[북툰] 1. 빅뱅의 순간에 일어난 일│6분만에 정리하는 우주의 역사

 

 

예전만큼 자주는 아니지만 우리는 가끔 밤하늘을 올려다봅니다.

예전만큼 밝지는 않지만 여전히 빛나고 있는 별을 바라보며

우주의 기원을 궁금해하고 인간의 존재 의미를 생각합니다.

 

우주는 어떻게 태어났으며 까마득한 시공간의 광활함 속에서

나라는 존재는 어떤 의미를 가지고 있을까?

 

지금으로부터 140억 년 전

우주의 기원은 우리가 방금 찍었던 물음표의 1조분의 1보다 작은 크기에서 시작되었습니다.

無에 가까운 작은 점이 바로 우리가 궁금해 하는 태초인 셈입니다.

 

그 속에는 현재의 모든 것

즉 우주의 전체 시공간, 물질, 에너지가 따로 구분되지 않고

하나로 뭉쳐있었습니다.

태초의 점은 대단히 뜨거웠습니다.

 

그래서 상상할 수 없이 빠른 속도로 팽창하는 수밖에 없었습니다.

140억 년 뒤의 우리는 이 팽창을 빅뱅이라 부릅니다.

빅뱅이 시작되던 지극히 찰라의 순간에는 과연 어떤 일들이 벌어졌을까요?

 

0초부터 10–43 분의 1초까지의 시간,

상상을 초월하는 이 시간을 프랑크시기라고 부릅니다.

프랑크 시기는 우주 최초의 시간이면 물리적으로 의미가 있는 최소 단위의 시간입니다.

그렇다면 우주 최초의 순간에도 현대에 밝혀진 보편적인 물리이론들이 똑같이 작용을 했을까요?

 

일반 상대성 이론은 중력처럼 거시세계를 설명하는 이론이고

양자 역학은 분자, 원자, 아원자 입자처럼 미시세계를 설명하는 이론입니다.

 

두 이론은 거시와 미시세계를 각각 설명하는 보편적 이론이지만

두 세계를 동시에 설명해주는 통합된 이론은 아직 세상에 나오지 않았습니다.

플랑크 시기에는 거시세계 역시 미시세계와 마찬가지로 아주 작았을 것입니다.

 

그래서 물리학자들은 플랑크 시기가 일반 상대성 이론과 양자 역학이 하나로 통합된 어떤 새로운 이론이 통하는 어떤 미지의 세계였을 것이라 추측합니다.

중력은 플랑크 시기가 끝나갈 무렵에 미지의 세계에서 꿈틀거리며 독립하기 시작합니다.

 

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우주의 나이가 10–35 초가 될 무렵 팽창하던 에너지 밀도가 낮아지면서

오늘날 우리가 아는 자연의 4가지 기본 힘이 자리하고 있습니다.

 

하나로 뭉쳐있던 힘이 전자기 약력과 강한 핵력으로 분리되고

전자기 약력은 다시 전자기력과 약한 핵력으로 쪼개집니다.

약한 핵력은 원소의 방사성 붕괴를 제어하고

강한 핵력은 원자핵을 묶어 두는 역할을 하며

전자기력은 분자 결합의 소임을 맡습니다.

 

그리고 이들 미시세계로부터 독립하기 시작한 중력은

거대한 질량의 물질을 하나의 덩어리로 뭉치는 위대한 임무를 맡게 됩니다.

 

 

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우주는 펄펄 끓는 죽 같은 상태가 되었습니다.

극도의 고온으로 인해 빛에너지를 지닌 광자는

자신이 가진 높은 에너지를 순간적으로 물질 반물질의 입자쌍으로 전환시킵니다.

 

이렇게 생긴 입자 반입자의 쌍은 서로 소멸하면서 다시 광자에너지를 분출하기를 반복합니다.

그러니까 + - 0 인 상태를 끝없이 반복하는 것입니다.

 

만약 우주가 이 시기에 완벽한 쌍소멸 상태로 계속 팽창했다면

지금의 우주는 물질이 하나도 없고 광자만 존재하는 아주 멋대가리 없는 세상이 되었을지 모릅니다.

 

‘빛이 있으라’가 아니라 ‘빛만 있으라’의 세상 말입니다.

다행스럽게도 쌍소멸 과정에서 아주 근소한 차이로 물질입자가 조금 더 살아남았습니다.

 

그 근소한 차이란 반물질 입자 10억 개에 물질 입자 단 1개 더 많은 수준이었습니다.

그러니까 우주는 10억개 + 1의 차이로 물질우세의 세계가 된 것입니다.

 

밤하늘의 별도 그 별을 바라보는 우리도

바로 그 10억개 +1의 차이 때문에 존재하게 되었습니다.

 

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우주의 온도가 급격히 떨어졌습니다.

그래봐야 여전히 1조도의 엄청난 고온이지만

태초의 뜨거움에 비한다면 정말 미지근한 수준이라 할 수 있습니다.

우주가 계속 식어가고 밀도가 옅어짐에 따라 10억개 +1개에서 살아남은 입자들끼리 뭉쳐진 새로운 입자가족이 탄생합니다.

 

하드론이라 불리는 이 새입자 가족들은 이후에 은하, 별, 행성 그리고 페트니아 꽃에 이르기까지

오늘날 우리가 보는 물질세계의 삼라만상의 원재료가 됩니다.

 

 

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우주의 나이가 비로소 스마트폰으로도 잴 수 있는 단위인 1초가 되었습니다.

이제 우주는 수광년의 크기로 팽창했습니다.

팽창과 더불어 우주 온도가 떨어지면서 양성자와 양성자, 또는 양성자와 중성자가 결합해 원자핵이 만들어집니다.

 

이렇게 태어난 원자핵들의 90%는 수소가 되고

나머지 10%는 대부분 헬륨이 되었습니다.

그 나머지는 극소량의 중수소, 삼중수소, 리튬이 되었습니다.

우리들의 몸을 만들어 줄 원재료가 점점 가공되고 있습니다.

 

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천년이 380번 지나는 동안 우주의 온도는 태양 표면의 절반 수준까지 떨어졌습니다.

그러자 자유 전자들이 모두 원자핵과 결합하기 시작했습니다.

 

그때부터 물질의 결합과 분포상태는 우주의 영원한 기록으로 나왔습니다.

원시 우주에서 이루어지던 각종 입자와 원자들의 형성도 이때 마무리되었습니다.

 

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빅뱅 이후 10억년 동안 중력이 물질을 끌어당기면서

오늘날 우리가 은하라고 부르는 덩어리들이 탄생했습니다.

 

이 과정에서 거의 천억 개에 이르는 은하가 형성되었으며

각 은하는 또다시 평균 천억 개의 별들을 잉태합니다.

 

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같은 식으로 핵융합 반응이 끊임없이 일어나길 90억년 뒤

우주 한 구석에는 매일 아침 우리의 눈을 뜨게 만드는 존재

바로 태양이 탄생합니다.

 

태양계 주변을 맴도는 기체구름은 원시행성체를 만드는 재료가 되었습니다.

그리고 태양으로부터 적당히 먼 거리에서 원시행성체 하나가 자리 잡기 시작합니다.

 

적당히 먼 거리라 물이 액체상태로 존재하기에 딱 알맞은 거리를 말합니다.

(=1억 5천만 Km)

 

액체 상태의 물은 행성 표면을 뒤덮는 바다가 되었습니다.

바다에서 기어나온 포유류 중 하나는 우주 입자들 중 거의 유일하게 밤하늘의 별을 보며

우주의 기원과 자신의 존재에 대해 의문을 품는 생명체로 진화했습니다.

 

 

작은 점에서 시작해 140억 년 만에 일어난 일입니다.

이 이야기는 미국의 천체물리학자 닐 디그래스 타이슨이 쓴

<날마다 천체물리> 첫 장에 나오는 이야기입니다.

 

책 전문에는 이런 말이 적혀 있습니다.

“두툼한 책을 읽기에는 너무 바쁘지만

늘 우주를 그리워하는 모든 현대인을 위하여..”