3-40. 과학의 천지창조 : 빅뱅 이론 4 - 우주 준비. 단 1초면 충분했다.

[하늘바다]

철학이야기 : 유레카 3
1부. 우주

3장. 우주 시뮬레이션

   40. 과학의 천지창조 : 빅뱅 이론 4

   6) 빅뱅 핵 합성(Big Bang nucleosynthesis)의 시기(1초 ~ 3분)

   우주 나이 1초. 우주의 온도는 100억도~1억도 정도까지 낮아진 상태로, 양성자간의 결합 작용, 즉 수소 핵융합 반응이 일어나는 환경이다. 그 결과로 전 우주에서 다량의 수소와 헬륨이 생성되었다. 지금 우주에 있는 수소의 99%와 대부분의 헬륨원자가 빅뱅 핵 합성 시기인 우주나이 1초에서 3분 동안 만들어진다. 헬륨은 지금도 태양과 같은 별에서 핵융합을 통해 열심히 만들어지고 있다.

   드디어 우리에게 익숙한 단어인 원자와 수소라는 말이 나왔다. 우주는 1초만에 우주 창조의 준비를 마치고 별과 모든 원자들의 재료인 수소를 만들어내기 시작한다. 태양과 같은 별이 불타는 것은 수소가 핵융합하여 헬륨이 되어가는 과정이다. 다른 원자들은 별의 폭발에서 만들어진다. 별이 수명을 다하면서 신성, 초신성 폭발할 때 헬륨핵융합을 통하여 산소, 탄소, 질소, 철, 규소 등 우리가 알고있는 대부분의 원자들이 만들어진다.

   우리가 별을 보는 것은 수소를 보는 일이다. 별은 원소들을 만드는 공장이다. 그러나 이 수소들이 뭉쳐 별이 되기까지는 아직도 많은 시간을 기다려야한다.
우리 우주는 "빛이 생겨라!"로 시작된 것이 아니라, "수소야 생겨라!"로 시작되었다. 빛이 생겨 활동하기까지는 아직도 38만년을 더 기다려야한다.

   우주 전체에는 수소와 헬륨이 질량비로 3:1 정도로 섞여 있고 다른 모든 원소의 합은 1퍼센트 정도 밖에 안 된다. 개수비로 따지자면 우주에 있는 탄소의 양을 1개라고 하면 산소는 6개, 헬륨은 1,000개, 수소는 10,000개가 존재하고, 나머지 모든 원소들을 다 합쳐봐야 1개가 되지 않는다.

   우리 몸의 대부분은 물이고 물은 수소원자 2개와 산소원자 1의 결합이다. 또 몸을 구성하는 단백질, 탄수화물, 지방의 삼대 영양소에는 어김없이 수소가 포함되어 있다. 이 모든 수소는 138억 년 전, 까마득한 옛날 한 처음에 만들어져 우리에게 전달된 것이다.

   놀랍지 아니한가? 수소가 그 무구한 시간을 지나 나에게로 와 내 몸의 일부가 되었다. 또 우리 태양계에 수소와 다른 원자들이 몰려 있어, 나와 우리와 자연과 지구와 태양이 만들어졌다. 이 모든 원소들이 뭉칠 수 있는 것은 중력의 힘이니 우리는 중력에 감사해야한다. 이런 의미라면 우주는 신이 아니라 중력이 만들었다는 호킹 박사의 말도 아주 틀린 말은 아니다.

   우주 탄생에서부터 수소가 만들어지기 까지의 과정을 정리해보자. 물론 기존의 빅뱅이론에 나의 급수축론과 몇 가지 상상을 가미하였다. 인과론을 적용하여 앞의 사건을 뒤의 사건의 원인이라 생각해보자.

   맨 처음에 거대한 창조 에너지가 유입되면서 대폭발(빅뱅)이 일어났다. 대폭발은 4가지 힘을 만들었다. 팽창하는 힘과 수축하는 힘이 분리되자 급팽창과 급수축이 일어났다.

   급팽창으로 공간이 생기고, 우주 평탄도와 우주 지평선 문제가 해결되었다. 평탄도로 우리 우주는 지속적이며 영구적인 안정을 유지하게 되었고, 지평선 문제의 해결로 우주 어느 곳에서도 별들과 은하를 만들 수 있는 재료가 골고루 분산되었다.

   급수축으로 기본물질들이 만들어졌다. 모든 물질은 물질과 반물질로 만들어졌다. 처음에는 힘의 매개입자들인 광자와 같은 보존을 시작으로 전자와 같은 렙톤 그리고 제법 무거운 쿼크들이 만들어졌다. 이 때 힉스입자는 힉스장으로 변화하면서 물질에 질량을 부여했고 이로서 우주를 구성할 모든 재료들을 갖추게되었다. 이 모든 준비를 마치는데 걸린 시간은 단 1초이다. 준비는 1초면 충분했다.
급팽창과 급수축은 동일한 힘이다. 즉 공간과 물질은 동일한 가치이고 팽창하는 힘에 맞게 수축하는 힘이생겼다.

   강력+중력 = 전자기력 + 약력
   질량 = 공간

   그리고 마침내 별과 모든 원자들의 어머니 수소가 만들어지기 시작하였다.

(2016년 봄. 안양 충훈부에 벚꽃이 만발하였다. 나를 비롯하여 이 사진에 나타난 아름다운 모든 물질이 138억년전 단, 3분만에 만들어진 수소원자에서 기인한다.)