엔드 오브 타임 요약 정리: 브라이언 그린이 말하는 우주의 시작과 끝

  우주는 어떻게 시작되었고, 현재 어떻게 진행되고 있으며 어디로 가고 있을까? 우주에 조금이라도 관심을 갖고 있었다면 누구나 한 번쯤 이런 질문을 해봤을 것이다. 고대부터 현재까지 우주를 연구하던 수많은 과학자들은 이 질문에 대해 수없이 많은 연구를 해왔고, 관련된 수많은 가설을 내놓았다. 아직 우주의 진실에 대해서는 밝혀진 사실보다 베일에 쌓여 있는 부분이 더 많겠지만 그동안 인류가 이뤄놓은 업적을 종합해보면 우주에 대한 흥미로운 사실들을 알고 우주를 조금이나마 이해할 수 있을 것이다. 브라이언 그린은 책 <엔드 오브 타임>을 통해 지금까지 인류가 우주에 대해 밝혀낸 흥미로운 사실들을 한 권의 책으로 알기 쉽게 요약해 놓았다. 우주의 탄생과 진화 그리고 종말에 대해 조금이라도 궁금증을 가져왔던 분들은 <엔드 오브 타임>을 매우 흥미 있게 읽을 수 있을 것이다.

  <엔드 오브 타임>은 지금까지 인류가 우주의 탄생과 진화에 대해 알아낸 사실들과 우주의 종말에 대한 예측들을 요약해놓은 책이다. 이 책에서는 빅뱅은 어떻게 시작되었는지와 우주는 어떻게 현재의 모습으로 진화하였는지, 생명체는 어떻게 탄생하였고 현재의 모습을 유지하고 있는지, 그리고 우주는 어떻게 종말 할 것인지와 같은 흥미로운 주제들을 일반인도 알기 쉽게 설명해준다.

  우주의 수명에 비해 인간의 수명은 찰나의 순간도 안 될 만큼 짧다. 그런데 이런 인간이 지금까지 우주에 대해 이렇게나 많은 사실을 알아내 왔다는 사실이 놀랍게 느껴졌다. 특히 생명체가 어떻게 시작되었고 유지되고 있는지는 생물학의 영역인 줄 알았는데 이것 역시 물리학으로 어느 정도 설명이 가능하다는 사실은 놀랍게 느껴졌다. 하지만 아직은 우주에 대해 인류가 이해하고 있는 사실보다 이해하지 못하고 있는 사실들이 더 많을 것이기 때문에 더 많은 연구가 필요할 것이다. 평소에 우주에 대해 조금이라도 관심을 가져왔던 분이라면 브라이언 그린의 책 <엔드 오브 타임>을 읽어보기를 추천한다.

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우주의 시작, 빅뱅

  태초의 우주는 아주 작은 입자에 불과했지만 어느 순간 그 입자가 폭발을 일으켜 빛보다 빠른 속도로 팽창하기 시작했고 현재의 모습에 다다르게 되었다. 이것이 우리가 알고 있는 '빅뱅 이론'이다. 현재까지 빅뱅 이론은 현존하는 물리법칙들과 가장 잘 들어맞기 때문에 거의 정설처럼 받아들여지고 있다. 그런데 빅뱅은 어떻게, 그리고 왜 시작되었을까?

  빅뱅은 밀어내는 중력에 의해 발생했다. 아인슈타인의 장방정식에 의하면 중력은 당기는 방향뿐만 아니라 밀어내는 방향으로도 작용할 수 있다. 우주에는 우주 연료라고 불리는 물질이 가득 차 있고, 그 안에 포함된 에너지가 별이나 행성처럼 특정 지역에 집중되지 않고 고르게 퍼져 있으면 중력은 밀어내는 방향으로 작용한다. 지름이 10억*10억*10억 분의 1미터밖에 안 되는 작디작은 영역에 특별한 형태의 에너지 장이 형성되어 있고 이 에너지가 욕실의 수증기처럼 균일하게 분포되어 있으면 밀어내는 중력이 작용한다. 이런 에너지를 '인플라톤'이라고 부른다. 태초의 우주인 작은 입자 안에서 어느 순간 인플라톤 장이 균일하게 분포되었고 밀어내는 중력이 작용하여 빅뱅이 일어난 것이다.

  빅뱅이 일어난 후, 우주 전역에서 입자의 반응이 빠르게 진행되어 양성자, 전자, 중성자 등 우리에게 익숙한 입자들이 만들어지기 시작했다. 그리고 다행히 인플라톤 장의 값이 완벽히 균일하지는 않고 거의 균일한 덕분에 주변보다 약간이라도 밀도가 높은 지역은 다른 지역에 비해 조금 강한 중력을 행사하였고 많은 입자가 모여들게 되었다. 그리고 수억 년이 지난 후, 입자 밀집 지역은 질량과 압력 그리고 온도가 엄청나게 높아져서 자체적으로 핵반응을 일으킬 수 있게 되었다. 이것이 우리가 알고 있는 항성, 즉 태양과 같은 별이다.

 

 

생명체의 탄생

  열역학 제2법칙 또는 엔트로피 증가의 법칙에 의하면 우주의 엔트로피는 항상 증가한다. 즉, 우주는 시간이 흐를수록 무질서해진다. 그런데 언뜻 보면 생명체는 엔트로피 증가의 법칙을 따르기 않는 것처럼 보인다. 물질이 뭉쳐서 생명체가 되면 신체 내부의 질서가 꽤 오랫동안 유지되고 후손을 낳으면 그 안에서 새로운 질서가 탄생한다. 만약 생명체에게도 엔트로피 증가의 법칙이 적용되었다면 지구상의 생명체들은 진작에 전멸했을 것이다. 어떻게 생명체에게서는 엔트로피가 증가하지 않고 감소할 수 있었을까?

  생명체의 엔트로피가 증가하지 않고 감소할 수 있었던 이유는 중력과 핵력 덕분이다. 물리학자 슈뢰딩거는 생명체가 음의 엔트로피를 섭취함으로써 증가하는 엔트로피에 저항한다고 설명했다. 인간과 맹수 등 먹이 사슬의 최상위에 있는 동물에서 시작해서 아래로 내려가다 보면 햇빛을 먹고사는 식물에 도달하게 된다. 식물 세포는 태양이 뿜어내는 광자를 통해 에너지를 얻고 다양한 기능을 수행하고 있다. 그리고 이런 식물을 섭취한 동물들도 에너지를 얻을 수 있다. 태양과 같은 별이 존재할 수 있었던 것은 중력과 핵력 덕분이다. 중력은 우주에 존재하는 기체들을 끌어당겨 별을 만들어낸다. 그리고 이 과정에서 핵력에 의해 핵융합 반응이 일어나게 되고 대량의 열이 방출되면서 주변 공간의 엔트로피를 증가시키는 광자를 방출한다. 중력은 물질을 응축시켜 안정된 환경을 제공하고 핵력은 수십 억 년 동안 고품질의 에너지원인 광자를 대량으로 생성하여 지구 생명체를 먹여 살려왔다. 그러므로 핵력과 중력은 생명을 유지시키는 저 엔트로피 연료이다.

 

 

시간의 끝

  미래에는 천문학이 퇴보할 가능성이 높다. 현재의 가속 팽창이 유지된다면 1조 년 후에는 팽창 속도가 광속을 초과하게 된다.  그때는 모든 은하들이 빛보다 빠른 속도로 멀어지게 되어 은하들이 방출하는 빛이 더 이상 지구에 도달할 수 없게 된다. 아인슈타인의 상대성 이론에 의하면 모든 물체는 빛보다 빠르게 이동할 수 없지만 그것은 공간을 가로질러 이동하는 물체에게만 적용된다. 공간은 빛보다 빠르게 팽창할 수 있다. 은하는 팽창하는 공간을 타고 빛보다 빠르게 멀어질 것이다. 하지만 은하가 방출하는 빛은 광속을 초과할 수 없기 때문에 빛이 지구에 도달하지 못한다. 그때의 인류는 현존하는 천문학 이론들을 원시 인류의 낭만적인 착각으로 간주하고 우주는 영원히 변하지 않는다는 정적 우주론을 정설로 받아들일 가능성이 크다.

  앞으로 100조 년이 지나면 모든 은하에서 별이 더 이상 탄생하지 않게 될 것이다. 우주가 팽창하는 이유는 밀어내는 중력 때문이다. 밀어내는 중력의 힘은 암흑물질에 의해 점점 강해지고 있고, 우주는 가속 팽창하고 있다. 그리고 별이 생성되려면 별의 재료가 되는 물질들이 뭉칠 수 있어야 하는데 앞으로 100조 년이 지나면 밀어내는 중력의 힘이 너무 강해서 더 이상 별이 탄생할 수 없을 것이다. 따라서 지금으로부터 100조 년 후에는 더 이상 별이 탄생하지 않을 것이다.

  시간이 지날수록 더 많은 행성들이 모항성을 잃고 우주 공간을 떠돌게 될 것이다. 우주에는 수많은 떠돌이별, 즉 소행성이 존재한다. 무거운 별이 행성 가까이 접근하면 중력에 이끌려 행성이 공전 궤도를 벗어나 우주를 떠돌게 된다. 따라서 10^19 년을 지나 10^20 년으로 나아갈 때쯤에는 웬만한 은하는 이런 식으로 모든 별을 잃고 빈털터리가 될 것이다.

  지구가 10^23년까지 현재 궤도를 유지한다고 해도 그때는 에너지를 조금씩 잃다가 결국은 나선 궤도를 그리며 오래전에 죽은 태양으로 빨려 들어갈 것이다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 우주에는 중력파가 존재한다. 중력을 가진 천체가 움직일 때마다 공간의 구조가 교란되면서 밖으로 퍼져나가는 파동이 생성되는데 이것이 중력파이다. 모든 천체는 중력파에 의해 저항을 받아 조금씩 에너지를 잃고 있다. 은하들도 이와 비슷한 과정을 밟는다. 대부분 은하의 중심에는 우리 태양의 수백 만에서 수십 억 배에 달하는 초대형 블랙홀이 자리 잡고 있는데 10^23 년 후에는 은하의 모든 별들은 중력파에 의해 에너지를 잃어 중심부의 블랙홀로 빨려 들어갈 것이다.

  지금까지 설명한 내용은 우주가 끊임없이 팽창할 것이라는 가정 하에 진행된 시나리오이지만 반대로 우주가 다시 수축할 수 있다는 이론도 있다. 현재 우주가 가속 팽창하는 이유는 암흑 에너지와 암흑 물질 때문이다. 하지만 일부 과학자들은 암흑 에너지와 암흑 물질의 양이 줄어들 것이라고 예측한다. 그 생각이 맞다면 우주가 팽창하는 힘이 점점 약해지다가 결국 우주가 다시 쪼그라들고 태초의 우주인 특이점으로 돌아올 수 있다. 이것이 빅 크런치 이론이다. 또는 빅 크런치와 같은 이유로 우주가 수축하다가 어느 순간 다시 밀어내는 중력이 작용하여 다시 우주가 팽창할 수도 있다. 이렇게 해서 우주는 끊임없이 팽창과 수축을 반복하는 주기적 우주가 될 수 있다. 이것이 빅 바운스 이론이다.

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  지금까지 브라이언 그린의 책 <엔드 오브 타임>에 소개된 내용에 근거하여 우주는 어떻게 시작되었고 끝날 것인지, 그리고 생명체는 어떻게 유지되고 있는지에 대한 이론을 살펴보았다. 책 <엔드 오브 타임>은 지금까지 인류가 알아낸 우주에 대한 지식을 한 권의 책 안에 요약해낸 탁월한 책이다. 우주에 대해 조금이라도 관심을 가져본 적이 있는 사람이라면 우주는 어떻게 시작되었고 끝날 것인지에 대해 궁금증을 가져본 적이 있을 것이다. 우리는 책 <엔드 오브 타임>을 통해 그동안 우주에 대해 가져왔던 궁금증에 대한 해답을 얻을 수 있을 것이다.

  우주의 수명에 비해 인간의 수명은 보잘것없을 정도로 짧다 그런데 인류가 그동안 우주에 대해 이렇게나 많은 지식을 알아냈다는 사실은 놀랍게 느껴진다. 특히 생명체가 어떻게 유지되고 있는지와 같은 주제는 생물학의 영역이라고 생각해왔는데 물리학으로도 어느 정도 설명이 가능하다는 사실이 놀랍게 느껴졌다. 하지만 여전히 우주에 대해 인류가 알아낸 사실보다 더 연구해야 할 주제가 더 많다. 우리는 그동안 인류가 알아내 온 지식들을 공부하고 더 알아내야 할 부분들을 연구함으로써 우주에 대해 더 알아가야 할 것이다. 평소에 우주에 관심을 가져왔던 분들에게 브라이언 그린의 책 <엔드 오브 타임>을 추천한다.

 

 

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