영화 '인터스텔라'에 등장해 신비감을 심어준 차원이동 혹은 순간이동 같은 웜홀에 대해 궁금증이 인다. 그러한 세계가 과연 과학적으로 가능한 것인가 아니면 단순히 SF 영화의 작가 상상력으로 빚어진 존재인가. 이런 의문에 대해 현대 과학이 어느 정도까지 해석이 가능한지 알아본다.

웜홀은 블랙홀에서 화이트홀로 가는 통로라는 것이 전통적 개념이다. 블랙홀이 자기 중력이 미치는 주위 모든 물체들을 빨아 들인다면 이것들을 내뱉는 곳이 있어야 하지 않을까라는 생각으로 만들어진 곳이 소위 화이트홀이다. 그렇다면 이 둘을 연결시켜주는 통로도 있어야 하니 이것이 바로 워엄홀이다. 

그런데 과학이 진화하면서 생각도 진화하여 요즈음은 좀 달리 해석된다. 블랙홀로 흡입된 모든 물체들을 블랙홀 내부에서 자체 소화가 가능하다는 생각이다. 어떻게 그럴 수가 있는지는 차차 알아보기로 하자. 우선 그리되면 화이트홀이란 것이 딱히 쓸모가 없을 뿐더러 실제로 관측된 것도 아닌 상상 속의 창조물이니 이를 부정하는 생각이 주류를 이루게 되었다. 웜홀은 블랙홀과 달리 실제로 관측된 적은 없다. 단지 웜홀은 양자요동으로 자연발생적으로 생기고 그 크기가 양자 하나 들락거릴 수 있을 정도라니 관측하기가 쉽지않을 테다. 과학자들 혹은 SF작가들은 이 작은 구멍을 잘아 늘일 수만 있다면 아무리 먼 성간이동도 가능할 것이란 상상력을 발동시킨다.

웜홀이 블랙홀과는 상관없이 존재한다는 과학자의 논문도 있다. 물리학자 '킵 손'이 발표한 논문으로 '시공간의 웜홀과 성간여행에서의 유용성(Wormholes in Spacetime and their use for Interstellar Travel)'인데 이에 따르면 웜홀은 우주공간 속에 그 자체로 존재하며 별과 별 사이를 아주 빠르고 쉽게 이동하는 통로로 사용된다고 한다. 그의 이론은 워프 기술이라는 초광속 항행 기술로 설명되는데 이것은 웜홀이나 시공간 왜곡을 이용하여 우주공간에 지름길을 만들어 아주 빠르게 이동하는 개념이다. 실제로 시공간 왜곡 현상은 실측되기 때문에 이를 이용한 워프기술은 비교적 가시권에 있지만 웜홀은 아직 실측된 근거가 없기에 하나의 이론으로 치부될 뿐이다. 하지만 영화에도 나왔듯이 종이 비유로 설명된 워엄홀의 존재 가능성은 다분히 있다고 생각된다. 2차원 상에 펼쳐진 종이를 접어 구멍을 뚫어 펼치면 2개의 구멍 간의 거리는 아주 멀지만 둘을 3차원 상에서 마주치게 접으면 바로 갈 수 있는 통로를 만들 수 있다. 이와 같이 3차원 공간을 접어 구멍을 내고 4차원 시공간에서 마주치게 만들면 순간 이동할 수 있는 통로가 생기는데 이것이 웜홀이라고 한다.     

영화 '인터스텔라도' 킵 손의 생각을 받아들여 토성 근처에 생긴 웜홀을 통하여 성간여행을 하는 것으로 나온다. 이는 블랙홀과는 상관없이 별과 별 사이의 무지 먼 거리를 이동하는 통로로 사용된다. 실제로 보이저호처럼 우주공간를 여행해서 가려면 시간이 얼마나 걸리겠는가. 지구에서 가장 가까운 별의 거리가 4광년이니 시속 5만6천km로 달리는 보이저호로 간다해도 8만년이나 걸리는 먼 거리다. 워엄홀이 아니라면 성간여행을 할 방법이 없을 게다. 다중우주론을 받아 들인다면 다른 우주란 차원이 다른 세계일 테니 지금의 과학적 사고방식으로는 풀 수 없는 수수께끼가 즐비할 것이다. 성간이동의 통로라는 워엄홀도 그런 가능성의 하나가 아닐까 한다. 워엄홀은 얼음의 숨구멍처럼 차원이 다른 세계로 통할 수 있는 통로일 것이다.

웜홀을 우주의 지름길을 사용하는 이야기 중에 빼어난 작품으로 "도라도에서(at Dorado)"라고 제프리 랜디스(Geoffrey Landis)의 2002년작 단편소설이 있다. 이 작품의 배경은 웜홀 근처에 떠있는 우주정거장으로 여기서는 항구로 나온다. 이 항구 술집의 여급으로 나오는 주인공 치나에게는 이 항구를 기착점으로 삼는 우주선의 선원들이 그녀의 고객이다. 그녀에겐 남편도 있다. 다린이라는 우주 항해사인데 그는 직업상 여기저기 행성과 항구를 전전하며 살아가는 방랑벽 심한 사나이로 묘사되지면 진짜 문제는 그의 바람끼다. 항구란 항구엔 항상 현지처가 있었다. 그런데 그가 도가 지나쳐 치나가 있는 항구에서도 다른 여자와 딴 살림을 차린 것이다. 이를 알게된 치나는 그와 대판 싸우고 그의 물건들과 짐을 모두 밖으로 내던지며 그를 쫓아낸다. 집에서 쫓겨난 다린은 습관처럼 항구에 입항하는 우주선을 타고 웜홀을 통과해 다른 행성으로 여행 길에 오른다. 그런데 얼마 후 다린은 갈갈이 찢긴 시신이 되어 치나 앞으로 돌아온다. 웜홀을 통해 귀환하던 그의 우주선에 문제가 생겨 우주선이 산산조각나 버린 까닭이다. 

그런데 이게 왠 일인가. 다린의 시신을 붙들고 울고불고 하던 치나가 겨우 정신을 수습하고 출근한 바에 다린이 멀쩡한 모습으로 짠하고 나타난다. 사실 다린은 사고난 우주선은 내일 타기로 되어 있었다. 만약 이미 일어난 사실을 알고 있는 치나가 다린에게 우주선 사고소식을 알려주어 다린이 사고날 우주선에 승선하지 않는다면 인과율의 법칙에 의해 웜홀은 붕괴될 것이고 그 입구에 있는 항구도 무사하지 못할 것이다. 그럼 치나의 선택은 과연 어느 쪽일까?

다린이 느스레를 떤다. "이제 당신 외에 다른 여자는 없을거야. 이번엔 정말이야." 치나는 다린에게 마지막 키스를 하며 대답한다. "나도 알아요."

그런데 어떻게 이런 시간의 역전 현상이 일어 날 수 있을까?

웜홀이나 블랙홀 같은 특이점 시공간의 특이한 성질 때문이다. 우주선을 타고 공간이 압축되어 뒤틀린 웜홀 내부 시공간을 통과하는 과정에 공간뿐만 아니라 시간까지도 이동이 가능하다는 논리다. 우주선 이동속도가 광속에 가까울수록 시간이 느려진다는 상대성원리가 여기서도 적용된다. 우주선이 출입하는 웜홀의 입구와 출구 간의 상대론적 속도에 따라 미래나 과거로 갈 수 있다는 '킵 손'의 가설은 타임머신의 이론적 토대가 된 셈이다.

   

2015년 9월 어느날 독일의 물리학자인 마르코 드라고는 지구에서 13억 광년 떨어진 우주 어딘가에서 발생한 미세한 흔들림을 포착했다. 13억 광년이라면 이 빛(파)가 우주에서 출발한 때는 지구에 막 대기 중 산소가 형성되던 시기인 선캄브리아기였다. 당시 지구는 원시생명체가 막 태동할 무렵의 까마득한 옛날의 우주 빛을 포착한 셈이다. 

‘GE150974’(LIGO, 라이고)라 이름 지어진 이 미세한 떨림은 미국의 레이저 중력파 관측소로 즉각 전해졌다. 이는 이미 100년 전 아인슈타인의 일반상대성이론에 나와있는 중력파다. 이 사건으로 인하여 천문학계 및 물리학계는 엄청난 충격에 휩싸였으며 노벨 위원회조차 이를 주목했다. 결국 2017년 노벨물리학상을 중력파 검출에 공을 세운 라이고 연구진에게 돌아갔다.  100년 전 아인슈타인이 예언한 중력파의 존재를 처음으로 발견한 것이 수상 이유가 되었다. 

그럼 도대체 중력파가 무엇이길래 이렇게 온 학계가 들썩이고 연구자가 노벨상까지 받는 것일까?

중력파는 100년에 걸친 도전 역사를 가지고 있다. 중력파는 시공간이 뒤틀리면서 발생한 파동이다. 중력파는 중력이 변동을 일으칼 때 주위 시공간을 휘게 만들며 광속으로 퍼진다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 질량을 가진 물체가 가속될 때 시공간이 변형되면서중력파가 방출된다고 한다. 다만 중력파가 너무 미세하기에 이를 포착하기가 너무 어렵다.  항상 그렇듯이 과학계는 이론적으로 완벽하더라도 실제로 증명되지 않으면 학설로 인정하지 않는다. 그래서 중력파를 포착하는 것은 역사상 물리학자들이 도전 과제였다. 100년에 걸친 끊임없는 도전의 역사를 마무리 지은 것이 1987년에 시작된 프로젝트 라이고(LIGO)다. 이것은 30 년이라는 긴 기간 동안 20개국에서 천여 명의 연구자들이 참여한 거대한 국제 프로젝트이다.  

결국 연구진은 레이즈간섭계 두 개를 사용해서 13억 년 전 두 블랙홀이 충돌하여 발생한 중력가 지구를 스칠 때 나타나는 변화를 관측하는데 성공했다. 원자핵의 수천 분에 일 정도도 않되는 지극히 미세한 떨림이었다. 데이터는 완벽했지만 관측한 데이터에 대한 검증에만 5개월이나 걸려 2016년 2월 마침내 논문이 발표되었다.  중력파 검출기 현재까지 네 번의 우주 진동을 포착했다. 인도와 일본에서도 새로운 중력파 관측 시설 건설에 착수했다.

중력파는 천문학에 새로운 패러다임을 제공한다  

중력파의 발견이 이토록 중요한 이유는 천문학에 중력파 천문학이라는 새로운 패러다임을 제시한다는 것이다. 여태껏 천문학은 전자기파 와 빛에 의지해 왔다.  중력파는 모든 물체를 잘 투과할 뿐만 아니라 처럼 다른 물질에 닿아 반사나 굴절되거나,  전자기파 처럼 다른 물질과 상호 작용도 하지 않는다.  블랙홀의 충돌이나 작용으로 인하여 생기는 중력파를 측정한다면 지금까지 이론상 상상만으로 추측했던 블랙홀의 내부상태를 알아 낼 수 있을지도 모른다. 이렇게 중력파의 발견은 베일에 쌓인 우주의 신비를 풀어내는 데 있어 완전히 새로운 패러다임을 제시해 줄 것이다. 가장 기대가 되는 것은 우주 빅뱅시 발생한 중력파 포착할 수 있다는 가능성이다. 포착만 되면 우주의 탄생 비밀을 푸는 단서가 될 수도 있겠다. 이미 포착된 중력파로 블랙홀 쌍성계를 발견하여 두 개의 블랙홀 별들이 서로의 인력에 끌려 춤을 추다가 하나의 블랙홀로 합쳐지는 역동적인 과정을 시뮬레이션해 낼수 있는 경지까지 왔다. 중력파 천문학이 선사할 앞으로의 우주 세계가 기대된다.  

또 혹 아는가. 우리에게 중력파 스마트폰이 주어질런지.  물질과의 충돌시 상호 간섭이 거의 없고 투과성이 좋은 중력파를 통신분야에 용용한다면 상상할 수 없을 정도로 완벽한 통신수단이 미래에 탄생할 가능성도 있다.


우주선 "아발론호"

간만에 인간적인 SF영화를 한편 보았다. 넷프릭스로 다운받아 65인치 스마트TV로 보니 볼만했다. 칼 세이건의 <COSMOS>로 불이 붙은 우주여행이 이제 <페신져스>란 영화에까지 흘러온 셈이다.

이 영화는 120년의 동면여행 중 90년 일찍 깨어난다면 어떤 일이 벌어질까? 란 물음에서 시작한다. 어떤 재난 상황보다도 패쇄된 우주공간이 더욱 절박한 재난지대가 될 수도 있다는 생각이 드는 영화다. 영화는 우주수송선 아발론호(AVALON)가 식민 행성 '홍스테드2'를 향해 동면 승객과 승무원 5천여명을 태우고 120년의 우주항해를 하고있는 가운데 원인을 알수없는 이유로 한 승객이 90년 일찍 동면에서 깨어나면서 시작된다. 짐(크리스 포렛)은 지구에서 엔지니어로 사는 삶에 불만을 느끼고 120년 후 자신을 필요로 하는 세상을 꿈꾸며 식민 행성 '홈스테드2'에 탑승한다. 그러나 120년의 여정 중 30년 밖에 안된 시점에 홀로 우주선에서 깨어났으니 그 심정이 어땠을까? 

1년이 넘도록 우주선에서 이 재난 상황을 벗어날 방법을 찾아 온갖 시도를 하며 몸부림치지만 결국 실패한다. 결국 외로움을 견디지 못하고 자살을 하려는 순간 승객실에서 동면 중인 오로라(제니퍼 로렌스)를 발견하곤 사랑에 빠진다. 그녀를 동면에서 깨우는 것이 차마 저지를 수 없는 살인(오로라가 뒤에 사실을 알고 외친 말)에 가까운 행위란 걸 알고서도 번민 속에서 어찌할 수 없이 일을 저지르고 만다. 

그냥 사고로 90년 일찍 동면에서 깨어난 줄 생각하고 있던 오로라는 한동안 짐처럼 혼란과 절망 속에서 몸부림 치지만 둘은 점점 가까워지고 짐의 안내로 함께 우주유영을 한 뒤로 서로 사랑하는 커플이 된다. 뉴욕의 베스트셀러 작가였던 오로라는 250년 후의 세상을 소설에 담기 위하여 이 우주선에 올랐다. 그러나 뜻하지 않은 사고로 그녀의 꿈은 산산히 깨어졌지만 또 뜻하지 않은 사랑을 얻어 이렇게 노래한다. "그와 있으면 내 인생이 끝난 게 아니다. 이제 시작인 것처럼 느낀다."

그런데 뒤에 로봇 바텐더의 입을 통해 짐이 그녀를 동면에서 깨운 사실을 알게된다. 모르는 게 약이라는 말은 이를 두고 한 말일 것이다. 엄청난 분노에 절규하던 오로라는 연이어 벌어지는 우주선의 심각한 재난상황, 즉 바텐더 로봇이 오작동을 일으켜 주변을 파괴하는가 하면 중력단절로 인하여 수영 중이던 오로라가 공중에 뜬 물 속을 빠져나오지 못해 익사의 위기에 처하는 등 우여곡절을 겪는다. 이 모든 위기 상황이 우주를 부유하는 소행성의 우주선 충돌로 인한 사고로 일어난 것이며 급기야 우주선의 추진동력을 일으키는 원자로가 이상 과열되어 폭발할 위기에 이른다. 이에 둘은 다시 뭉쳐서 문제를 해결하고 그 과정에 우주 밖으로 튕겨져 나간 짐은 일시적으로 죽음에 이르나  오로라가 그를 구조해 살려낸다.

우주선의 전망대에서 별구경하는 짐과 오로라

둘은 우주선도 고치고 그 과정에 잃었던 사랑도 회복하여 더없이 행복한 둘만의 생활을 일궈간다. 뒤에 죽은 승무원의 동면기를 이용하여 다시 동면할 수 있는 방법을 알아낸 짐은 오로라에게 동면에 들어서 원래의 꿈을 이루길 종용하지만 오로라는 홀로 삶의 꿈을 찾아가기보다는 밍폐된 우주공간일망정 둘만의 사랑을 선택한다.

그로부터 88년 후 우주선이 목적지인 식민행성에 가까이 오자, 장면은 전환되어 승무원들이 먼저 동면에서 깨어 중앙 홀로 나오는데 짜잔하며 펼쳐지는 것이 나무들과 풀밭, 그 위에 노니는 닭들... 전형적인 전원풍경이다.  그러면서 이어지는 엔딩내레이션.

"너무 다른 곳만 바라보면 지금 우리에게 주어진 것을 누릴 수 없어요. 우주의 미아들로 우리는 만났지만 서로 만나 함께 만들어가는 새로운 삶을 찾았어요. 아름다운 우리의 삶을 찾았어요."

여태껏 상영된 <인터스텔라> <그래비티> <마션>같은 SF물 중에서 <페신져스>는 가장 인간적인 면모를 드러내는 작품이라 하겠다.  기존의 SF영화들이 우주비행사나 과학자들과 같은 우주 전문가들이 주인공으로 등장해  우주재난을 헤쳐나가며 해박한 우주지식과 더불어 스펙터클한 영상으로 사람들을 압도했다면 이 영화는 우주재난을 겪는 보통사람들(엔지니어나 작가 같은)이 절박한 재난에 봉착했을 때 그들의 마음의 움직인, 감정선에 초점을 맞춘 작품이라 하겠다. 나는 이 영화를 보면서 정말 우리의 생존에 필요하고 소중한 것이 무엇인지 곱씹을 수 있어 좋았다. 또 홀로그램이라든지 바텐더 로봇 등의 첨단 과학의 진수를 보면서 현재 과학의 발전에 찬탄을 금치못했으며, 그리고 무엇보다도 비록 영화 속이지만 환상적인 우주여행과 우주유영을 마음껏 맛보았다.





NASA의 우주인은 이번에 우주정거장에서 거의 1년에 가까운 355일간의 우주체류 신기록을 세운다. 이전 기록이 최장 6개월이었다는 걸 볼 때 이건 획기적인 기록이다. 그럼 왜 이리 위험을 무릎쓰고 무리한 도전을 하는 것일까? 이것은 화성 유인탐사 때문이라고 한다.

"지구는 인류의 요람이지만 인류가 요람에서 영원히 살 수는 없다"는 말로 유명한 러시아 우주 개척의 대부 콘스탄틴 치올콥스키의 말에서도 알 수 있듯이 지구를 대체할 행성 개척은 인류의 필수 과제로 보인다. 그동안 미국, 러시아, 유럽 등 세계각국이 피나는 노력을 경주한 결과 찾아낸 지구를 대체할 행성으로 가장 적격인 행성이 화성이다.

화성은 태양의 4번째 혹성으로 지구와 가까이 있으면서 축의 기울기가 25.19도, 자전주기가 24시간 39분 등 지구와 비슷한 점이 많다. 하성의 표면은 암석과 풍화된 흙, 거대한 얼음 등이 존재하니 화성의 돌과 흙을 이용하여 멋진 집을 짓고 얼음을 녹여 산소와 물을 얻고 햇빛으로 에너지와 농작물을 생산하면 지구와 같은 생활이 가능해진다. 

그런데 지구에서 화성을 왕복하려면 3년이나 걸린다. 화성과 지구는 둘 다 태양의 혹성으로 태양 주위를 공전하고 있다. 그래서 이 둘은 약 5500만km~2억km 사이를 서로 가까워지기도 하고 멀어지기도 한다.  지구의 공전주기가 365일인데 화성은 무려 687일로 두 배 가까이 되니 지구와 가장 가까운 화성은 평균 2년에 1달정도의 기간으로 찾아온다. 이 기간을 맞추어 화성 왕복 우주선을 발사해야 한다. 현재 기술로 화성 왕복 비행에 걸리는 시간이 6~8 개월 정도이니 타이밍을 기다리는 시간을 포함하면 화성왕복에 약 3년이 걸리는 셈이다. 

이 긴 우주 체류 기간 중에 거의 없거나 약한 중력장과 강력한 우주방사능 등의 우주 환경이 우주인들에게 어떤 영향을 줄지, 또 그 긴 기간을 우주인들이 과연 버텨낼 수 있을지 해결해야 할 문제가 한 두가지가 아니다.  그래서 NASA는 우주인이 우주에 장기체류시 일어날 수 있는 정신적, 신체적 변화에 대하여 연구와 실험을 계속하고 있다. 이는 화성탐사에 꼭 필요한 해결과제이기 때문이다. 

이런 우주 장기체류시 인체변화에 대해 NASA는 한가지 재미있는 실험을 한다. 우주비행사 스콧 캘리에게 일란성 쌍둥이 형이 있었는데 마크 켈리이다. NASA는 이들이 쌍둥이인 점에 착안해 동생이 우주정거장에 오래 체류하는 동안 지구에 있는 형을 비교 대상으로 삼아 우주인의 우주 장기체류시 신체변화에 대한 연구에 하게 된다.  이들은 동일한 DNA를 가지고 있기 때문에 주변환경이 DNA에 미치는 영향을 쉽게 알아볼 수 있다. 

우주여행을 하면 생명이 연장될까?

1년 동안 우주에서 생활한 형은 동생에 비해 키가 약 5cm 자란 반면 근육과 골밀도는 감소했다. 근데 놀라운 차이는 소위 "장수 유전자'라 불리는 텔로미어(TELOMERE)의 변화였다. 인류의 최대관심사가 노화 문제인고로 텔로미어에 대한 연구는 세계 과학자들의 뜨거운 감자였다. 텔로미어는 DNA를 보호하는 일을 하지만 세포분열이 일어날 때마다 길이가 점점 짧아져 어느 순간 더이상 세포분열을 하지 못하고 죽게된다. 세포가 재생되지 못하는 것을 우리는 노화현상이라고 부른다. 텔로미어가 노화시계로 불리는 이유이다. 그런데 놀랍게도 우주에 있는 동생의 텔로미어가 형의 것보다 더 길어졌다. 이는 아인시타인이 상대성원리에서 말한 빠른 속도로 움직이면 시간이 느리게 간다는 말을 과학적으로 입증한 셈이다. 이 원리를 이용한 수많은 CFS영화에서 타임머신으로 시간여행을 하는 장면이 등장하기도 했다. 하지만 동생이 지구 귀환 후 시간이 좀 지나자 동생의 텔로미어가 원상복귀되어 과학자들은 이 이론을 일반화 시킬 수는 없다고 발표했다. 그래도 우주공간에서는 우주여행을 하면 생체시계가 느리게 가서 생명이 연장된다는 것이 증명되었다고 하겠다.



지구는 약 2억 5천만 년 전 고생대 페름기 때 하나의 초대륙 판게아가 있었다. 그후 공룡이 판치던 1억 5천만 년 전 중생대 쥐라기 시대를 거치면서 대륙이 점차 분리되어 현재의 5대양 6대주를 만들었다. 앞으로 2억 5천만 년 후에는 다시 대륙이 합쳐져 '판게아울트라' 라는 하나의 대륙이 돨 것이라 하니 지구는 살아있는 생명체 같이 역동적이다. 지구의 대륙이 한 덩어리였던 판게아(PANGAEA) 시대로 여행해 보자.



베게너의 대륙이동설


알프레도 베게너(Alfredo Wegener)는 1910년대의 독일의 기상 및 물리학자이다. 그는 아프리카의 서해안과 남아메리카의 동해안이 마치 퍼즐 조각처럼 잘 맞아떨어지는 걸 우연하게 발견하곤 두 대륙간의 동식물 화석이 같다는 논문을 읽은 후 지금의 지구 대륙의 모습은 하나의 대륙 판게아에서 분리되어 이동했다는 '대륙이동설'을 주창했다. 본래 하나였던 대륙들이 판게아로부터 떨어져나와 지금의 대륙들로 분화되었다는 학설이 대륙이동설인데 이는 대륙이동을 일으키는 힘의 근원을 증명하지못해 베게너가 죽을 때까지 학설로 인정을 받지 못했다. 


 '판게아' 시대 이후에도 대륙은 이합집산을 계속하며 현재의 멋진 세계지도를 완성했으며, 미래의 초대륙 '판게아울트라'는 마지막 판게아라는 의미인데 지금의 인도양은 대륙 속에 호수처럼 갇히는 형태로 하나의 대륙이 형성된다고 하니 신비롭다.


어떤 힘이 지구의 판을 바꾸는 것일까?


지구 내부로 들어가 보자. 지구의 중심에는 고체상태의 내핵이 있고 그 주위에 끊고있는 철의 성분이 액체상태의 외핵, 그 바깥을 맨들이라 하는 무거운 암석층이 뒤덮고 있다. 멘틀 위를 지각이 둘러싸고 있는데 지구를 사과라 하면 사과껍질에 불과하다. 지각과 맞닿은 맨틀을 합하여 '판'이라 부르는데 지금 지구를 표면을 이루고 있는 판은 총 10개가 넘는데 태평양판, 유라시아판 등의 이름으로 불린다. 


하부 맨틀은 외부핵의 열로 인하여 밀도도 낮고 온도도 높지만 상부 맨틀은 식어서 차갑고 단단하다. 아로 인하여 맨틀에서는 끊임없는 대류 현상이 발생하고 있다. 전통 판구조론에선 상부맨틀의 대류 작용이 판을 움직이는 주 원인이라고 말해 왔으나 그것만으로는 지각의 움직임을 설명하기에 부족하다. 이를 보완하여 나온 새로운 학설이 1990년대 등장한 '플룸 구조론'이다. 플룸이란 하나의 열기둥으로 핵과 맨틀 사이의 경계로 가라앉거나 맨틀 속으로 떠오르는 등 부침을 반복하는데 이것이 판을 움직인다고 한다. 


맨틀보다 가벼운 지각은 판에서 떨어져 나가 맨틀 안에 쌓여서 큰 덩어리를 이루면 맨틀 아래로 가라앉기 시작하는 데 이것을 '차가운 플룸(Cold Plume)'라 부른다. 이는 핵과 맨틀의 경계면까지 침하하여 '뜨거운 플룸(Hot Plume)'로 변하여 지표면으로 올라온다. 이러한 플룸의 대류활동으로 지각의 판은 퍼즐처럼 이합집산을 반복한다는 것이다. 


이들 플룸 중 거대한 것들을 슈퍼플룸이라 하는 데 남태평양과 아프리카 아래의 두 수퍼플룸이 어떻게 움직이느냐에 따라 대륙의 판도가 달라진다. 남태평양 수퍼플룸은 반시계 방향으로 움직이고 있기에 남아메리카 대륙도 반시계 방향으로 회전에 약 2억년 후면 유라시아 대륙과 만나게 된다. 반대로 아프리카 수퍼플룸은 시계방향으로 아프리카 대륙을 움직여 유라시아 대륙과 만나게 만든다 하니 판게아 시대 때는 서로 붙어 있었던 아프리카와 남아메리카 대륙이 '판게아울트라' 시대에는 서로 등을 돌려 다른 대륙에 접하게 된다니 흥미롭다. 


한 개의 초대륙은 약 5억년 주기로 거듭해 만들어 졌다. 지질구조와 화석들로 우리가 모르는 아득한 옛날 이 지구상에 무슨일이 일어났었는지 알 수가 있다. 고생대 페름기 판게아가 만들어질 무렵 지구상엔 사상초유의 거대한 대멸종 사건이 일어난다. 시베리아 화산분출을 시발로 전 지구적인 화산폭발과 용암유출이 장기간 계속되면서 용암이 석탄층을 태워 대기를 유해 가스로 오염시켜 90%가 넘는 지구 생물이 질식사 하게 된다. 하지만 끊질긴 생명은 이 모든 난관을 극복하고 살아남아 현세에 이르고 있다.


지구상에 생명이 탄생하기 전 아득한 과거부터 지구의 내부는 판을 움직여 퍼즐놀이를 계속해 왔다. 수십 수백 억년의 세월이 흘러 인류가 지상에서 사라져도 지구는 판의 퍼즐놀이를 멈추지 않을 것이고 그 동안 몇 차례의 판게아 시대를 맞을지 알 수가 없다. 이 거대한 대륙을 움직이는 장엄한 지구의 위용을 단명한 인간으로서 감상할 수 없다는 것이 참으로 유감이다. 



통신위성을 이용한 위성항법이란 무엇인가? 



GNSS(Global Navigation System: 글로벌 위성항법 시스템) 


인공위성들에서 수신된 신호를 기반으로 지상및 공중에 움직이는 물체의 위치, 고도, 속도 등의 정보를 알아낼 수 있는 시스템이다. 현재 GNSS는 1~15m의 오차 범위 내에서 정확한 위치정보를 제공할 수 있어 군사용 뿐만아니라 민간의 비행기나 배, 자동차에서 등산이나 자전거 여행에 이르기까지 개인 탑재 GNSS로 널리 쓰인다. GNSS는 인공위성, 관제시스템, 사용자로 구성되어 있는 셈이다.


24개 통신위성 중 한 개 이상의 통신위성의 신호를 수신할 수 있는 수신기와 지상의 신호 감시국만 있으면 지상은 물론 지구 궤도상에서도 위치를 포착할 수 있다. 이들 24개의 통신위성은 약 20,200km 고도에서 경사각 55도로 6개의 원 궤도를 그리며  지구 주위를 돌고 있는데 이들의 공전주기는 11시간58분이다. 통신 주파수대는 S-band대를 사용하고 있다. 통신위성들에서 발신된 전파를 수신 단말기로 받아 전파가 수신기에 도달한 시간에 빛의 속도를 곱하여 위성으로부터의 거리를 구하여 사용자의 위치를 구하는데, 이때 통신위성 2 이상 가능한 많은 위성의 전파를 수신할수록 위치의 오차가 줄어든다. 전파수신 위성 하나에 한 개 씩의 위치선이 나오기 때문에 이들이 만나나는 점이 사용자의 위치가 된다.  GNSS는 사용자가 어디에 있던 그 위치에 상관없이 전파 수신만 되면 위치를 알아낼 수 있고, 수신 단말기가 소형이며 항상 실시간으로 위치 파악이 쉽다는 점들이 돋보이는 장점이다. 


이미 널리 알려진 GPS(Global Positioning System)은 GNSS에 해당하는데 1970년대 초에 미국에서 군사목적으로 움직이는 군인들의 위치, 속도, 시각을 정확하게 추정할 수 있었다. 지금은 민간에게도 개방되어 널리 사용되고 있으며 GNSS의 대표적 시스템이 되었다. 2000년 초에 PDA에 장착한 소형GPS로 자동차의 내비게이션 제품을 내놓은 것이 민간 사용의 시초이며 이후 스마트폰 등에 대거 보급되면서 GPS 범용화 시대를 맞았다. 미국의 지피에스에 대항하여 러시아에서는 글로나스(GLONASS, GLObal NAvigation Satellite System)로 맞불을 놓았다. 이도 역시 24개의 통신위성으로 구성되어 지구 전역을 다 커버할 수 있다. 이미 지피에스와 글로나스가 서로 호완되는 스마트폰도 출시되었다. 세계각국은 이 위성항법 시장에 모두 뛰어들어 중국은 베이더우(Beidou)를 유럽연합(EU)는 갈릴레오(Galileo)를 구축했다.


SBAS(Satellite Based Augmentation System): 위성기반 오차보정 시스템

한국형 초정밀 GPS 오차 보정시스템으로 GPS의 오차를 3m 이내로 줄여서 지구상 어디에서도 사용할 수 있는 내비게이션 시스템이다. 한국항공우주연구원이 주관으로 개발하는 이 사업은 'KASS'라고 불리는데 개발이 완료되면 세계 7번째 SBAS 보유국이 된다. 


KASS 계획은 2020년 7월부터 항공기 외의 모든 분야에 무상으로 서비스가 제공되고 2022년에는 항공기에도 정식 서비스가 개시된다. 통신위성에서 무상으로 서비스가 제공되는 GPS 특성상 이 SBAS도 추가 수신단말기를 마련하지 않고 단지 소프트웨어 업그레이드 만으로도 사용할 수 있게 된다.


KASS 개발이 완료되면 항공 분야에서도 비행기 사고감소, 연료비 절감 등의 효과를 볼 것이며, 위치기반서비스 분야에서도 통신기기의 성능이 개선되어 네비게이터 오류 감소, 자동차와 선박의 사고예방, 응급환자의 신속한 후송 등 여러 긍정적인 효과가 예상된다.





우주인들이 우주복을 입고 공중에 둥둥 떠 다니는 것을 보고 참 신기했다. 또 초기 구소련의 우주정거장 미르호에서 장기간 체류하고 지구로 귀환한 우주인들이 지구에 도착했을 때 잘 걷지도 못할 정도로 신체의 근육이 많이 빠져있는 것을 보고 놀랐다. 지구의 대기권과는 완전히 다른 공간의 우주로 우주여행을 했을 때 우주공간에 어떤 특징들이 있고 우리 신체에는 어떤 변화가 오는 것인지 무척 궁금했다. 



우주공간의 특성에는 어떤 것들이 있나? 


우주선이나 우주정거장에서 일하는 우주인들의 모습을 영상으로 보면 허공을 헤엄치듯이 유영하는 모습을 종종 보는데 이것이 우주공간의 대표적 특징인 무중력 상태이기 때문이다. 무중력 상태라 하면 물체와 물체 사이에 작용하는 인력, 즉 서로 끌어당기는 힘이 전혀 없는 상태이다. 이는 실제로 중력이 제로 상태에 있다기보다 물체 자신의 무게가 제로인 무중량 상태를 말하기도 한다. 어쨋던 공중에 둥둥 떠서 생활한다니 기분 좋을 것 같다.


다음은 우주공간에서 소리는 잘 전달될까? 소리란 것이 음파라 하여 파도가 밀려오듯 파동으로 우리 귀의 고막을 진동시켜 소리를 듣게 하는데 우주공간에는 공기가 거의 없는 진공상태다. 우주는 산소나 질소 같은 기체든 물이든 물질의 입자가 존재해야 음파의 파동이 전달될 텐데 공기 입자가 아애 없으므로 소리가 전해질 수 없는 공간이다. 완전한 정적의 공간이 우주공간이다. 그러므로 우주 비행사들은 서로 말을 알아들기 위하여 헤드셋 등 특수한 장치를 착용해야 한다. 


공기와 중력이 없는 우주공간이지만 불청객으로 우주선을 위협하는 우주먼지란 게 있다. 이는 혜성이나 소행성에서 떨어져 나온 파편들로 광석이나 암석의 작은 입자들로 구성된 우주 뷰유물이다. 이 외에도 인간들이 쏘아올린 인공위성에서 발사체가 분리되면서 생기는 파편들, 수명이 다한 우주선의 잔해, 인공위성간 충돌로 생긴 우주쓰레도 역시 우주선에겐 위협적인 존재다. 초속 8-11km로 움직이는 우주쓰레기들은 총알보다 빠르다. 지구 주위를 떠도는 우주쓰레기가 지름 10cm 이상이 23,000개, 1cm 이상이 700,000여개 라니 이 정도면 지구궤도가 쓰레기 안개로 뒤덮인 꼴이다.


진공상태인 우주에는 태양에서 방출된 방사능과 전자기파가 전혀 방해받지 않고 지구 부근까지 도달한다. 지구 대기권을 통과하면서 이들 유해 방사선이나 자외선 같은 전자기파는 거의 대기에 흡수되고 일광욕해도 될만한 좋은 햇빛의 상태로 지상에 도착하는 것에 비하면 우주공간에서 맞이하는 햇빛은 거의 무방비로 쏱아진다. 가장 위험한 것은 우주방사능으로 인체나 인공위성의 전자장비에 치명적인 위해를 가할 수 있다. 그래서 태양의 활동이 활발 할 때는 우주유영이 금지되기도 한다. 


우주 공간에서는 어떤 신체 변화가 있을까? 


국제 우주정거장 같은 우주공간에서 생활하는 우주인들은 어떤 신체변화를 느낄까? 먼저 우리가 배멀미나 차벌미를 하듯이 우주인들은 우주멀미를 한다. 귓속의 전정기관에 있는 이석이나 림프액이 중력의 영향을 받아 우리 몸의 평행감각을 느끼게 하는데 중력이 없는 상태에서는 이석이나 림프액이 공중에 떠버리니 감각세포를 제대로 자극하지 못해 평행감각을 잃어버릴 수 있다. 이것이 우주멀미라 하여 지구상에서 격는 멀미와 같은 증상이지만 인간의 신체는 참으로 오묘하다. 우주인들은 2-3일 정도 우주의 무중력상태에 적응하면 우주멀미가 사라진다.


우리는 지구상에서 중력으로 인해 하체에 체액이 많이 모여들지만 우주에서는 무중력으로 인하여 체액이 신체의 각 부위에 고루 분포된다. 그에 따라 다리와 허리는 가늘어지고 얼굴 등 상체부위가 부어 오른다. 우주에선 키도 커진다는데 척추와 적추 사이가 벌어지기 때문이다. 키가 커져도 좋은 건 없다. 척추 사이가 벌어진 반면 이를 붙잡아 주는 근육은 강화되지 않아 허리통증이 올 수도 있기 때문이다.


우주에서 오랜기간 체류하다 보면 뼈 속의 칼슘이 혈액에 녹아 오줌으로 배출된다. 우주선의 한정된 공간에서 생활하므로 인해 지구에서 활동할 때보다 운동량이 현저히 줄고 무중력으로 인해 근육이 뼈를 실하게 잡아 주지 못한 연고이다. 우주에서 1년간 체류한 우주인의 몸에서 전체 1kg의 칼슘 중 30%인 30g의 칼슘이 빠진다. 칼슘의 손실로 뼈도 약해지고 근육양도 5-20%가 감소한다. 미르호에서 장기체류 후 귀환한 우주인들이 제대로 서지도 걷지도 못했던 장면이 이해가 간다. 


우리가 인체시계를 따라서 낮에는 깨어서 일하고 밤에는 수면을 취하며 휴식한다. 그런데 우주에서는 낮밤이 너무 자주 바뀌어 인체시계가 혼란을 가져온다. 그에 따라 체온을 조절하는 자율신경계와 호르몬도 인체시계의 일정한 리듬을 잃어 우주인들은 우울증이나 밤낮을 구별하지 못하는 우주시차병에 걸리기도 한다.




나는 무지개의 빛에 황홀해 했고 삼라만상에 존재하는 수많은 꽃들과 시시각각 변하는 자연 풍경의 색깔이 어디서 온 것인지 항상 궁금했다. 이제 세상과 우주에 존재하는 빛의 비밀을 찾아 여행을 떠나볼까 한다. 



스펙트럼을 통한 분광학

흔히 스펙트럼(Spectrum)이라 하면 프리즘을 통과한 빛을 색깔에 따라 여러갈래로 분산시켜 각각의 분해된 빛의 성질과 특징을 살펴보는 것을 말한다. 스펙트럼의 원조는 뉴턴으로 그는 여러가지 스펙트럼 실험을 했으며 물질을 태울 때 나오는 빛의 스펙트럼을 분석하여 물질의 성분과 성질을 알아내기도 했다. 이것이 보편화 되어 과학 연구의 한 방법으로 전수되고 있다. 이러한 스펙트럼에 관한 연구를 분광학이라 하며 이는 지금의 천문학에서 아주 중요한 분야를 점하고 있다. 스펙트럼은 파장에 따라 전자기파를 순서대로 배열한 소위 색깔의 띠를 말한다.  무지개가 바로 전형적인 스펙트럼 현상이다.

어떤 물체가 전자기파와 만날 때 생기는 스펙트럼선을 분석하면 그 물체에 대한 각종 정보를 얻을 수 있다. 이를 천체의 각종 별들에 적용하면 별들을 이루고 있는 각종 구성물질과 성분, 온도 및 운동형태 등의 구체적 정보를 알 수 있다. 

전자기 스펙트럼

 전자기 스펙트럼이라 하는 것은 전자기파를 파장에 따라 분해하고 질서있게 배열한 것이다. 일반적으로 스펙트럼이라 하면 가시광선 즉 햇빛 따위를 분해한 것을 말하나 여기 전자기 스펙트럼은 훨씬 폭이 넓은 영역이다. 가시광선은 물론 모든 전자기파의 스펙트럼을 총 망라한다. 짧은 파장(높은 진동수)의 전자기파에서 긴 파장의 파로 나열하면 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디오파 순으로 배열된다. 이제 이들 각각의 전자기파들의 성질과 특징을 알아보자.

감마선

감마선은 아주 높은 에너지를 품고있는 전자기파로서 높은 수준의 광양자 에너지와 진동수를 포함하기에 입자성이 강하다. 감마선 분광기로 측정하면 감마선의 광양자 에너지의 양가지 정확하게 측정해 낸다. 방사성 핵은 수keV~10MeV에 이르는 에너지 수준을 가진 감마선을 오랜 기간 뿜어낸다. 감마선과 X선과의 경계는 희미하지만 감마선이 20keV 이하의 낮은 수준의 에너지를 방출하는 전자기파인데 반하여 X선은 보다 높은 수준의 에너지, 즉 100keV 이상의 원자에서 방출되는 높은 에너지의 전자기파에 해당한다.

방사선 물질의 대부분은 여러 계층의 에너지 수준과 강도로 감마선을 만들어 낸다. 이러한 감마선 방출은 감마선 분광기를 통해 분석되며 감마선 에너지 스펙트럼을 생성한다. 이들 스펙트럼을 여러 각도에서 분석해 보면 감마선을 방출한 물질의 성질과 특성을 알아낼 수 있게된다. 광분석법의 광스펙트럼이 어떤 물질에 대한 원자와 분자의 고유한 특성을 밝혀내듯이 감마스펙트럼은 감마선을 방출하는 방사선 핵을 품고있는 물질들의 고유한 특징을 보여준다. 이러한 감마선 분광법은 천체물리학에서 우주의 신비를 벗겨내는 중요한 도구가 된다.

X선

X선은 일반적으로 우리가 엑스레이라 부르는 병원에서 인체 내부 사진을 찍을 때 사용하는 전자기파다. X선 발견 덕으로 최초 노벨 물리학상을 탄 독일 과학자 뢴트겐의 이름을 따서 뢴트겐선이라고 불린다.  X선은 물체에 아무런 영향을 미치지 않고 투과할 수 있으므로 의료분야나 공항 등의 화물 검색기에 사용되고 있다. X선은 매우 빠르게 운동하는 전자가 무거운 원자에 부딪칠 때 발생하는데 가열된 음극 필라멘트에서 방출되는 전자는 양극으로 가속되며 질주한다. 이 때 전자의 운동에너지는 대부분 열도 전환되고 1% 미만만 X선으로 바꾼다. 이 원리로 X선을 발생시키는 진공관을 엑스선관이라 한다. X선과 우라늄의 방사선 발견으로 인하여 20세기 원자핵물리학이 비약적으로 발전하는 계기가 되었다.

자외선

빛의 스펙트럼에서 보라색 띠 넘어 보이지 않는 영역의 빛인데 750THz의 파장영역대이다. 자외선은 햇빛과 같은 자연광선에서 나오는데 긴 파장의 자외선은 원자를 분해시켜 이온으로 만들기에는 턱없이 에너지가 빈약하지만 물질에 화학반응을 일으켜 그 물체로 하여금 형광효과나 빛이 나게끔 할 수 있다. 이 말은 자외선은 생명체에 에너지를 공급해 가열시키기도 할 뿐 아니라 체내 분자의 화학적 상호작용을 유도하기도 한다.

주근깨나 피부화상 등이 과도한 자외선에 노출된 일광욕으로 인한 부작용이기도 하지만 인체에 비타민D를 합성해내는 중요한 일꾼이기도 하다. 에너지가 높은 전자기파는 생체조직을 파괴하기 때문에 지구가 생성된 초기 지구의 대기는 햇빛의 자외선을 거의 막아주지 못했기 때문에 초기 생명의 시원이 원시어류에서 비롯되었다고 과학자들은 추측한다.

시광선

사람이 볼 수 있는 영역의 전자기파다. 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라 등의 무지개 빛이 대표적인 가시광선 영역이다. 사람별로 다소의 차이는 있지만 보통 사람들은 400~700nm까지의 파장대의 범위를 볼 수 있다. 태양은 자외선, 가시광선, 적외선 중 가시광선을 가장 많이 방출하는데 사람의 눈은 가시광선의 녹색영역에서 최대 감도를 느끼고 편안해 한다. 가시광선은 대기층을 통과하면서 파장이 짧은 보라색 개통이 산란이 잘 되지만 인간의 빛 편향성 때문에 파란색으로 본다.  

적외선

적외선은 빵강색 너머의 광역대로 가시광선보다 파장이 길고 전자레인지에 쓰이는 마이크로파보다는 파장이 짧다. 적외선도 근적외선과 원적외선으로 분류된다. 적외선은 열을 방출하기 때문에 햇빛을 쬐면 따뜻함을 느끼는데 이는 적외선 때문이다. 적외선을 처음 발견한 사람은 천문학자인 윌리엄 허셜이다. 1800년 무렵 허셜은 수은온도계로 스펙트럼에서 분류되는 빛의 온도를 재는 실험을 했는데 이상하게도 가시광선 밖의 영역에서도 온도가 올라가는 것을 발견하고는 열이 눈에 보이지 않는 빛, 즉 적외선의 형태로 전달됨을 발견했다. 적외선이 강한 열을 방출하는 것은 주파수가 물질을 이루고 있는 분자의 고유진동수와 거의 비슷하기 때문이라 한다. 이것은 물체에 적외선이 충돌하면 전자기적 공진현상을 일으켜 적외선의 에너지인 열이 적외선이 와닿은 물체에 바로 흡수되기 때문이다. 적외선은 파장이 가시광선이나 자외선 보다 길어 대기 속 부유물의 산란효과가 적으므로 비교적 대기를 잘 투과한다. 적외선의 이런 투과성을 이용한 것들이 적외선 감시장치, 야간촬영, 우너거리 항공사진 등이 있으며, 적외선이 가시광선과는 다른 반사율을 가진다는 특성을 이용하여 적외선 사진으로 위조지폐를 감별하기도 한다. 적외선의 발열기능을 이용하여 농수산물의 건조장에서도 적외선의 사용 빈도가 많다. 의학쪽에서도 아픈 관절이나 뭉친 근육 치료에는 근적외선이 쓰이고 적외선 레이저빔은 내외과적 수술에 적극 쓰인다. 이렇듯 적외선은 우리 생활과 뗄래야 뗄 수 없을 정도로 유용한 도구가 되었다.

마이크로파

적외선과 라디오파 사이의 파장 1nm~1dm 영역대의 전자기파다. G, P, L, S, C, X, K, V, W밴드 등의 GHz로 표시되는 전파 대역을 나누어 군용 항공무선, 이동통신, TV방송, 휴대전화, 위성방송, 통신위성, 전파 천문학에 이르기까지 인간의 편의를 위하여 0.2~111GHz의 주파수를 나누어 쓰는 파장 영역이다. 

라디오파

무선주파수라고도 하는데 파장 1nm~100km, 주파수 3KHz~300GHz 영역의 전자기파이다. 이들 무선주파수라고 부르는 장파(LF, 장파 1~10km), 중파(MF, 파장 100~1000m), 단파(HF, 파장 10~100m), 초단파(VHF, 파장 1~10m), 극초단파(UHF, 파장 10cm~1m) 등으로 분류하여 사용한다.






  
   





빛, 공간, 시간, 그리고 중력에 따라 우리가 우주를 인지하는 방식이 어떻게 달라질까?

이는 참으로 흥미로운 질문이다. 우리가 당연시 여기는 이런 자연의 존재들이 우주공간에서 서로 만나 인간은 전혀 상상하지 못한 세계를 만들어 내기 때문이다. 1802년 코스모스를 깊이 들여다 본 천문학자 윌리엄 허셜은 빛이 시간으로 마술을 부리는 것을 알아냈다. 모든 별은 태양과 같은 항성이며 지금은 사라지고 없을지도 모를 유령임을 알아냈다. 빛이 1초에 30만 km를 달린다. 지구에서 달까지의 거리가 대략 그쯤 되니 지구와 달까지의 거리는 1광초가 된다. 지구에서 태양까지는 8광분, 빛의 속도로 8분 걸리는 거리다. 그러니 지금 우리가 보는 해는 8분 전의 태양이 되는 셈이다.  지구에서 가장 먼 혹성 해왕성은 4광시 쯤 떨어져 있다. 끝으로 지구에서 가장 가까운 별도 그 빛이 지구에 도달하기까지 4년이나 걸린다 하니 무려 10조km나 떨어진 먼 거리다. 이는 시속 56,000km의 속도를 자랑하는 우주탐사선 보이저호로 간다고 해도 그 별에 도착하려면 무려 8만년이나 걸린다.  

게성운

게성운은 태양의 10배 가량의 질량을 가진 항성으로 초신성 폭발을 일으켰다. 펄스라 불리는 도시만한 붕괴된 별들이 초당 30회의 속도로 회전하며 소용돌이 자기장 속에서 광속으로 가속화 된다. 이들이 초신성의 가스층을 온통 푸른빛으로 물들이고 있다.  이 게성운은 지구에서 6,500 광년 떨어져 있는데 그것도 지구가 은하의 중심에서 3만 광년 떨어져 있는 것에 비기면 이웃이나 다름없다. 발견된 가장 오래 된 은하계 별빛은 허블 망원경이 포착한 134억년 된 별빛이다. 이 별빛이 출발했을 때는 지구는 물론 태양이나 우리 은하계도 수십억년 지난 후에야 생겨났다. 이보다 더 멀리 내다보려면 우주의 끝과 같은 곳에 부딪친다. 그곳은 시간의 시작과 같은 곳이다. 

빅뱅은 138억년 전 우주를 만든 대폭발이다. 이 폭발로 우주가 팽창하면서 코스모스는 더 웅장한 규모로 진화한다. 군데군데 밀도높은 가스들의 집단은 1세대 별들을 만들고, 수명을 다한 1세대 별들은 우주에 더 무거운 원소들의 씨를 뿌려 그 결과 행성이 형성되고 궁극적으로 생명이 출현하게 된다. 빅뱅은 물질과 에너지와 시간과 공간도 창초했다. 중력처럼 물질을 결속하는 힘들도 나타났다. 허셜은 중력의 보다 큰 법칙, 중력이 머나먼 별들까지 지배한다는 사실을 발견했다. 그는 보이지 않는 힘의 장이 파도처럼 빛의 속도로 이동하는 거대한 우주 양탄자의 비밀, 빛과 공간 그리고 중력으로 수놓인 화려한 무늬에 대해서는 물랐다. 

우주에서 운직이지 않는 무언가가 기준이 되어야 그것을 기준으로 다른 것들과의 상관관계를 계측할 수 있을 텐데 우주에서 움직이지 않는 것이 과연 있을까? 지구는 시속 1600km로 자전하면서 시속 108,000km로 태양 주위를 공전한다. 태양은 시속 70만km로 은하 속으로 이동하고, 은하는 시속 250만km로 우주 속을 이동한다. 코스모스에 고정된 장소는 없다. 이 사실은 아인시타인에게 좌절과 영감을 안겨 주기에 충분했다. 모든 상대 속도를 계측할 절대기준이 없었기 때문이다. 이때 아인시타인은 자신이 광속으로 이동하면 무슨 일이 일어날지를 상상했다. 오토바이를 타고 우주 속으로 여행한다고 상상해 보자. 오토바이가 아무리 빨리 달려도 오토바이 헤드라이터에서 나오는 빛은 여전히 광속이다. 자연은 명령한다. 광속에 나의 속도를 더하지 마라고. 어떤 물질도 빛의 속도와 같거나 빛보다 더 빨리 이동할 수 없다. 물리적으로 빛의 속도 99.9%까지는 가능하다. 그러나 아무리 애써도 빛의 속도에는 다다를 수가 없다. 

그렇다면 광속을 음속처럼 넘어설 수가 없는 이유가 무얼까?  단지 빛이 소리보다 100만배 쯤 빠르기 때문만은 아니다. 공학적인 문제 때문도 아니다. 오히려 광속의 장벽은 자연법칙이다. 고로 어떤 상대적 속도로 움직이든 거기서 나오는 빛의 속도는 늘 같다. 자연법칙은 문화나 시대에 따라 달라지지 않으며 코스모스 전체에 적용된다. 절대공간과 절대시간의 개념은 없다. 우리가 광속에 가까워지는 건 불로장생의 비결같은 것이다. 우리보다 느린 것들에 비해 생체시계가 느려지는 것이다. 인간의 수명이 100년도 안되지만 이를 이용하면 항성 여행이 가능할지도 모르겠다. 시공의 마법은 이렇듯 놀랍다.

존 미첼은 존재하지만 볼 수 없는 별을 암흑성이라 불렀는데 이는 아주 거대하고 무거워서 그 중력의 영향력에서 빛조차 벗어나지 못하는 별이라 상상했다. 우주를 관찰하다 보면 어떤 별들은 안쪽에 아무 것도 없는 데 궤도를 돈다. 보이진 않지만 궤도의 안쪽엔 질량이 큰 무언가가 있다. 암흑성, 오늘날의 블랙홀이다. 중력은 시공간을 왜곡한다. 중력의 세기에 따라 공간은 팽창, 수축하거나 휘어질 수 있다. 지구의 중력을 1G라고 한다면 수백만 G에서는 빛조차 중력에 굴복한다블랙홀이 될만큼 무거운 별은 천 개에 하나 꼴이다. 지구에서 가장 가까운 블랙홀은 100광년 쯤 떨어져 있다.  

블랙홀과 주위 원판

블랙홀은 어떻게 탄생했을까?

 거성이 핵연료를 다 소모하면 자신의 중력을 이겨낼 만큼의 열기를 유지할 수 없다. 거대한 별은 붕괴해 어둠 속에 모습을 감추고 중력만을 남겨 놓는다. 그 블랙홀이 수축한 초거성의 사체를 감춘다. 초거성 자체는 폭이 64km 밖에 안되는 블랙홀보다 훨씬 작게 움츠려 든다. 블랙홀 주위를 도는 주홍색의 가스 원판은 온도가 1억도에 이르는데 X선망원경에 포착되어 아주 밝게 빛난다. 블랙홀 주위를 돌던 별들은 안쪽으로 소용돌이 치는 뜨겁고 밝은 응축 원반으로 빨려 들어간다.  엄청난 중력이 죽음의 소용돌이를 가속화해 푸른 별의 가스는 시공의 경계 너머로 사라져간다. 블랙홀과 나머지 우주를 가르는 경계를 사건지평선이라 부른다. 만일 운이 좋아 죽지않고 원반에 올라탔다면 몇 초만에 사건지평선을 지나쳐 누구도 들어가 본 적이 없는 미지의 세계로 들어서게 된다. 시간과 공간 등이 전혀 다른 차원의 자연법칙이 존재하는 완전히 새로운 우주가 펼쳐질지도 모른다. 

 

우주여행에 필요한 우주선으로 상상의 우주선이 아주 적격이다. 이 우주선은 아무리 멀리 떨어져 있는 우주라도 순간이동을 할 수 있으며 아무리 작은 물체 속이라도 들어가서 탐험을 할 수 있다. 그 뿐만아니라 시간대도 자유롭다. 우주가 탄생하는 그 먼 시간대와 앞으로 도래할 미래까지 어떤 시간대라도 이 상상의 우주선이 못갈 곳은 없다.

현 시대를 살아가는데 가장 중요한 것이 상상하는 능력이라 말들 하는데 다행히도 우리에겐 상상의 우주선이 이미 준비되어 있으니 이제 이를 타고 나래를 펼치기만 하면 된다. 빌 게이츠가 수십년 전 생각한 것들이 지금은 거의다 이루어졌다고 하지 않던가. 그를 가만히 보면 우리가 생각에는 스스로 이루어 가는 물리적인 힘이 있는 것 같다. 상상은 현실이 된다는 말이 사실이다.  

인류는 낯선 땅을 마다하지 않았기에 살아 남았다. 항상 새로운 변화에 능동적으로 대응해왔다. 그들은 아프리카에서 시작해 유라시아 대륙을 섭렵하고 시베리아와 알래스카를 잇는 베링해를 건너 아메리카 대륙으로 건너갔다. 우리 조상들은 일상 자체가 모험이었다. 조상의 유전적 DNA, 즉 미지에 대한 호기심과 도전정신을 우리는 유업으로 고스란히 물려받았다. 그래서 이제는 우주로 상상의 나래를 펼칠 수 있게 된 것이다. 인류가 우주 개척을 시작할 때 그 불안과 공포는 컸을 것이다. 공기는 물론 중력조차도 없는 완전히 생소하고 차원이 다른 미지의 영역이기 때문이다. 그러나 인류는 이미 경험으로 알고 있었다. 계산된 위험으로 들어가는 것, 그리고 그 턱을 한번 넘는 것이 불안과 공포로부터 벗어나는 핵심이라는 것이다. 뉴턴이 포탄을 상상하며 엄청난 힘으로 그것을 발사한다면 지구의 중력을 벗어날 수도 있을 것이라는 생각이 현실로 나타난 것이 지금의 로켓 우주선이다. 우리 조상의 상상이 그 때에는 이루어지지 않았지라도 다음 세대의 어느 순간에 이루어지곤 했다. 이것이 인류가 살아온 방식이었다.

우주로 발진한 인류의 우주 개척의 역사 가운데 칼 세이건(Carl Sagan)은 우주를 대중에 알린 선구자다. "사랑에 빠지면 세상 사람들에게 알리고 싶은 법이다. 나는 과학과 사랑에 빠졌고 이를 세상 사람들에게 알리는 것은 자연스러운 일이다." 그는 이렇게 일부 과학자들에게만 알려져 있던 자연과 우주의 신비를 일반 사람들 앞에 풍성히 펼쳐 놓았다. 그는 휴머니스트였다. 인류의 잠재력을 확신하면서도 인류에게 무심한 우주의 변덕에 의해 언제라도 쓸려 없어질 수도 있는 작디작은 공동체에 불과한 인류의 취약성을 잘 알고 있었기에 끊임없이 고민하며 인류의 나아갈 길을 모색했다. 그의 필생의 작품 다큐드라마 코스모스가 2014년 부활하면서 닐 타이슨을 태우고 우주와 자연을 종횡무진한 이야기의 중심에 있는 것이 상상의 우주선이다. 인류가 상상을 통하여 문명과 역사를 발전시키며 우주시대를 열어온 사실을 생생하게 보여준다. 

"상상할 수 있는 능력이 인류의 미래를 결정할 것이다." 라고 상상의 우주선은 말한다.


+ Recent posts