유레카 3 - 열네번째 이야기
(거시우주와 미시우주에 서로 다른 규칙이 상존하듯이, 우리 우주를 지탱하기 위해서는 팽창하는 힘과 결집하는 힘이 동시에 필요하다)
1부. 우주
5장. 암흑물질 2
* 이 글은 <유레카3>의 14번째 글입니다. 우주와 생명에 대한 철학적 진실을 탐구하고, 그를 바탕으로 새로운 삶의 방식을 제시하고자 합니다. 1부 우주, 2부 생명, 3부 길로 구성되어 있으며, 26장 73편의 이야기로 나뉘어져 있습니다. 이 글을 접하시는 모든 분들이 제가 깨달은 것을 함께 깨달아, 지성의 즐거움을 함께 만끽하며, 인류와 생명의 진보와 진화의 길을 함께 걸어가게 되기를 기대합니다.
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37. 암흑물질의 존재 이유와 비율
우리 태양계의 행성들을 살펴보면 태양에 중력에 의하여 태양 가까이에 있는 행성이 태양으로부터 멀리 있는 행성보다 빨리 회전한다. 이유는 태양의 중력에 끌려가지 않기 위해서는 가까이 있는 행성은 더 빨리 회전해야 하기 때문이다. 즉, 수성 금성 순으로 빨리 공전을 하고 천왕성 해왕성은 천천히 태양 주위를 공전한다. 그런데 은하를 살펴보면 태양과 같은 별들이 은하 중심을 공전하는데 가까이 있는 별이나 태양처럼 은하 중심에서 멀리 있는 별이나 공전 속도가 크게 차이가 나지 않은 것으로 밝혀졌다. 우리가 눈으로 볼 수 있는 우주의 물질만으로는 이러한 형태로 은하들이 엄청난 속도로 돌면서도 별들이 사방으로 흩어지지 않는 이유를 설명할 수 없는데, 이는 어떤 강력한 중력이 은하들을 흩어지지 않게 결속시키고 있다는 것이고, 이것이 바로 암흑물질이 존재한다는 증거인 셈이다.
또한 은하의 운동을 통해 그 은하의 질량을 추정할 수 있는데 이를 통해 은하의 전체 질량을 계산한 결과, 실제 보이는 은하의 질량을 모두 합한 것보다 훨씬 큰 물질이 존재한다는 사실을 알게 되었다. 이 과학적 계산으로 암흑물질은 눈에 보이는 광학물질의 약 6배가 있다는 사실을 알게 되었다.
(그림과 같이 우리 은하는 반경 5만 광년에, 두께 1만5천광년 크기의 비교적 작은 은하에 속한다. 우주에는 우리 은하보다 훨씬 더 큰 은하가 많이 있다. 우리 태양은 우리 은하의 중심에서 약 3만광년 떨어져 약 2억5천만년 주기로 은하를 공전하므로, 태양은 지구를 비롯한 우리 태양계의 구성원들을 이끌고 초속 약 217Km의 속도로 은하의 공간을 여행하고 있다.)
지금 과학자들은 몇 가지로 추정되는 암흑물질을 찾는데 혈안이 되어있다. 아마 가까운 시기에 암흑물질들을 하나씩 찾아내게 된다면, 발견 될 때 마다, 2013년 힉스를 찾아낸 것처럼 세상과 과학계는 발칵 뒤집힐 것이고, 새로운 입자모형과 우주 모형이 만들어지게 될 것이다.
만약에 올해 암흑물질 중 하나라도 발견한다거나 혹은 암흑물질을 구성하는 메커니즘을 발견한다면, 앞에 급팽창이론의 증거를 찾아낸 팀과 노벨 물리학상을 두고 치열하게 경쟁할 지도 모를 일이다.
38. 암흑물질에 대한 철학적 고찰
광자와 같이 힉스장과 반응하지 않는 물질이 있다면 당연히 광자와 반응하지 않는 물질도 있을 것이다. 아마도 암흑물질을 찾아내는 것은 기술적 어려움의 문제이지 결국은 시간과의 싸움이 될 것이다. 문제는 과연 암흑물질이 광학물질의 6배나 되는 양 만큼 많을 것인가 하는 문제이다.
우리는 여기에서 또 한번의 합리적 의심을 하여야한다. 암흑물질이 거시공간에 존재하는 것이고 광학물질의 6배나 되는 어마어마한 양이라면 벌써 밝혀졌어야 하지 않았을까 하는 의구심이 든다. 앞에서 이야기하였듯이 인류의 과학은 우리의 생각보다 훨씬 더 앞에 있다. 힉스입자는 단지 그 이론만 믿고 어마어마한 거금과 노력을 들여 만들어서 발견했는데, 당연히 있어야 하는 암흑물질, 암흑에너지, 중력자 등과 같은 것을 아직까지 발견 못한 것은 혹시 없거나 다른 방식으로 작용하는 것은 아닐까하는 의구심이 들게 하기에 충분하다. 또한 나의 철학적 추론처럼 거시 공간을 팽창력을 주도하는 빛의 영역으로 정의한다면 광자에 반응하지 않는 물질이 거시공간에 존재하는 것은 불가능할지도 모른다.
그리고 암흑물질 중 몇 가지를 찾아낸다 하더라도 광학물질의 6배에 해당하는 많은 양을 거시 공간에서 찾기는 어려울 수도 있을 것이다. 그래서 나는 미시 공간에서 그 답을 찾으려한다.
결론적으로 암흑에너지가 우주를 팽창시키는 힘이라면 암흑물질은 은하를 흩어지지 않게 결집시키는 힘의 역할을 하고 있다. 철학적 관점으로는 이 역할이 중요한 것이다. 앞글에서 나는 결집시키는 힘을 수축력으로 정의하였고 그것이 글루온과 관계가 있을 것이란 추측을 하였다. 이렇게 생각하는 또 하나의 이유는 물질의 질량은 힉스에게서 주어진다고 하였지만 물질 질량의 대부분은 글루온과 관계가 있을 것으로 추정되기 때문이다.
힉스장이 up쿼크에게 준 질량은 2.4MeV/c^2이고, down쿼크에 준 질량은 4.8MeV/c^2이다. 그러면 up쿼크 2개와 down쿼크 1개로 이루어진 양성자의 질량은 당연히 9.6MeV/c^2이어야한다. 중성자의 질량은 up쿼크 1개와 down쿼크 2개로 이루어졌으므로 12.0MeV/c^2이어야 한다. 그러나 실제로 양성자의 질량은 약 938.3MeV/c^2이고, 중성자의 질량은 939.6MeV/c^2이다. 수학적인 계산과는 약 100배 정도 차이가 난다. 과학자들은 이런 원인을 글루온의 강력한 에너지 작용으로 설명하지만 정확한 이유를 알지는 못한다. 물론 물질 4%에는 쿼크의 질량이 아니라 원자의 질량의 합으로 표현된다. 그렇다면 우리가 알지 못하는 새로운 질량 체계가 있다는 이야기이고, 그것은 질량을 구성하는 방식에 대한 의문을 들게한다. 원자 질량의 대부분은 사실 힉스와는 관계가 없는 질량이다.
이와 같은 방식으로 암흑물질은 실존하는 것이 아니라 어쩌면 주어진 상수일수도 있지 않겠는가는 생각을 하게한다.
거시우주와 미시우주에 서로 다른 규칙이 상존하듯이, 우리 우주를 지탱하기 위해서는 팽창하는 힘과 결집하는 힘이 동시에 필요하다.
어느 한 힘만 있다면 우주는 흩어지거나 수축하여 소멸된다. 나는 이것을 이미 팽창력과 수축력으로 표현하였으며 힘과 관련이 있을 것이란 이야기를 하였다.
우리 눈은 사실 카메라처럼 사물을 거꾸로 인식한다. 그러나 우리는 오랜 진화의 과정을 통해 거꾸로를 거꾸로 인식하여 사물을 똑바로 보는 것 처럼 보고 있다.
우리가 인식하는 이 거대한 우주의 공간과 질량과 에너지는 사실은 우리의 인식이 나은 착각의 산물일 것이다. 다만 우리는 이 공간과 시간에 갇혀있기 때문에 지금 우리가 인식하는 것을 실존이라고 생각할 수밖에 없다.
불과 몇 백 년 전까지는 대부분의 사람들은 지구는 태양이나 달처럼 둥그런 것이 아니라 거대한 평면이라고 생각을 하였다. 물론 과학자들과 철학자들은 이미 오래전에 지구가 둥글다고 생각한 사람들이 많이 있었다. 인간이 지구를 떠나 우주에서 지구를 보았을 때 비로소 우리 지구가 둥글다고 확인 할 수 있었다. 그 전에 여러 가지 간접적인 증거들을 통해 지구가 둥글다는 것을 점차로 깨달아 가고는 있었지만, 그것은 이러저러한 이유로 둥글겠구나 하는 추론과 확신이지 결국은 인류가 우주로 나가 지구의 둥근 모양을 직접보고 사진으로 찍고 해서 확인된 사실인 것이다.
39. 에라토스테네스의 둥근 지구
약 2200년 전 그리스의 에라토스테네스는 지구가 둥글다는 것을 이미 알고 지구의 반경까지 계산하였다. 비록 실제보다 조금 크게 계산되었지만(7365Km-실제 약 6400Km) 아무도 지구가 둥글다는 것을 몰랐을 그 때 그는 홀로 지구 반지름을 계산하였던 것이다.
(에레토스테네스의 지구 반지름 계산 방식을 표현한 그림)
그리고 거의 2천년이나 지난 근세에 와서야 당시의 과학자들은 지구가 둥글고, 자전과 공전을 한다는 것을 목숨을 걸고 이야기했어야 했다. 지구가 둥글고 움직이는 것은 신성모독이었기 때문이었다. 관념의 착각은 사실을 뒤엎어 버릴 수도 있다.
암흑물질에 대한 과학의 관념은 사실과 많은 차이가 있을 수 있다. 그 차이를 극복하는 것은 통찰이다.
40. 갈릴레이의 종교 재판
1632년 갈릴레이는 그의 저서에서 지동설을 주장한 혐의로 종교 재판을 받았다.
1610년 목성의 위성을 관측한 갈릴레이(G.Galilei)는 지동설을 지지하였고, 이로 인하여 1616년 재판이 열려, 교황청으로부터 앞으로 지동설에 대해 일체 말하지 말라는 경고를 받았다.
갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564년 2월 15일 ~ 1642년 1월 8일) 이탈리아에서 태어난 철학자이자 과학자, 물리학자, 천문학자이고 과학 혁명의 주도자이다
1632년 교황 우르바누스 8세(Urbanus VIII)는 코페르니쿠스(N.Copernicus)의 지동설이 잘못되었음을 비교하기 위해 「프톨레마이오스와 코페르니쿠스의 양대 세계 체계에 관한 대화」의 출판을 허가했다. 그러나 이 책의 내용은 표면상 천동설을 지지하는 듯 보이나, 실질적으로는 지동설을 주장하고 있었다. 갈릴레이는 1633년 로마로 소환되었다. 소환 이유는 지동설을 틀린 이론으로 다루지 않았으며, 조석 운동의 원인을 지구 운동으로 설명하였으므로, 결과적으로 1616년 재판에서의 교황령을 무시하였다고 판단했기 때문이었다. 세 차례의 심문을 거친 후 갈릴레이는 지구가 태양의 주위를 돌지 않는다는 것을 서약한 후 법정을 나서면서 '그래도 지구는 돌고 있다'라는 명언을 남겼다. 그의 서약에도 불구하고 갈릴레이는 유죄 판결을 받는다. 물론 형을 살지는 않았다. 지금의 '집행유예'라고 하면 맞을 것이다.
갈릴레이가 죽은 지 100년 쯤 지난 1757년, 교황청은 비밀리에 그의 유죄를 취소하였으며, 이후 1835년 그의 저서를 금서 목록에서 해제하였다. 이후, 1991년 교황 요한 바오로 2세(Johannes Paulus II)가 갈릴레이는 교회에 의해 박해받았으며 갈릴레이는 위대하다고 선언함으로써, 갈릴레이에 대한 완전한 명예 회복이 이루어졌다.
(1984년 한국을 방문한 요한 바오로 2세와 김수환 추기경)
갈릴레이가 위대한 과학자임도 물론 사실이지만, 그냥 얼렁뚱땅 넘어갈 수도 있는 오래전의 잘못된 문제를 '교회는 무오류하다.'라는 교회의 오랜 전통을 깨고 잘못을 솔직히 시인하고 용서를 구한 교황 요한 바오로 2세의 용기도 실로 대단한 일이다.
요한 바오로 2세는 1994년 '3,000년기를 맞이하는 칙서'를 통해 역대 교황으로서는 처음으로 교황청과 가톨릭교회가 과거에 하느님의 이름으로 저질렀던 수많은 불관용들과 불의에 대한 침묵(십자군 원정, 종교재판, 타 교파에 대한 배타적이었던 모습 등)을 인정하고 인류 앞에 사죄하여, 교회의 어두운 과거사를 반성하였다.
내가 깨달은 관념우주도 인류가 보편적 인식을 하기 위해서는 아마도 많은 시간이 필요할지도 모를 일이다.
동굴 한쪽에서 명상에 잠겨 있던 나는 깜빡 잠이 들었다. 꿈에서 나는 나비가 되어 우주를 날아가고 있었다.
태양 저 너머에 장자의 나비가 마중 나와 태양을 조명삼아 한바탕 신나게 나비춤을 추고 은하와 은하 사이를 돌아다니며 놀았다. 나는 나비인가? 나비가 나인가?
원문 ; 2014년 2월 21일
1차 수정 ; 2014년 4월 11일
2차 수정 : 2014년 10월 18일
3차 수정 : 2015년 11월 25일