인간이 달에 첫 발을 디딘지 어언 반세기가 다되어 간다. 그런데도 아직까지 달에 사람을 보낸 국가는 미국이 유일하다. 무인 탐사선일망정 달에 탐사선을 착륙시킨 나라도 미국, 러시아, 중국 3개국에 불과하다. 달에 가는 것이 그만큼 어려운 일이라는 반증이기도 하지만 왜 우리는 그토록 달에 가고 싶어 하는 걸까? 미지의 것에 대한 호기심과 상상력이 인간의 본능 중 하나라고 하지만 보다 근본적인 이유가 있을 것 같다.


달에 착륙한 인류


얼마 전에 미국의 트럼프 대통령이 달 유인탐사를 재개하는 행정지침에 서명을 했다는 뉴스가 떴는데 이는 그동안 유인탐사가 답보상태에 있었다는 얘기다. 막대한 예산과 인력과 첨단기술이 총동원되어도 실패 사례도 잦은 우주계획이다 보니 계획을 적극적으로 밀어붙이는 것에 여론의 공감대를 형성하는 것이 무엇보다도 중요한 일이다. 우주계발을 왜 해야하는가의 당위성 문제는 굳이 '다행성 문명의 인류로 진출하기 위하여'라는 일론 머스크의 비전같은 것을 거론하지 않더라도 미지의 세계로 나아가는 것은 인류 문명의 진화 방식이었다. 지구가 우주의 아주 작은 한 부분임을 간파한 인류가 우주로 진출하는 것은 당연한 귀결이다. 달에 인간을 보내고 우주정거장을 설치하는 일 등은 인류가 우주를 향한 원대한 꿈의 교두보를 만드는 일일 것이다.


달에 우주의 교두보를 마련하는 것이 인류의 선결과제이긴 하지만 인류가 달에 안전하게 착륙하기까지는 실로 지난한 정보수집과 시뮬레이션 훈련을 거쳐 실제로 도전하는 과정에 수많은 실패도 겪으며 이룩한 성취였다. 처음 달을 향한 우주계획에서는 달의 어떤 지점에 정확히 충돌하는 게 목표였다. 이 목표를 달성하자 탐사선을 일정한 지점에 정확하게 안착시키는 것으로 목표를 설정하자 상황은 완전히 달라진다. 초속 1600m로 달 궤도를 돌고 있는 탐사선이 정확한 위치에 안전하게 착륙한다는 것과 그냥 충돌하는 것과는 엄청난 기술적 차이가 있기 때문이다. 그럼 우선 인류가 어떤 기술과 방법을 사용하여 달에 갈 수 있었는지 그 과정을 한번 따라가 보자. 


인류 첨단기술의 집약체 탐사선


우주정거장처럼 지구궤도를 도는 인공위성과 달까지 날아가서 달에 착륙하는 탐사선과는 근분적으로 구조가 다르다. 보통 인공위성이 고도 2만km 상공의 지구궤도를 도는 데 반해 달까지 38만4천km를 비행하여 달에 착륙해야 하는 탐사선은 별도의 추진시스템이 필요하다. 인공위성과는 달리 지구권을 벗어나 다른 행성인 달까지 우주항해를 해야하는 만큼 자체추진력이 있어야 방향과 속도의 컨트롤이 가능할 것이다. 그러므로 달 탐사선은 지구궤도에서 운행하는 인공위성과는 달리 탐사선의 전반 이상의 무게가 연료로 채워진다. 달 탐사선은 하루에 수만km의 속도로 비행해도 달에 도착하기까지는 적어도 몇 일이 걸릴 것이고 착륙시 속도를 줄이기 위해 역추진도 해야 하는 등 연료소비가 많다. 그래서 심하면 탐사선 전체 중량의 70%를 연료가 차지하기도 한다. 그러나 한계 중량이 있기 때문에 연료가 많이 필요하다고 탐사선의 크기를 키울 수도 없는 노릇이다. 크기 축소를 위해 시스템 집적화와 가벼운 소재를 사용하는 기술이 필수적이다. 


지구궤도를 벗어나도 달 탐사선을 정확하게 달까지 보내고 달궤도로 진입시키기 위해서는 지구궤도, 지구와 달 전이궤도, 달궤도 진입 등 몇 단계의 난해한 궤도진입 과정을 거쳐야 하는데 이때 속도나 방향 혹은 각도가 조금만 어긋나도 탐사선은 달을 벗어나거나 달과 충돌할 위험에 처하게 된다. 이런 과정에 탐사선의 정확한 위치 파악은 필수인데 지구와 가까운 곳이면 GPS를 쓰면 되나 통신위성이 있는 고도 2만km를 벗어나면 GPS는 무용지물이 된다. 대신에 심우주 통신망(DSN, Deep Space Network)를 이용하여 지상국에서 무선전파를 쏘아 보내고 이것이 탐사선으로부터 반사되어 오는 시간을 계측하여 탐사선의 위치를 산출해 낸다. 


그런데 이 모든 기술에도 불구하고 가장 중요한 것은 경험이다. 달 궤도에 진입하고 달 착륙을 하는 과정에서 미국은 수많은 시행착오를 거쳐 성공을 일궈냈다. 그래서 축적된 경험이 있다. 지난한 우주개척에 있어 경험의 가치를 돋보이게 한 사례가 있다. 인도에서 화성 탐사선을 화성궤도에 진입시키는 과정에 NASA와 공동작업을 한 적이 있다. 양 측은 각각 탐사선으로부터 궤적 데이터를 받아 화성궤도 진입 시간을 계산했는데 양측의 수치가 각각 다르게 나왔다. 결국 경험의 가치를 존중한 인도 측에서 NASA의 계산 값을 받아들여 프로젝트를 성공시켰다. 미국은 달 탐사선을 비롯해 화성 탐사선까지 여러 번 성공시킨 경험이 있었지만 인도는 처음 시도했던 터이다. 그만큼 우주개발 프로젝트 같은 위험도 높은 미지의 분야 개척은 경험의 가치는 막대하다.


지구상에 고생대 말기까지 존재하던 판게아라는 하나의 거대한 대륙이 지각을 이루는 십여 개의 지각판들이 맨틀대류에 의해 조금씩 움직인 결과가 지금의 6대주 모습이다. 이때 판과 판이 부딪치는 경계에서 지진과 화산활동이 빈번하게 발생하게 된다. 즉 마그마 내에 포함된 가스가 기포를 형성해 이것이 지표의 약한 곳을 뚫고 나오는 것이 화산활동이다. 화산활동에는 화산폭발과 화산분출이 있는데 

화산재, 화산쇄설류, 화산탄, 부석 등을 뿜어내며 강렬하게 폭발하는 현상을 화산폭발이라 하고 그냥 마그마가 삐져나와 계곡을 따라

계곡물처럼 흘러가는 모습을 화산분출이라고 한다. 이러한 용암의 대량 분출로 이루어진 지형을 우리는 용암대지라고 부르는데 대표적인 곳들로는 우리나라의 개마고원, 인도의 데칸고원, 파타고니아대지 등이 있다.


"마그마의 세계" 캡춰 장면


지구 내부는 아직 45억년 전 지구가 형성될 당시의 이글거리던 불길이 내부 핵을 중심으로 살아있는데 이 높은 열로 암석이나 주위 물

질이 녹아있는 상태가 마그마이고, 이것이 지표로 방출되어 물처럼 흐르는 것이 용암이다. 용암이 갑자기 식어 태어난 가벼운 돌을 부석이라 하며 화산 폭발시 큰 용암 덩어리가 상공으로 높이 치솟아 급냉되면서 생긴 돌이 화산탄이다. 무엇보다 위험한 것은 화산쇄설류인데 이는 화산가스(이산화황, 이산화탄소, 수증기 등)와 화산재와 화산쇄설물(폭발시 나오는 고체물질) 등이 300-400도의 고온으로 시속 약 450km의 속도로 마치 폭풍처럼 대지를 휩쓰는 현상이다. 베수비오 화산의 이런 화산쇄설류로 폼페이 사람들이 그렇게 피할 틈도 없이 박제화 되었다니 무섭기 짝이 없다.


베수비오 화산은 지중해 화산대에 속해있는데 이는 지중해 중부에서 중앙아시아까지 동서로 길게 뻗어있다. 전세계의 주요 화산대는 

이 밖에도 지구상 화산의 70-80%를 차지하는 환태평양 화산대, 세계에서 가장 활발한 화산대로 100여 개의 활화산이 활동하고 있는 

자바 수마트라 화산대, 활화산이 60여 개 활동하고 화산지대가 남북으로 늘어선 동아프리카 화산대, 아프리카 서쪽 해양을 따라 섬들을 잇는 대서양 화산대 등 5개의 화산대로 나누어진다.  


이들 화산대에서 활동하는 위험한 활화산 3개만 들어보자. 칼리브해의 아름다운 열대 섬 몬세라트에 있는 수프리에르 힐 화산은 광란하는 용암 분출로 유명하다. 1995년 첫 폭발을 일으킨 이후 연쇄적인 폭발을 일으켜서 섬의 수도 대부분을 파괴했다. 폼페이를 멸망시킨 베수비오 화산 이래로 악명 높은 화산이 1883년 폭발한 인도네시아의 크라카타우 화산이다. 폭발시 화산재가 수천 마일 떨어진 영국까지 날아갔다고 하니 그 위력이 가히 짐작이 된다. 세계 5대 화산에 속하는 피통 드 라 푸르네즈 화산은 인도양의 레위니옹 섬에 있는데 지난 8년간 4차례의 폭발이 있었다. 열대수가 우거진 전원적인 평화로운 풍경의 이곳에 이렇게 무시무시한 화산이 도사리고 있다니 참 아이러니하다.


용암과 마그마로 지구의 심장을 토해내는 대자연의 드라마를 본다. 가공할 위력으로 삽시간에 주위를 초토화하는 화산은 지진과 마찬가지로 언제라도 터질 수 있다는 불예측성 때문에 더욱 위험하다. 그럼에도 불구하고 화산이 주는 이로운 점이 있다면 어떠한 것들이 있을까?


화산재로 뒤덮인 땅은 무척 기름지다. 인, 게르마늄, 칼륨 등 미네랄이 풍부하여 과일나무 등 농작물을 재배하기에 아주 좋은 토양이다.

이렇게 화산 주위의 농경지는 비옥하기 때문에 화산의 위험을 무릎쓰면서도 화산 지대를 떠나지 않고 농사를 짓는 사람들도 많다. 또 화산재로 찜질을 하면 몸의 독소를 제거해 주는 특별한 효능도 있기에 이를 이용해서 미용 팩을 만들기도 한다.

마그마에 의해 데워진 지하수인 온천의 유황 성분은 관절염이나 피부병에 탁월한 효과가 있어 치료 및 관광 자원으로 활용된다. 세계인의 휴양지인 하와이는 말할 것도 없고 우리나라의 대표적인 관광지도 제주도, 울릉도 같은 화산 섬이 주류를 이루고 있다.

또한 화산활동으로 분출된 여러 물질과 화산암은 지구 내부의 물질을 연구하는 데 적지 않은 도움을 줄 뿐만 아니라 여러가지 보석의 

재료가 되는 물질도 얻을 수 있다. 아이슬란드 같은 나라에서는 지열발전 등에 이용하여 전기를 생산하기도 한다니 무서운 화산 같은 자연에도 항상 양면성이 있는 것 같다.



우주에서 내려다 보이는 지구의 모습은 어떠할까? 영화 '그레비티(Gravity)' 영상에 비춰진 국제우주정거장(ISS)에서 바라보는 지구의 모습은 참으로 아름다웠다. 우주유영을 하는 두 남녀가 사랑을 나누기에도 더 없이 좋은 장소였다. ISS가 지구의 중력이 미치지 않는 무중력의 우주공간에 떠있는데 중력도 없는 곳에 어떻게 한 곳에 머물러 있을 수 있는지 신기하다. 여튼 여기서 보는 지구가 거대한 지구봉처럼 보이는데 지구를 들여다 보면 얼마나 자세히 볼 수 있을까? 궁금증이 인다. 그래비티 영화에서도 나오지만 주인공 스톤 박사가 중국의 우주정거장 톈궁(天宮) 1호를 타고 지구로 귀환하는 모습이 나오는데 톈궁 1호는 가상의 물체가 아니라 실제로 존재한다.


톈궁 1호는 2011년 9월에 중국에서 발사한 실험용 무인 우주정거장인데 5년이 지난 2016년 9월부터는 노후되어 더 이상 통제 불가능한 상태가 되어 버렸다. 중국의 우주 역량을 자랑하듯 발사되었을 초기에는 고도 350km 정도를 유지하면서 주어진 임무를 잘 수행했는데 이제는 기력이 다 했는지 지구 중력에 이끌려 하루에 1~2km 정도씩 고도가 낮아지고 있다. 이런 상태로 가면 서너 달 못가서 지구상에 추락할 위험이 있다. 보통의 우주쓰레기가 지구 대기권 내로 끌려들면 약 섭씨 3,000도에 이르는 마찰열을 견디지 못해 대부분 추락 도중에 산화해 버린다. 그런데 이번 톈궁 1호는 고도의 마찰열을 견디고 대기권에서 살아남아 지구 표면에 떨어질 가능성을 유럽우주국(ESA)가 경고했다. 그러면 어찌해서 우주쓰레기는 대부분 공중에서 산화하는데 반해 톈궁 1호만이 지표까지 살아남을까. 그것은 우주선이나 우주물체를 제작할 때 고온의 마찰열을 감당할 수 있도록 특수 소재를 쓰기 때문이다. 티타늄 같은 특수 합금을 우주물체의 재료로 쓰기 때문에 일반 우주쓰레기보다는 살아남을 확률이 큰 것이다. 근데 비록 톈궁 1호가 살아남아 지표에 추락한다 해도 인명 피해를 일으킬 확률은 사람이 벼락 맞을 확률보다 훨씬 작다고 하니 안심이 된다. 


우주에서 찍은 지구의 모습이나 천체의 환상적인 사진들이 심심찮게 눈에 띄더니 우주 관련 영화도 종종 나와 우리들 눈을 호사시키고 상상력의 경계를 확장시킨다. 우주를 테마로 삼아 광고하는 스케일 큰 광고물도 어렵지 않게 볼 수 있다. 우주를 향한 인간 불굴의 도전 같은 우주 탐사의 정신이 어떤 기업이든 홍보하기에 가장 적합한 소재가 되기 때문이다. 스마트폰 브랜드명 자체에 은하계란 뜻을 담고 있는 한 스마트폰 제조회사의 일본 법인은 실제로 우주복을 입고 지상 30km 상공의 성층권에 벌룬을 타고 올라가서 광고 사진을 찍으며 이를 SNS로 생중계까지 했다. 이쯤 되면 일종의 우주쇼라 할 수도 있겠다. 


ISS의 아빠가 우주에서 본 지상의 편지


우주 광고 중 가장 아름다운 우주 스토리가 있다. 13세의 스테파니란 소녀는 아빠를 무척 그리워했다. 보고 싶어도 자주 볼 수 없는 그리운 아빠는 국제우주정거장(ISS)가 일터인 우주비행사였기 때문이다. 국내 한 자동차 회사는 스테파니의 편지를 아빠에게 전해주기 위해 대형 프로젝트를 기획합니다. 네바다주 사막에 자동차 바퀴로 스테파니의 편지를 써서 우주의 ISS에서 근무하는 아빠가 보게 한다는 발상입니다. 실제로 11대의 차량이 동원되어 사흘에 걸쳐 사막에 자동차로 글씨를 썼습니다. 페루의 불가사의 나스카라인을 방불케 하는 스케일로 그린 이 글씨는 우주의 아빠 눈에도 띄어 아빠는 이를 사진으로 찍어 감사의 인사말과 함께 지구로 전송한다. 또 이 우주에서도 관측된 이 편지는 기네스북에도 올랐는데 '세계에서 자동차 타이어 트랙으로 만든 가장 큰 그림'이란 이름이란다. 이런 우주 광고로 우리의 생활 속으로 우주가 성큼 들어온 것 같이 느껴진다. 우주가 우주인만이 노니는 별세계가 아니고 보통 사람들도 향유할 수 있는 우리의 생활권 내의 친숙한 세계가 된 듯해 반갑다.





요즘같이 혹한이 몰아칠 때 따뜻한 온천수와 함께 노니는 온천욕이 그리워진다. 몇년 전에 아오모리의 일본 전통 요관을 전전하며 온천욕 여행을 한 적이 있다. 그때 어쩌면 일본에는 이렇게 많은 온천이 있을까. 이게 축복인지 재앙인지는 잘 모르지만 일본열도가 환태평양 조산대에 포함되어 있어 화산과 지진 등이 잦다. 이곳 땅 밑은 판과 판이 부딪혀 지열로 달궈진 땅이다. 땅이 살아서 꿈틀거리는 곳이 일본열도라 해도 과언이 아니다. 우리에게 잘 알려진 대표적인 온천지대인 규수의 온천지들, 구마모토, 우레시노, 벳부 등은 그야말로 땅의 열기로 가득찬 곳이다. 


대표적인 지열 및 화산지대로는 가고시마의 지대를 들 수 있는데 화산활동으로 2만9천년 전에 막대한 규모의 아이라 칼데라가 생성된 다음, 3천년 후에 칼데라 남쪽에서 거대한 화산이 폭발하여 사쿠라지마란 섬을 만들었다. 지금의 거대한 호수같은 만 긴코완은 아이라 화산폭발로 이루어진 함몰지역에 해수가 담겨서 형성된 분화구 만이다. 아이라 화산은 폭발 후 1주일 만에 60m의 화산재를 쌓아 올렸다. 가고시마 주변이 평탄한 대지로 이루어져 있는데 이를 시라스 대지라 부른다. 마지막으로 1946년 사쿠라지마 섬은 다시 용암분출로 육지가 되어 버렸다.  


온천은 화산지대의 지하수


사쿠라지마 온천수의 수온은 섭씨 51도다. 냉수를 섞지 않으면 도저히 온천욕을 할 수 없는 뜨거운 온도다. 이 곳의 이부스키 해안에서 즐기는 모래찜질이 유명하다. 모래찜질이 태양 빛에 달궈진 모래로 하는 것이 보통인데 여기서는 지열로 달궈진 모래로 찜질을 한다. 바다로 흘러드는 온천수가 데워둔 모래이다. 10분 이상을 찜질을 금한다고 하니 얼마나 뜨거운지 짐작이 간다. 동경, 고베 등의 지진으로 고통을 겪고 있지만 온천이나 화산지대를 관광자원으로도 활용할 수도 있으니 자연은 때론 재앙으로 때론 천혜의 자원으로 우리를 찾아오니 자연은 자연의 길을 갈 뿐 인간에겐 별 관심이 없는 듯 하다. 


지열발전


일본에는 지열 발전소도 많은데 한 지열발전소에서 뜨거운 온천수를 뽑아내어 터어빈을 돌리고 그 물을 자연으로 되돌리는데 엄청 골머리를 썩히고 있었다. 되돌리는 물이 아무리 애를 써도 주변 계곡수보다 섭씨 1도 정도 수온이 높다는 것이다. 이 정도의 수온차이라 할지라도 자연 생태계를 교란하기에 충분하다며 그들은 환경을 걱정했다. 근데 우리는 어떤가. 동해안에 밀집한 한 원자력발전소에서 무려 섭씨 7도나 높은 폐온수를 그대로 바다에 방출하여 바다 생태계를 파괴한다고 환경단체가 문제를 거론한 적이 있다. 1도 수온을 낮추려고 온 역량을 집중시키던 일본과 사뭇 비교되면서 우리가 자연과 환경을 어떻게 대해야 할지 생각해 보게 하는 대목이다. 자연과 환경에는 국경이 없다. 중국에서 발원된 미세먼지는 이제 우리나라에서 거의 재해 수준으로 심각해지고 있다. 이 땅과 자연은 우리 후대로부터 잠시 빌려 쓰고 있다는 사실을 잊지말고 자연을 아끼고 가꿀 일이다.


아이슬란드 지열발전소


세계 최북단 국가 아이슬란드도 지열발전으로 유명하다. 지열을 이용하는 것은 같은 무공해이기는 하나 풍력이나 태양광처럼 바람의 세기나 날씨에 따라 발전량이 좌우되는 것에 비해 년중 365일, 24시간 언제든지 제한없이 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그뿐 아니라 자원이 고갈될 위험도 거의 없고 석유나 석탄처럼 공해를 배출하지도 않으니 일거양득의 무공해 천연 에너지다. 아이슬란드는 이런 지열발전과 수력발전을 통하여 국가의 필요한 에너지 81%를 공급하는데 이중 지열의 비중이 66%나 된다. 국토의 대부분이 얼음과 눈으로 뒤덮힌 얼음천국인 아이슬란드가 강풍과 혹독한 겨울의 추위를 견딜 수 있는 것도 화산과 온천, 지열발전 등의 덕분이다. 특히 마그마를 이용한 지열발전 프로젝트는 이곳만의 특이한 방법으로 유명하다. IDDP(Iceland Deep Drilling Project)라 불리는 이 사업은 용암 화산지대인 활화산 크라폴라(Krafla)로부터 시작된다. 이 화산지대에 시추공을 박아 분출되는 마그마 수증기로 발전을 하는 것인데 전력생산 능력이 36MW 라고 한다. 이 프로젝트의 지열발전소 전체 전력 생산 용량이 60MW 라 하니 아직 더 생산할 여분은 충분히 있다고 하겠다. 아이슬란드는 거의 모든 가구와 일터에는 지열로 덥혀진 온수 파이프라인이 깔려서 온수와 난방 문제를 동시에 해결한다고 하니 참으로 복받은 국가이다.


우리도 자연보호 차원에서나 화석에너지 고갈 사태를 대비하여 태양광, 풍력, 조력 등 신재생에너지의 비중을 높여가야할 시점이다.  



우주에서 가장 신비한 존재를 들라면 단연 블랙홀일 것이다. 블랙홀의 근원은 아인슈타인의 일반상대성이론으로부터 시작된다. 1915년 아인슈타인은 시간과 공간을 통합하여 시공간이란 이론을 제시했다. 이 이론에서 시공간은 물질과 에너지의 작용으로 휘어지고 뒤틀려 있다. 평상시에는 우리 주변의 시공간은 평평한 것으로 느껴진다. 하지만 이 이론이 함축하는 바는 아인슈타인이 생각했던 것을 훨씬 넘어선다. 말하자면 이 이론은 어떤 별이 자신의 중력을 견디지 못해 한없이 붕괴되어 우주에서 사라질 가능성을 가지고 있다. 이런 가능성은 아이슈타인조차 믿지 않았다. 허나 후대 과학자들은 이런 점이 그의 이론의 불가피한 결과임을 입증해 보였다. 

그렇게 밝혀낸 블랙홀의 고유한 성질에는 어떤 것들이 있으며 여기에 이르기까지의 과정을 살펴보자. 사실 블랙홀을 탐구하는 데는 어떤 실험적 결과도 없다. 블랙홀에 대한 어떤 관찰을 통해서 나온 이론이 아니기 때문이다. 하지만 이처럼 위대한 과학적 탐구가 인간 사고에만 의존하여 나왔다니 아인슈타인 이론의 오묘한 경지다. 

그럼에도 불구하고 우리는 여전히 블랙홀에 대해 모르는 것이 너무 많다. 가령 우리는 블랙홀이 주위의 커다란 별뿐 아니라 빛까지 닥치는 대로 빨아들인다는 사실은 알지만 그 후 그들이 어찌 되는가는 전혀 모른다. 블랙홀에 흡입된 수많은 물체와 정보들은 우리 우주 어딘가에서 다시 나타나는가 아니면 다른 우주에서 나타나는가? 우리는 시간과 공간을 뒤틀어서 시간을 타고 오르내릴 수 있는가?  이런 질문들이 중요한 것은 우주를 이해하기 위해 우리가 풀어야할 필수 과제이기 때문이다. 우리가 못 풀면 미래에서 우리의 후대가 시간을 타고 올라와 우리에게 답을 줄런지도 모를 일이다.

블랙홀의 비밀을 캐는 연구의 최선봉에 선 인물로 '킵손(Kip Thorne)'을 꼽는데 그만한 이유가 있다. 우리나라에서는 중력파를 검출한 2016년에 영화 <인터스텔라>를 천만 명의 관객이 관람했다. '킵손'은 인터스텔라의 기본 개념을 처음으로 제안하고 영화가 실제 촬영되는 동안 과학적인 면을 감독한 사람이다. 중력파 검출을 위한 실험 장비를 설치하자고 주창한 사람이기도 하다. 1940년 킵손은 미국 유타주에서 출생하여 캘리포니아 공대를 졸업하고 그 후 같은 대학의 교수가 되었다. 그는 천체물리학 중에서도 상대론적 편향과 블랙홀 및 중력파 연구에 집중하고 있다. 우주에서 가장 신비스러운 대상으로 여겨지는 블랙홀을 이해하기 위한 그의 노력과 성과는 가히 독보적이다.

인터 스텔라의 모티브가 되었든 웜홀과 타임머신 그리고 중력파는 아인슈타인의 일반상대성이론이 그 모태다. 그러므로 우선 이 이론이 발전해 온 과학의 역사를 알아 보자. 일반상대성이론은 1915년 시공과 빛이 중력장에서 휘어진다는 것을 혁명적 이론으로 세상에 나왔다. 1920 년대에는 허블이 우주는 팽창한다는 사실을 알려주면서 우주의 시공간 자체를 다루는 것이 과학자들의 화두가 되었다. 1930년대에는 백색왜성, 중성자별이나 초신성 등의 별들을 탐구하는 도구로써 일반상대성이론은 더욱 활발하게 연구된다. 

그러나 1940~1960년대에 이르러 일반상대성이론 연구는 침체된다. 제2차세계대전 발발로 연구 방향이 무기개발을 위한 원자와 핵물리학에 집중되었으며, 천문학과 천체물리학의 관측 자료들은 일반상대성이론을 검정할 만한 수준이 아니었다.  하지만 원자물리학은 가속기의 발달로 새로운 현상을 발견하며 비약적으로 발전했다. 1960년대에 접어들어 일반상대성이론은 다시 성숙된다. 우주에서 날아온 전파가 우연히 발견되자 전파 천문학이라는 새로운 분야가 시작되었고, 새로운 관측 데이터와 케이스가 속속 발견되었다. 일반상대성이론의 황금시대가 열릴 배경이 무르익었다.  

킵손은 일반상대성이론의 황금시대가 개막하기 직전인 1962년 9월에 캘리포니아 공과대학을 졸업하고 프린스턴 대학교의 '존 휠러' 교수를 스승으로 모시고 일반상대성이론을 연구하기시작했다. 이 연구를 필두로 거침없이 블랙홀 연구를 시작했다. 이때의 블랙홀 연구야말로 일반상대성이론의 황금시대에 가장 중요한 연구가 되었다. 이렇게 보면 킵손이야말로 블랙홀 연구를 위한 가장 정확한 타이밍을 타고난 사람이다. 때를 잘 타야 영웅이 되는 법, 성공한 과학자의 가장 중요한 조건도 역시 시대를 잘 맞춰 태어나는 것일 것이다. 사실 블랙홀은 일반상대성이론의 태동과 함께 태어났으나 그 배후에서 늘 그림자를 드리우고 있었던 개념이었다. 이론물리학자들은 언제나 이것을 막연히 외면하거나 심지어 적극적으로 배척하곤 했다. 

하지만 다양한 시도 끝에 결국 블랙홀을 받아들이고 블랙홀이 강력한 연구 과제가 된다. 황금시대를 거치면서 블랙홀의 특이하고 다양한 성질들이 밝혀졌다. 블랙홀의 무모성, 안정성, 회전하는 블랙홀, 맥동하는 블랙홀, 그리고 블랙홀의 가장 기이한 성질인 극한의 흡인력과 블랙홀의 복사 등, 킵손은 이러한 블랙홀에 대한 연구로 천문학과 천체물리학을 발전시키는데 크게 공헌했다. 이에 따라 이제 블랙홀을 실제로 존재하는 대상으로 받아들이는 일이 중요한 과제가 되었다. 전파 엑스선 천문학은 우주를 보는 새로운 눈을 열어주어 은하에서 나오는 강력한 전파와 같은 블랙홀을 의미하는 여러 종류의 관측 결과가 쌓이기 시작했다. 나아가서 한 쌍의 블랙홀이 관측이 가능할 정도의 중력파를 만들어 낼 수 있을 것으로 보인다. 블랙홀의 양자역학적 성질을 이해하여 이를 일반상대성원리에 연결하여 탐구하는 연구가 진전되었다. 그리고 웜홀과 같은 특이한 대상과 타임머신의 가능성도 물리학자들의 연구 대상의 범위에 들어왔다.

한번 상상해 보자. 은하의 중심에는 아마도 태양의 중력보다 백만 배나 중력이 큰 블랙홀이 있을 것이다. 블랙홀 충돌을 알리는 신호가 중력파에 실려 지구에 도착하면 이들 중력파를 검출하고 해독하여 블랙홀의 비밀을 밝힌다. 블랙홀은 증발, 복사로 뜨거운 입자들의 대기로 덮여서 수축하다가 폭발한다. 다른 우주로 가는 무한 중력을 가진 시간과 공간을 잇는 양자역학의 발전으로 타임머신이 만들어 진다면 이를 순간 이동과 시간 여행을 위해 이용할 수 있는 시대가 올까?






어릴적 여름방학때 시골집 평상에 누워 하늘을 보노라며 밤하늘에 별똥별이 하나 둘 캄캄한 하늘에 밝은 획을 그으며 낙하하곤 했던 추억이 있다. 저건 무슨 신의 조화일까? 꿈결같이 아름다운 모습이지만 어떻게 해서 저런 현상이 일어나는지 무척 궁금했다. 흔히 말하는 별똥별을 유성이라고도 하는데 이들이 떼를 지어 비처럼 내리면 유성우(流星雨)라고 부른다. 소행성이나 혜성이 타원궤도를 그리며 태양을 중심으로 공전하면서 우주공간에 많은 찌꺼기들, 유성체들을 남긴다. 이때 지구가 공전하면서 소행성이나 혜성이 지나간 자리를 통과하게 되면 이들 유성체들이 한꺼번에 지구 중력에 이끌려 들어오면서 대기권에서 빛을 내며 타는 모습이 유성우다. 

유성우

유성체들이 대기권으로 끌려들 때 한 점에서 방사되어 끌려드는 것처럼 보이는데 이 점을 복사점이라 부르고 복사점이 위치가 어떤 별자리 영역에 속하는지에 따라 유성우 이름이 지어진다. 많은 수의 유성우는 이미 알려진 혜성의 궤도에서 발견된다. 머리를 풀어헤치고 불타며 태양 주위를 공전하는 혜성에서 떨어져 나온 부산물이 그렇게 많는가 보다. 운좋으면 유성우도 볼 수 있지만 보통 일 년에 서너 차례 볼 수 있을 뿐이다. 유명한 헬리혜성의 궤도에서 발견되는 유성우는 물병자리 또는 오리온자리 유성우가 되고, 엥케혜성의 부산물은 황소자리 유성우가 된다. 

유성과 유성우는 관측자가 어디에 있건 새벽 1~2시부터 미명 전까지 가장 잘 보이는데 이는 지구의 공전으로 일어나는 현상이다. 저녁에는 유성체의 공전 방향이 지구 공전 방향과 같아지므로 지구 공전 속도인 초속 30km 이상으로 지구를 따라와야 유성이 될 수 있지만 새벽녁이 되면 유성체와 지구의 공전방향이 역방향이 되므로 더 쉽게 유성체가 지구에 흡입되어 유성이 될 수 있기 때문이다. 새벽녁에 밝고 영롱한 유성이 유독 많이 눈에 띄는 이유를 알겠다.

유성체들은 유성으로 지구에 떨어질 때 대부분 대기권에서 타서 없어지지만 살아남아 지표에 떨어지기도 하는데 이를 운석이라고 한다. 지금까지 삼만 개 이상의 운석이 발견되었는데 가장 큰 운석은 1920년에 나미비아에서 발견된 무게 70톤 가량의 가로, 세로 각각 약 3m다. 수십 수백만년 전에 발생한 운석충돌로 생긴 구덩이가 커다란 호수 크기로 남은 흔적도 여럿 발견되고 있는데 그 정도 크기의 운석이었다면 지구의 생물이 거의 멸종에 이르렀을 것이라고 추측된다. 공룡도 거대한 운석 충돌로 멸종을 맞았다 하니 운석이 때론 지구의 재앙이 되기도 한다.  

지구에 떨어진 대부분의 운석(약 93%)은 성분이 규소 광물 돌덩어리다. 다만 5% 정도가 철과 니켈이 주성분인 철질 운석이라는데 운석을 이루는 성분 중 철과 니켈이이 소량으로 함유되어 있음에도 불구하고 이들이 대기권과의 격렬한 싸움에서 살아남을 확률이 크다는 반증이다. 간혹 운석에 지구에 존재하지 않는 물질이 포함된 경우도 있으며 지구 생명의 시원이 운석으로부터 비롯되었다는 학설도 있다. 즉, 40억년 전 지구 최초의 원세포 생물들의 발생이 운석 충돌로 인한 화학물질 간의 반응의 결과라는 말이다. 어쨌던 운석은 과학자들이 직접 우주의 물질 샘플을 얻을 수 있는 거의 유일한 통로로 그 가치가 크다고 하겠다. 

2014년 3월 9일 몇 개의 운석이 우리나라 진주에서 발견된 적이 있다. 당시 1~9.4 kg에 이르는 여러 개의 운석들이 떨어진 지역을 달리하며 발견되었는데 운석 사냥꾼이 나올 정도로 운석이 관심의 대상이 되었다. 우리가 운석탐사를 간다면 운석을 어떻게 알아 볼 수 있을까? 운석의 가장 큰 특징은 색깔이다. 초속 10km가 넘는 속도로 대기권에 진입하면 대기의 압축으로 섭씨 1800도 이상의 고열이 발생해 겉부분이 검거나 검붉은색으로 변한다. 타고남은 외부에 두께 1mm 정도의 사과 껍질 같은 용융각(Fusion Crust)이 생긴다. 진주운석은 석질운석인데 외부와 내부가 다른 색으로 되어 있다. 만일 겉과 속이 같은 검은 색이라면 철질운석이 아닌 이상 이것은 운석이 아니게 된다. 다음 특징으로 아무리 석질운석이라도 대부분 철분을 어느정도 포함하고 있기 때문에 자석을 가까이 하면 끌림이 발생한다. 끝으로 혜성이나 소행성의 유성체들은 운석이 될 때 고열의 작용으로 무거운 철은 중심의 핵을 형성하는 특징이 있다.

중성자별은 무엇이며 어떻게 만들어질까?

초신성 폭발 후에 남은 잔해들의 핵이 중력붕괴로 인해 내부의 핵과 전자가 합쳐져 중성자로 변하여 생성되는 별을 중성자별이라고 한다. 그럼 중성자별과 블랙홀은 어떤 차이가 있을까. 둘 다 초신성 폭발과 관련이 있는데 태양같은 작은 크기의 별이 최후를 맞을 때는 백색왜성이 되지만 적어도 질량이 태양보다 2배 이상 큰 거성들은 초신성 폭발을 일으키면 중성자별이나 블랙홀로 변한다. 근데 이 둘은 한 끝 차이로 운명이 달라진다. 죽어가면서 수축, 압축되는 초신성의 반경이 슈바르츠실트 반경을 넘느냐 아니냐의 여부에 따라 운명이 갈라진다. 

슈바르츠실트 반경은 사건의 지평선의 반경과 같은데 이는 어떤 물체가 최대한 압축될 수 있는 한계, 마지노선을 말한다. 그 한계선 보다 아주 먼 곳에서 수축이 끝나면 백색왜성이 되고, 그 선에 바싹 근접한 상태에서 수축이 끝나면 중성자 별이 되고, 한계선을 넘어 끝없이 수축하면 특이점에 도달하여 블랙홀이 된다. 그러니까 초신성 폭발을 일으키는 거성의 크기에 따라 큰 순으로 백색왜성, 중성자별, 블랙홀이 된다는 얘기다. 지구의 사건의 지평선은 십원짜리 동전 크기만하다 하니 신성폭발할 때 거성이 어느정도 수축되는지 아찔하다. 지구가 십원짜리 동전보다 작게 수축해야 블랙홀이 된다는 것이다. 

그리고 중성자별의 내핵은 우주에서 가장 큰 원자핵이라고 한다. 보통의 원자핵은 전자 현미경으로도 관측이 어려울 정도로 작은데 반해 중성자별은 내핵이 전부 중성자만으로 형성된 엄청난 크기의 원자핵이다. 무게로 보면 일반적인 중성자별의 직경이 16km 정도인데 직경 16km인 구에 태양 두 개 정도의 무게가 들어있다. 실감이 안오면 각설탕 정도의 부피에 15톤 덤프가 600만대나 들어있는 모습이라고 상상해 보자. 가히 밀도가 천문학적이다. 중성자별은 밀도가 높아질수록 자기 무게를 견디지 못하고 점점 작아져서 어느 수준(특이점) 이상이 되면 가장 작은 기본입자로 붕괴되어 블랙홀이 되어 버린다. 그래서 중성자별은 그 크기가 한정된 범위 내에서만 존재한다.

블랙홀은 빛조차 삼켜버리지만 중성자별은 아직 빛은 나올 수 있다. 중성자별의 직경이 십 수km에 불과하기에 중성자별의 방사선은 회전축인 자기장축 방향으로 창살같이 모여서 날아간다. 방사선이 중성자별의 자전으로 빙글빙글 돌면서 뿜어지기에 가는 원뿔 현태로 방사된다. 이 방사선의 연장선상에 지구가 있을 때 지구 관측자는 방사선의 강약에 따른 별의 깜빡거림으로 중성자별을 관측할 수 있다. 실제로 중성자별이 처음 발견되었을 당시 별의 깜빡거림을 외계인의 신호로 알고 한바탕 소동을 벌이기도 했다. 이것이 펄사다. 중성자별의 규칙적인 깜빡임 현상을 말한다. 

펄사는 수천년 동안은 거의 일정한 속도로 깜빡거릴 것이다. 이런 펄사의 성질을 이용하여 우주의 등대로 삼기로 했다니 참신한 발상이다. 우주선 파이어니어호에 실린 동판에 지구 근처의 펄사 14개의 방위, 거리, 펄사주기 등과 은하계 중심까지의 지구 좌표 등을 그림으로 새겨 혹 만날지 모를 외계 지성체가 지구의 위치를 찾을 수 있도록 배려한 것이라 한다.

중성자별의 위력은 블랙홀보다는 덜하지만 만만치 않다. 중력이 지구의 천 억배가 넘는 중성자별은 막강한 방사선과 X선이 난무한다. '검은과부거미 펄사'란 특이한 이름의 중성자별은 쌍성을 이루고 있으며 자기의 짝을 막강한 중력으로 끌어당겨서 잡아 먹는다. 마치 짝짓기를 끝낸 암거미가 수놈을 잡아먹듯이. 별들의 세계도 무시무시 하다.

중성자별의 최후는 어떠할까? 중성자별이 너무 수축하여 특이점에 이르면 블랙홀이 되는 것은 이미 설명했다. 자신이 블랙홀이 되는 경우 외에도 주변의 블랙홀에 빨려들어 사라질 수도 있다. 그러고보니 우주도 약육강식의 세계다. 마지막으로 중성자별 두 개가 가까워질 경우 서로의 중력에 끌려 점점 빠르게 공전하며 거리를 좁히다가 빛의 속도로 충돌하여 금과 무거운 원소들을 다량으로 생성하고는 블랙홀로 산화한다. 이 금들은 다 어디로 갔는지 우주는 알면 알수록 신비하기만 하다.

우리가 흔히 차원이 다르다라는 말을 자주 쓰는데 이는 사물을 보거나 생각하는 수준을 말하는 것으로 이 용어의 출발은 수학이나 과학에서 비롯된 듯 하다. 유클리드 기하학에 선은 1차원, 면은 2차원, 입체는 3차원으로 좌표의 3축으로 잘 설명하고 있다. 그런데 4차원이란 말이 나온 것은 20세기 들어 아인슈타인의 상대성이론으로부터 출발한다. 3차원의 공간에 시간차원을 도입한 것이다. 그때까지 시간과 공간은 변하지 않는 절대적인 것이었는데 아이슈타인이 와서 시간과 공간도 절대적인 것이 아니라 관측자의 운동상태에 따라서 변하는 것이라는 생각으로 3차원의 공간에 1차원의 시간을 끌어들여 4차원 시공간의 개념을 등장시켰다. 이것은 사고의 지평을 바꾸는 가히 혁명적인 사건이었다. 

위의 그림에서 4차원이란 3차원 공간을 이동하는 것으로 표현되었는데 W라는 가상의 시간축을 따라 공간이 이동하는 그림이다. 상대성원리에 따르면 정지해 있는 사람보다 빠른 속도로 공간을 움직이는 사람의 시간이 더 천천히 간다는 것이다. 도무지 감이 잡히지 않는다. 2차원의 개미가 3차원의 독수리 세계를 이해하기 어렵듯이 3차원 세계의 우리가 4차원의 세계를 상상하기는 힘든다. 그렇지만 주사위 같은 3차원 정육면체를 위 그림에서 2차원 평면 위에 그리듯이 4차원 입방체를 3차원 공간에 구현하는 것은 상상할 수 있다. 위와 같은 4차원 정육면체를 초입방체(태서렉트)라고 한다. 4차원 태서렉트를 3차원 공간에 투영하면 시간에 따라 경계면이 변하는 기괴한 4차원 큐브가 된다.

4차원에 대해서 좀더 이해의 폭을 넓혀보자. 우리는 3차원 공간에 살면서도 실제로는 2차원 시야로 사물을 본다. 우리가 풍경이나 영화 등을 감상할 때 원근감은 느끼지만 일단 평면적으로 눈앞에 펼쳐지는 세상을 인식한다. 같은 논리로 4차원 세계의 생명체는 3차원 공간적 시야를 가질 것인데 이는 전후, 좌우 및 위아래의 전방위적인 입체적 시각을 가진 생명체로 차원 상상해 볼 수 있다. 그것을 우리가 좀 쉽게 알아볼 수 있게 보여주는 것이 위의 4차원 큐브다.

하나 더 예를 들어보자. 가령 3차원 공간을 책이라 가정해 보면 그 책의 페이지들은 각각 하나의 2차원 세계가 될 것이다. 각 페이지의 2차원 면들이 모여 3차원 공간을 만든다. 페이지에서만 사는 2차원 존재가 3차원 책이라는 가기가 어렵겠지만 만일 그 존재가 책에 물이 스며들듯 어떤 경로로 한 페이지에서 다른 페이지로 이동할 수 있다면 그 2차원 존재는 전혀 새로운 세상에 왔다고 느낄 것이다. 마찬가지로 4차원 세계는 3차원 공간을 무한히 이어놓은 세계로 볼 수 있다. 이어져 있지만 3차원의 우리는 인식할 수 없는 세계다. 우리도 만일 어떤 방법으로 4차원 공간으로 들어갈 수 있다면 그 세계는 완전 천지개벽한 별세계로 느낄 것이다.

우주가 10차원이니 11차원이니 현대과학의 의견은 분분한데 이것은 무엇일까?  현재 많은 과학자들이 수용하고 있는 초끈이론으로 보았을 때 우주는 9차원의 공간에 시간이 합쳐진 10차원의 시공간이다. 4차원 시공간까지는 대충 짐작이 가지만 나머지 6차원은 어디에 있을까. 빅뱅 당시 나머지 6차원은 블랙홀 같은 극소의 영역 속에 말려들어가 숨어버린 까닭에 우리가 인식할 수가 없다.

시간은 뒤로가지 못하고 앞으로만 흐른다. 1차원 선과 같지만 앞으로만 갈 수 있으니 그마저도 반쪽 1차원이다. 시간을 될돌릴 수는 없을까? 우리가 오랫동안 상상으로 품어온 화두다. 타임머신 같은 상상 속의 기계가 문학과 영화 등의 여러가지 이야기로 나오고 있는 것은 그 반증이다. 하지만 아직 타임머신은 이론적으로만 가능하다. 빛의 속도가 절대속도이기 때문이다. 우주선이 빛의 속도인 초속 30만km로 달린다 해도 우주선에서 보는 빛의 속도는 여전히 초속 30만km이기 때문이다. 그러나 돌이켜 역사를 보면 우리가 상상하는 것은 거의 모두 현실이 되었다. 어찌 알겠는가 우리의 후손이 타임머신을 타고 우리를 찾아올 날이 있을지도 모를 일이다.

외계 생명의 존재에 대한 의문은 오래 전부터 있어온 강렬한 의문이다. <우주생명 오디세이>를 쓴 '크리스 임피' 같은 이는 우주 생물의 시대가 이미 도래했으니 학교의 교양과목으로 우주생물학을 개설해야 한다고 역설하고 있다. 지구를 제외한 외계 우주생물이 존재하는지 조차도 밝혀지지 않은 판국에 임피가 너무 앞써 가는게 아닌가 생각이 드는데 이에 대한 그의 말을 한번 들어보자.

"컴퓨터 등의 첨단장비의 발달로 성능을 높인 기술의 혁명은 인류가 우주 먼 곳에서 온 빛을 모으고 우주로 정교한 탐지장치를 보내는 능력도 일취월장 시켰다. 수십 년 안에 인류의 생물학이 유일한지 여부를 알게 될 것이라는 믿음에는 충분한 근거가 있다."

그의 믿음은 거의 종교적 수준으로 확고해 보인다. 무슨 믿을만한 근거가 있는 것 같다. 어떤 실증적 증거가 없으면 믿지 않는 게 과학자들의 생리인데 우주생물에 대해서는 비록 밝혀지지는 않았지만 존재 가능성 쪽으로 기운다. 태양계만 하더라도 열 개가 채 안되는 혹성 중에 지구같이 생물이 존재하는 행성이 있는데 우주에는 셀 수 없이 많은 태양같은 항성이 있고 그 주위로 다들 태양처럼 혹성들을 거느리고 있을 텐데 생명이 살만한 환경을 가진 행성이 없겠는가. 이런 생각을 한 1960년대의 천문학자 프랭크 드레이크(Frank Drake)가 '드레이크방정식'을 만들어 우리 은하계 내에서 고지능 생명의 수를 추산해 냈는데 결과는 우리 지구 생명이 유일한 생명일 가능성은 거의 없었다. 이렇듯 실제 과학적 관측을 통한 생명의 존재에 대한 데이터를 충분히 확보했기 때문에 비록 연구 대상조차도 찾지 못했지만 과학자들은 우주 생명의 존재를 확신하고 있다.

"우주에는 인류만 있을까. 저 외계 어디엔가 지적으로 소통가능한 문명이 존재하지 않을까?" 이를 화두 삼아 여러 분야의 과학자들이 최고 첨단의 지식과 기술로 무장하고 그들의 앎의 지평을 넓혀가고 있다. 우선 지구에서 생명의 존재하는 다양한 조건들의 범위를 설정하려면 지구를 속속들이 탐험해야 한다. 지구에서 생물이 멸절하는 다섯차례의 대재앙을 거치고도 5억년이나 살아남은 완보동물 같은 생명이 존재하기에 생명이 우주 속에서 살아갈 수 있는 조건이 우리의 상상을 뛰어넘는 극한의 환경까지도 포함할 수 있기 때문이다. 그래서 토성의 위성인 타이탄의 액화된 메탄과 에탄으로 가득찬 호수에 잠수정을 넣어 생명의 존재를 추적하기도 한다. 외계의 생명은 우리와는 존재방식이 완전히 다를 수도 있기 때문이다. 

실제 외계지적생명체탐사(SETI) 프로젝트를 가동하여 얻은 수확을 몇 가지 들어보자. <마스(Mars)>란 다큐 드라마에도 나오지만 화성에 물이 존재한다. 지하동굴 같은 곳에 거대한 얼음 덩어리가 있을뿐 아니라 NASA에서 직접 촬영한 대로 비록 계절에 따라 수위가 변하긴 해도 화성 지표 역암층에 소금물이 존재한다. 물론 물의 존재가 생명체의 존재로 바로 연결되는 것은 아니지만 생명의 존재를 가장 강력하게 뒷받침하는 것이 물이다. 과학자들은 화성에 적어도 미생물은 존재할 것이라고 낙관한다. 

태양계 이외의 행성을 SETI가 추적한 것으로 가장 생명의 존재 가능성이 큰 행성이 <케플러 452b>다. 이는 우주로 쏘아올린 게플러우주망원경이 2015년 7월에 발견한 행성으로 크기는 지구의 60%이고 일년이 385일인 지구로부터 1400광년 떨어진 시그누스(Cygnus)계에 속해 있다. 바다, 햇빛, 활화산 등이 이 행성에 존재할 가능성이 크기 때문에 지구와 가장 비슷한 생태적 환경으로 인해 생명의 존재 가능성이 아주 높다. 2018년 적외선 망원경을 장착한 제임스웨브망원경 위성이 발사되면 외계생명 확인이 훨씬 수월해지리라 기대된다. 이 외에도 소행성과 혜성을 우주에 생명을 퍼뜨리는 존재로 알려져 있는데, 특히 혜성은 생명의 기초물질인 아미노산을 조성하는 것으로 알려져 연구의 귀추가 주목된다. 

지구 밖 외계에서 생명의 자취를 발견한다면 그것은 우리가 세계를 해석하고 이해하는 인식의 폭을 한 수준 높히는 기폭제 역할을 할 것이다. 벌써 가슴 뛰는 이야기지만 만약 인류가 지구 생물이 유일한 것이아니고 우주에도 다른 생명이 존재한다는 사실을 알아낸다면 우주는 살아있는 역동적인 우주로 판명될 뿐만아니라 인류역사의 새 장을 여는 발견이 될 것이다. 


'우주가 팽창한다면 반드시 그 시작이 있을 것이다.'라는 의문으로 나온 스티븐 호킹의 불세출의 논문이 '특이점들과 시공간의 기하학'이다. 이는 1929년 허블이 우주가 팽창한다는 사실을 관측한 결과와 아인슈타인의 상대성이론을 연결하여 우주의 기원에 특이점이 존재한다는 사실을 입증한 획기적인 논문이다. 

AI, 인공지능에서 말하는 특이점은 인공지능의 발전이 가속되어 모든 인류의 지성을 합친 것보다 더 뛰어난 초인공지능이 출현하는 시점이라고 한다. 우주론에서 말하는 시공간의 특이점도 AI의 특이점과 마찬가지로 어떤 궁극에 이르러 판이 바뀌거나 무언가 새로이 시작하는 점을 일컽는 면에서는 동일하다. 우주론의 특이점이란 빅뱅의 순간에 시공간의 곡률이 무한대가 되어 시간과 공간이 완전히 끝나는 지점을 일컽는데, 쉬운 말로 우주의 시작점이라고 보면 된다. 이는 거대한 별이 쪼그라들어 블랙홀이 되는 것과 흡사하지만 특이점은 시공간 밖에 존재하므로 어떠한 시공간의 특징도 지니지 않는다고 하니 말그대로 우리가 상상하기조차 어려운 특이한 세상일 것이다.

이제 우주론은 아인슈타인의 시대에서 호킹의 시대로 넘어왔다. 아인슈타인이 상대성이론을 통하여 아주 큰 우주의 세계를 설명했다면 호킹은 양자역학으로 아주 작은 입자의 세계를 우리에게 낱낱이 보여주고 나아가서 이 둘을 융합하여 양자우주론을 완성했다. 이제 우리는 호킹 덕분에 핵과 전자, 중성자로 구성된 물질을 이루는 최소 단위 원자로부터 광막한 우주에 이르기까지 우주전체를 통합하는 자연의 법칙을 알게 된 것이다. 

이쯤 되면 당연히 호킹에 대해 알고싶어 진다. 호킹이 어떤 인물이길래 루게릭병으로 모든 운동신경이 마비되는 상황에서도 이런 위대한 업적을 이룰 수 있었을까? BBC 드라마 <호킹>으로 이미 많이 알려졌지만 호킹은 그의 인생 자체가 기적같은 드라마다. 호킹은 1942년 출생하여 21살 되던 해 루게릭 병으로 시한부 2년을 진단받는다. 그때 그는 케임브릿지대학의 대학원생으로 막 우주론을 본격적으로 연구하려던 참이었다. 그랬던 그가 지금까지 살아서 우주론 연구를 계속하고 있다는 것은 기적같은 일이다. 이 기적의 이면에는 그가 만난 사랑의 행운의 여인이 있었다. 제인 와일드(Jane Wilde)가 바로 그녀다. 그녀와 결혼한 해, 1965년에 호킹은 그의 인생의 대작 '특이점들과 시공간의 기하학' 논문을 쓰고 박사학위를 받는다. 호킹과 제인의 사랑 이야기는 '사랑에 관한 모든 것(The Theory of Everything)'이란 영화에 감동적으로 그려져 있다. 우주물리학자 이전에 호킹은 불치병을 선고받고 우울증에 시달리는 한 평범한 청년에 불과했는데 제인이 그의 운명을 바꿔 놓는다. 호킹의 생명도 우주론도 제인의 사랑의 힘으로 소생하게 되었다.

1970년대 호킹은 캘리포니아 공과대학에 초대되어 블랙홀을 연구하는데 손마저 마비되자 뇌만을 작동시켜 문제풀이를 할 수 있도록 시스템을 만든다. 종이와 펜을 사용하지 않고 방정식을 직관적으로 그림으로 떠올리게 마음을 훈련했다니 천재는 역시 다르다. 여튼 각고의 노력을 거친 후 호킹은 소위 '호킹의 복사' 이론을 예측하여 블랙홀과 우주 시작의 비밀을 밝혀낸다. 호킹은 자신의 연구결과를 집대성하여 <시간의 역사>란 대중과학서를 1980년 출판한다. 이 책은 어려운 과학 이론을 그림으로 일반 사람들이 쉽게 알 수 있게 만든 것이 특징이다. 호킹이 이 책을 쓰면서 설정한 목표가 50년 동안의 물리학이 이룬 경이를 일반 대중들이 이해하기를 바라는 것이었다. 그래서 호킹은 그의 마음 속에 그린 물리학의 이미지를 대중들이 친숙한 비유나 도안을 곁들여 쉬운 말로 표현하는 데 집중했다.

호킹은 근래에 필생의 역작 <위대한 설계>을 출간했는데 이 책은 자신이 평생 연구한 우주론을 근거로 그의 철학적 관점을 제시한 책이다. 그는 이 책에서 고대부터 현세에 이르기까지 인류 역사상 끊이지 않고 이어져온 존재의 수수께끼에 도전한다. "세계는 왜 무가 아니고 유인가? 우주와 인간은 왜 존재하는가? 우주는 어떻게 작동할까? 실제(Reality)의 본질은? 존재하는 이 모든 것은 어디서 왔을까? 우주는 창조자가 필요했을까?" 이 모든 근원적인 물음들에 대한 답은 고대부터 종교나 철학의 몫이었다. 그러나 호킹은 이 책에서 첨단과학인 우주론으로 이 수수께끼에 대한 해법을 기술하고 있다. 

호킹의 양자우주론에 의하면 우주의 기원은 양자적 사건이다. 양자역학의 불확정성, 뒤틀린 시공간, 쿼크나 초끈이론 등으로 알려진 우주에 빈 공간은 없다. 우주는 여러 중첩된 시공간의 출몰을 반복하는 양자적 진동상태이다. 무에서 창조된 우주의 수는 10의 500승이라고 하니 셀 수 없을 정도로 많은 다중우주를 이루고 있다. 우주에는 우리가 알고 있는 3차원을 넘어 11차원의 우주가 있으며 우리가 거주하는 우주조차 유일한 우주도 아니라고 한다. 이것이 호킹이 밝힌 우주의 기원이라니 참으로 놀랍다.

호킹은 결론에서 말한다. 우리는 스스로 자신을 창조하는 우주의 일부일 수 밖에 없다. 누구에 의한 설계가 아니고 무에서 유를 만들어 내는 것은 우주의 속성이다. 우주에는 목적이 없다. 그저 있을 뿐이다. 우주와 우리의 존재 이유는 자발적 창조에 있다. 


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