⁸⁾ 등의 부호가 반대인 것을 우리는 반입자(反粒子, antiparticle) 그리고 반물질이라고 정의합니다.

디랙 방정식은 슈뢰딩거(Schrodinger)와 하이젠베르크(Heisenberg)에 의해 성립된 양자역학 이론이 가지고 있던 문제, 즉 상대성 이론이 배제된 양자이론이라는 난제를 해결할 수 있었습니다. 그러나 디랙 방정식은 양의 에너지를 가지는 전자에 대한 해와 더불어 음의 에너지를 가지는 전자에 대한 해도 만족해야만 한다는 문제를 발생시켰습니다.⁹⁾

 상식적으로 입자의 에너지가 음수가 된다면 방정식 자체에 문제가 있다고 보아야 하겠지만,¹⁰⁾ 대신에 디랙은 양의 에너지를 가지는 입자인 전자와 같지만 전하의 부호가 반대인 따라서 양의 전하 값을 가지는 양전자(positron)라는 반입자가 존재한다고 주장하였습니다. 즉, 전자와 양전자는 질량은 같지만 전하가 각각 -e와 +e로 반대입니다. 디랙의 이 같은 주장을 구멍이론(hole theory)이라고 하며, 이를 그림 1에 나타내었습니다. 실제로 디랙은 그림 1에 나타났듯이 진공은 비어 있는 것이 아니라 모든 음에너지 준위가 전자들로 가득 채워져 음에너지를 가지는 전자들의 바다를 이루고 있다고 보았습니다. 따라서 파울리의 배타원리¹¹⁾에 의해 양의 에너지를 가지는 전자는 이들 음에너지를 가지는 전자들의 바다로 떨어질 수가 없기 때문에 물질의 안정성이 보장되고 음의 에너지를 가지는 입자의 해도 만족한다고 보았습니다.¹²⁾

》》 그림 1. 디랙에 의해 제안된 구멍이론(hole theory). 음의 에너지를 가지는 입자의 바다(여기서는 진공의 의미)에 에너지(여기서는 광자로 표시되어 있음)가 공급되면, 양의 에너지를 가지는 입자 하나와 빈 공간(즉, 구멍)으로 표시된 반입자 하나가 생긴다. 이때 양의 에너지를 가지는 입자는 음의 에너지를 가지는 입자의 바다를 인지하지 못한다. 그러나 만일 입자와 반입자가 만난다면(오른 쪽 그림), 이들은 소멸하고 대신 에너지가 방출되어 현상계에서 관측된다. 만일 왼쪽에서 오른 쪽 그림과 같이 진행하는 사건이 발생하였다면, 무(즉, 진공)에서 유(여기서는 입자, 더 나아가 물질)가 만들어지고, 그리곤 다시 무로 돌아간 것이 된다. [K. C. 콜, ‘우주의 구멍(The Hole in the Universe)’, 김희봉 역, 해냄출판사 (2002), 112 쪽에 나오는 그림을 참조하여 재구성함.]

그림 1에서는 또한 음의 에너지를 가지는 전자들로 가득 채워져 있는 바다에 에너지를 가하면 전자가 진공으로부터 나와 양의 에너지를 가지는 전자와 전자의 반입자인 양전자가 동시에 만들어지는 과정을 보이고 있습니다. 또한 만일 전자와 양전자가 만나게 된다면 에너지(그림에서는 빛 에너지)를 방출하면서 입자와 반입자가 동시에 사라지게 됩니다. 디랙의 이론을 통해 이제 우리는 진공이 단순히 비어있고 무기력하다는 관념에서 벗어나 역동적으로 만물을 생성하고 소멸시키기도 하는 근원으로서의 진공의 의미를 밝혀낼 수 있게 되었습니다.  

디랙의 이론에 의해 제기된 전자와 양전자의 쌍생성은 1932년 미국 물리학자 칼 앤더슨(Carl Anderson)에 의해 실시된 우주선(cosmic rays) 안개상자(cloud chamber) 실험에 의해 증명되었습니다. 그림 2는 앤더슨에 의해 발표된 실험결과 사진(왼쪽 그림)과 동일한 실험을 통해 얻어진 우주선에 의해 만들어진 전자와 양전자의 쌍생성 결과(오른쪽 그림)를 보여주고 있습니다. 디랙의 이론과 앤더슨에 의한 실험적 증거는 有卽是無 無卽是有의 실체를 우리에게 처음으로 인식시킨 획기적인 연구업적이며,¹³⁾ 불교의 요체인 色卽是空 空卽是色의 과학적 증명을 가능하게 만든 계기가 되었습니다. 디랙의 이론이 발표된 후 계속된 연구를 통해 반입자 및 반물질에 대한 우리의 이해는 디랙의 이론으로부터 더욱 발전하여 구멍(즉 빈 공간)의 존재가 실재하는 것으로 받아들여지게 되었습니다. 이에 대해서는 다음 호부터 자세하게 다룰 것입니다.

》》 그림 2. 왼쪽 그림: 안개상자를 이용한 우주선(cosmic rays) 관찰실험을 통해 1932년 앤더슨(C. D. Anderson)이 관측하여 발표한 양전자(positron) 궤적. 이 그림에서는 양전자 궤적이 반시계 방향으로 아래에서 3 mm 두께의 납판을 뚫고 위로 진행하고 있다(화살표로 표시되어 있는 궤적). 궤적이 휘어져 있는 까닭은 외부에서 걸어준 자기장에 전하를 띄고 있는 양전자가 반응하기 때문이다. 앤더슨에 의해 반입자(antiparticle) 또는 반물질(antimatter)의 존재가 실험적으로 확인되었으며, 이 공로로 1936년 노벨상을 받았다. 오른쪽 그림: 앤더슨에 의해 수행된 안개상자 실험과 같은 원리로 실시된 또 다른 실험결과. 이 그림에서는 양전자와 전자의 궤적이 “V”자가 뒤집혀 있는 형태로 동시에 보이고 있다. 이 두 궤적들은 원래 하나에서 출발하였으나(그림의 상단), 일단 전자와 양전자로 분리된 후에는 서로 반대 극성을 가지는 전하 때문에 자기장 안에서 “V”자가 뒤집혀 있는 형태의 궤적을 그리게 된다.

<주>

1) 광륜지 2004 봄 및 여름호

2) 無○眞空(The Book of Nothing), 고중숙 옮김, 해나무 (2003), 15쪽

3) 우주의 구멍(The Hole in the Universe), 김희봉 옮김, 해냄 (2002), 29쪽

4) 다음 호(광륜지 2004 겨울호)부터 연재될 주제인 ‘물질의 형성: 물질과 반물질’에서는 물리학과 불교에서 이야기하는 진공 또는 무로부터 어떻게 물질이 만들어지는지에 대해 다룰 예정입니다. 이 때에 이르면, 불교에서 자주 언급하는 眞空妙有, 色卽是空 空卽是色의 의미를 보다 명확하게 이해하시는데 도움이 되실 것입니다.

5) 양자장론은 광륜지 2004 여름호에서 잠시 언급하였으며, 겨울호부터 좀더 자세히 언급될 예정입니다.

6) 이곳에서 언급된 ‘무(無)’는 ‘진공(眞空)’이라는 단어와 같은 뜻을 가지고 사용되고 있습니다. 광륜지 2003 가을호에서 언급된 아인슈타인 방정식 E=mc2의 의미로 해석하면 “가능한 모든 것을 제거한다.”라는 의미는 질량(m)을 가지는 물질을 제거하는 것임으로 이때 남게 되는 에너지 E는 주어진 조건에서 얻어지는 최소 에너지일 것입니다.

7) 광륜지 2004 봄 및 여름호 참조.

8) 스핀은 원자의 구성을 결정하는 양자수(quantum number)입니다. 간단히 설명하기엔 무리가 있는 이론이기 때문에 정확한 묘사는 아니지만 이해를 돕기 위해 비유를 들어 설명하자면 전자가 자전을 하는 데 반시계 방향 또는 시계 방향으로 회전하는가에 따라서 스핀 수를 +1/2 또는 -1/2로 정의합니다. 원자를 구성하는 데 스핀을 포함해서 모두 4개의 양자수가 있어야 합니다.

9) 간략한 예로, 만일 우리의 식이 x2 = 4라고 한다면 해는 x = 2 그리고 -2가 되어 양의 해와 더불어 음의 해도 가지게 되는 것과 같습니다. 물론 場方程式인 디랙 방정식은 이 예 보다는 훨씬 고차원 방정식입니다.

10) 만일 음의 에너지를 가지는 해를 인정한다면, 운동하는 입자는 에너지를 잃고 보다 안정된 음의 에너지 상태로 떨어질 것임으로 이들 입자들로 구성된 물질들이 안정되게 존재하는 현실과는 대치되는 문제에 봉착하게 됩니다.

11) 원자 내에 전자는 동일한 양자수를 가질 수 없다는 이론으로, 예를 들자면 한국인으로 2 또는 그 이상의 사람들이 같은 주민등록번호를 가질 수 없다는 의미와 유사합니다. 물론 얼마 전 뉴스에서 주민등록번호 관리 담당자가 전산 작업을 하다가 실수로 동일한 주민등록번호를 여러 사람이 가지게 되어 곤란을 겪었다는 보도가 있긴 했지만, 미시세계인 원자 수준에서는 그 같은 실수는 벌어지지 않습니다. 이글에서 배타원리의 적용은 전자들이 이미 음의 에너지 상태를 모두 채우고 있기 때문에 양의 에너지를 가지는 입자인 전자는 음의 에너지 바다로 떨어질 수 없다는 의미입니다.

12) 그림 1의 내용이 다소 생소하신 분들은 상자 안에 구슬이 모두 채워져 있는 상황을 상상해 보시기 바랍니다. 만일 상자 밖에 구슬이 있다면, 이 구슬을 상자 안으로 넣을 수는 없을 것입니다. 그러나 우리가 상자 안의 구슬을 하나 꺼낸다면 빈공간이 생겨 상자 밖의 구슬이 들어갈 자리가 만들어지게 됩니다.

13) 이 연구로 디랙과 앤더슨은 각각 1933년 그리고 1936년 노벨 물리학상을 받게 됩니다.

[정진]

감사합니다._()_