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톰슨은 이공계 대학의 신입생이다. 대학교 1학년 신입생의 일과는 매우 빡빡했다. 낮에는 종일 강의를 듣고, 저녁에는 그날 배운 내용을 혼자 복습하다가 밤늦게야 잠자리에 들었다. 톰슨은 보통 아침 8시쯤 일어났는데 8시 30분에 강의가 시작되기 때문에 세수하고 옷만 갈아입고 집을 나서기에도 시간이 빠듯했다. 당연히 제대로 된 아침 식사는 꿈도 못 꿨다. 그래서 톰슨은 매일 아침 빠르게 배를 채울 수 있는 빵으로 아침 식사를 대신했다. 바쁜 아침 빵 하나를 뚝딱 먹어 치우고 나면 금방 포만감이 느껴졌다. 늘 급하게 먹다 보니 빵 맛을 제대로 느껴볼 새도, 빵이 어떻게 우리 몸에 열량을 공급하는지 생각해 볼 새도 없었다.

빵의 주성분은 탄수화물이고, 탄수화물은 탄소(C), 수소(H), 산소(O) 세 가지 원소로 구성된 화합물이다. 탄수화물이 몸속에 들어오면 각종 효소에 의해 포도당으로 변하고 산화반응이 일어나면서 에너지를 방출하게 된다. 빵 200g은 대략 500kcal의 열량을 제공하며 이는 성인 한 사람이 반나절 정도 활동할 수 있는 열량이다.

그렇다면 이렇게 풍부한 열량을 제공하는 빵의 내부 구조는 어떻게 생겼을까? 빵의 진짜 모습을 알기 위해서는 원자 단위까지 깊숙이 들어가 봐야 한다. 원자를 운동장에 비유하자면 그중에서 원자핵이 차지하는 부분은 작은 개미 한 마리 크기밖에 되지 않는다.

1908년 영국의 물리학자 러더퍼드는 인류 역사상 가장 훌륭한 물리학 실험으로 손꼽히는 ‘α(알파) 입자 산란 실험’을 통해 미시 세계의 문을 활짝 열었다. α 입자는 두 개의 중성자와 두 개의 양성자로 구성된 입자다. 러더퍼드는 얇은 금박(마이크로미터(μm)급 두께)에 α 입자를 빠르게 충돌시켜 관찰 결과를 기록했다. 러더퍼드는 이 실험을 통해 대부분의 α 입자가 직진하여 금박을 통과했지만 일부 극소수의 α 입자에서 90° 이상의 굴절이 나타난 것을 발견했다. 그리고 계산 결과 약 1/800 의 α 입자에서 비교적 큰 굴절이 나타난 것을 알 수 있었다.

(1) 금박은 바람이 통하지 않을 만큼 빽빽한 구조가 아니라 다수의 미세한 틈을 가진 구조다.

(2) 금박 안에는 일부 걸러지지 않는 물질이 존재하지만 아주 극소량이다.

러더퍼드는 실험 결과를 바탕으로 원자 행성 모형을 제시했다. 이 모형에 따르면 금박은 원자로 구성되어 있고, 원자의 중심에는 원자핵이 있는데 전자들이 원자핵 주위로 움직인다. 그래서 원자 내부의 모습은 마치 행성이 항성 주위를 도는 것처럼 보인다. 원자에서 원자핵이 차지하는 면적은 아주 작기 때문에 대부분의 α 입자는 금박을 통과하고, 극소수만이 원자핵과 충돌해 튕겨 나온 것이다. 러더퍼드는 원자핵은 치밀해서 α 입자가 통과하기 어렵고, 반면에 원자의 나머지 공간은 넓은 편이라 α 입자가 쉽게 통과할 수 있는 거라 생각했다.

인류는 아주 오랜 시간 물질의 구조에 대해 탐구해 왔다. 그리고 그동안 원자는 줄곧 물질을 이루는 가장 기본 요소로 여겨져 왔다. 고대 그리스의 과학자 데모크리토스는 원자론에서 ‘원자는 물질을 구성하는 기본 요소고, 더 이상 분할할 수 없는 실체’라고 말했다. 그 이후 사람들은 원자론의 관점을 바탕으로 원자는 더 이상 분할될 수 없으며, 물질이 서로 다른 이유는 원자의 배열과 조합이 다르기 때문이라고 믿었다. 그런데 원자 행성 모형이 이러한 오래된 인식을 깨트렸다. 원자는 더 이상 분할할 수 없는 입자가 아닐뿐더러 원자 내부는 거의 텅 비어 있다는 사실이 밝혀진 것이다.

원자의 내부는 99.99%가 빈 공간이다. 원자는 지구상에 존재하는 거의 모든 물질의 기본 구조로, 원자의 텅 빈 내부 구조 역시 우리가 흔히 볼 수 있는 거의 모든 물체에 적용된다. 예를 들어 톰슨이 아침에 먹은 빵과 물을 원자의 각도에서 놓고 보면 텅 비어 있는 형태다.

원자의 내부가 이렇게 텅 비어 있다면 어째서 고무공 두 개가 서로 부딪혔을 때 관통하지 않고 튕겨 나가는 걸까? 그 이유는 고무공의 원자들 사이에는 화학적 결합으로 구성된 분자가 있고, 또 분자들 사이에서는 반데르발스 힘에 의한 결합이 생겨 결국 그물망 형태의 물체가 만들어지기 때문이다. 즉, 고무공 두 개가 서로 부딪히는 것은 그물망 두 장이 서로 부딪히는 것과 같으므로 상대를 관통해 지나갈 수 없다.

1930년대 전까지만 해도 원자핵은 굉장히 치밀하고, 더 이상 쪼개질 수 없다고 알려져 있었다. 그러나 실험 기술이 발전함에 따라 과학자들은 원자핵을 세분할 수 있다는 사실을 발견했다. 앞서 얘기했듯이, 원자를 커다란 운동장에 비유한다면 원자핵은 그 안에 기어 다니는 작은 개미 한 마리 크기에 불과하다. 하지만 이러한 원자핵도 미세한 구조로 되어있고, 더 나아가 양성자와 중성자로 구성되어 있다. 1960년대에 이르러 과학자들은 양성자와 중성자가 쿼크로 구성되어 있다는 사실을 또 한 번 발견하게 되었다. 

쿼크보다 더 세밀한 구조가 존재하는지 여부를 떠나 현재까지의 관찰 결과를 종합해 보면 원자 내부는 텅 비어 있고, 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자의 내부 역시 텅 비어 있으므로 쿼크를 구성하는 내부 구조 역시 비어 있을 가능성이 높다. 

물질의 미시 구조 탐구는 탐정이 범죄 사건을 파헤치는 과정과 비슷하다. 탐정이 먼저 한 용의자를 지목했는데 그 사람은 죄가 없는 것으로 밝혀지고, 곧이어 또 다른 의심스러운 용의자를 찾지만 얼마 후 그 사람보다 더 의심스러운 용의자가 나타나는 상황을 생각해 보면 말이다. 현재까지 과학자들은 물질을 이루는 가장 최소 단위의 구성이 무엇인지 밝혀내지 못한 상태다.

1654년 독일의 마그데부르크시에서 흥미로운 실험을 진행했다. 당시 마그데부르크의 시장은 황동으로 만들어진 두 개의 반구 껍데기에 고무링을 끼우고, 물을 채운 다음 하나로 합쳤다. 그다음 물을 빼내고 두 반구 사이에 진공 상태를 만들었다. 시장은 여덟 마리의 건장한 말들을 데려와 양쪽에서 반구를 잡아당겨 떼어놓게 했다. 시장의 명령이 떨어지자마자 말들은 줄다리기를 하듯 반구를 잇는 힘껏 양쪽으로 잡아당겼다. 실험 결과, 말들이 아무리 힘을 써도 두 개의 반구는 떨어지지 않았다. 이 실험은 진공의 독특한 성질을 세상에 처음 알린 최초의 진공 실험이었다. 

대기 환경에는 강력한 기압이 존재한다. 하지만 진공 환경에서의 압의 강도는 0이다. 우주 환경에서는 압력뿐만 아니라, 온도, 물질의 밀도 모두 0에 가깝다. 우주는 빛이 없어 칠흑같이 어둡고, 따뜻한 열도, 물질도 아무것도 없다. 진공은 이름 그대로 비어 있는 상태를 의미한다. 오랫동안 사람들은 비어 있는 상태인 진공을 굳이 연구하려고 하지 않았고, 연구의 필요성도 느끼지 못했다. 진공은 비어 있는 무대 배경 같은 것이었다. 

지구 표면의 대기층은 진공이라는 바탕 위에 산소와 이산화탄소 등의 분자들이 더해진 상태고, 이로써 대기층이라는 의미도 갖게 된다. 지구의 대기층은 마치 0에 실수 하나를 더한 것 같은 결과다. 물론 0은 바로 진공을 의미한다. 그런데 진공은 정말 0의 상태일까? 양자 역학에는 불확정성 원리라는 개념이 있다. 

불확정성 원리를 나타내는 식의 부호는 등호보다 크다. 이는 "최소"의 개념을 의미하는 것으로, 플랑크 시간 변화는 10억 줄보다 훨씬 큰 에너지 변화를 일으킬 수 있다는 의미다. 진공 상태에서는 아주 짧은 시간 안에 거대한 에너지 변화가 일어날 수 있고, 거대한 에너지는 순간적으로 물질 입자로 변할 수 있지만 찰나에 사라진다.

허공에서 입자들이 갑자기 생겨났다가 또 갑자기 사라지는 현상은 냄비 안에서 바글바글 끓고 있는 국처럼 보이기도 하는데, 이러한 현상을 양자의 플럭투에이션이라고 부른다. 미시적인 플랑크 시간 척도에서 진공은 매 순간 격렬하게 요동치고 있는데, 이것은 진공이 비어있지 않다는 의미를 나타내기도 한다.

거시적인 척도에서 순간적으로 나타났다가 사라지는 물질 입자는 일반적으로 감지되지 않는다. 하지만 무수히 많은 우연은 필연을 탄생시키기도 한다. 즉, 극히 개별적으로 창조된 물질 입자가 짧은 시간 안에 사라지지 않고 남아있는 경우다. 이러한 효과는 진공에 입자가 생성될 가능성을 갖게 한다. 광활한 우주 진공 환경에서 이러한 입자의 생성 과정이 다량으로 발생하고, 오랜 시간에 걸쳐 진화해 입자의 응집이 이루어지면 가시적인 천체가 형성되기도 한다.이것이 바로 무에서 유가 창조되는 과정이다. 비록 아주 작은 확률이지만 광활한 우주 안에서는 이처럼 아주 작은 확률을 가진 사건들이 매분 매초 일어나고 있다.

우주는 약 138억 년 전 대폭발에 의해 탄생했다. 상식적으로 생각했을 때 폭발은 어느 한 지점에서 일어나는 사건인데, 사실상 우주 대폭발의 정확한 폭발 지점을 찾는 것은 불가능한 일이다. 과학자들은 우주 대폭발과 일반 폭탄의 폭발을 다른 것으로 본다. 우주 대폭발과 같은 폭발은 특정 공간에서 일어나는 폭발이 아니라, 공간 자체가 폭발로 인해 생겨난 것이다. 다시 말해, 대폭발 이전에 공간이라는 의미는 아예 존재하지 않았다. 소위 폭발 지점이라는 것은 존재하지 않기 때문에 이러한 지점을 찾으려는 시도는 의미가 없다.

특정 공간 안에서 폭발 지점을 찾으려는 시도는 의미가 없지만 어쨌든 최초의 폭발 지점은 존재하기 마련이다. 바로 이 공간의 크기가 없는 "점" 하나가 오늘날 우주의 모든 것을 만들어냈다. 이처럼 특별한 점은 우주 대폭발 특이점이라고 불린다. 

1960년대 호킹과 펜로즈는 특이점에 대한 활발한 토론을 벌였다. 두 사람은 일부 적당한 조건만 만족시킨다면 초기 특이점이 발생한다고 정리했다. 공간의 척도가 극히 작을 때는 양자 이론이 우위를 점하게 된다. 불확정성의 원리에 따라 입자의 위치와 운동량은 동시에 정확한 측정이 불가능한데, 이러한 이론은 우주 초기의 모습을 설명할 때 지배적인 위치를 차지한다. 양자 효과가 있으면 특이점을 피할 수 있는 가능성도 보인다. 

자, 이쯤 되면 머리가 슬슬 복잡해지기 시작할 것이다. 실제로 물리학 천재들조차 초기 우주가 양자 우주인지 상대론적 우주인지를 놓고 깊이 고민했다. 현재 주류적인 관점은 특이점을 아예 논하지 않는 것이다. 특이점의 존재 자체가 여러 가지 문제를 만들어내기 때문이다. 우주 탄생의 0초부터 지극히 짧은 임계 시간까지는 상대성 이론이 적용되지 않는다. 이 지극히 짧은 시간은 이론적인 논의가 불가능한 시간에 속한다. 

임계 시간은 플랑크 시간이라고도 불린다. 우주 대폭발 과정은 지극히 짧은 시간(플랑크 척도) 동안 거대한 진공 잠재 능력이 집중 방출된 것이라고 이해할 수 있다. 질량-에너지 관계 E=mc² 에 따르면 에너지는 곧 물질로 전환된다. 그리고 수억만 년의 진화를 거쳐 우리가 사는 다채로운 세상이 만들어진 것이다. 이런 의미에서 보면 어쩌면 진공은 우주를 탄생시킨 창조의 힘이었는지도 모른다.

1929년 허블이 우주의 팽창 상태를 관측했고, 그의 관측 결과는 기존의 우주관을 완전히 뒤집기에 충분했다. 고전 물리학에서 우주의 천체 사이에는 만유인력이 존재하고, 이론적으로 봤을 때 서로 가까이 자리 잡고 있어야 한다. 하지만 허블의 관측 결과, 천체들은 서로 멀리 떨어져 있을 뿐만 아니라 멀어지는 속도도 점점 빨라졌다. 정말 이상한 일이 아닐 수 없었다. 과연 누가 우주에 가속 팽창할 수 있는 동력을 제공하는 걸까?

현대 우주학은 아인슈타인이 창시한 이후, 가모프(열 대폭발 이론 제시), 앨런 구스(팽창 이론 제시) 등의 인물들이 더욱 완비하고, 허블(우주 팽창 발견), 펜지어스와 윌슨(우주 마이크로파 배경 복사 발견)의 실험이 뒷받침되면서 표준 우주 모형으로 자리 잡았다. 표준 우주 모형에 따르면 우주 가속 팽창은 암흑 에너지에 일어난다. 암흑 에너지는 우주 전체의 68%를 차지하고, 나머지 27%는 암흑 물질이, 그리고 5%는 가시적인 물질이 차지하고 있다. 

현재 암흑 에너지에 관해 확인된 정보는 다음과 같다.

(1) 빛을 내지 않는다.

(2) 압력 p가 -p에 근접하고, 0보다 작아(음수) 우주 가속 팽창을 촉진한다.

(3) 공간에 균일하게 분포되어 있다.

현재 암흑 에너지의 최적 후보는 진공 에너지다. 진공 에너지는 실제 존재하는 에너지고, 우주 공간에 분포되어 있는 에너지이기 때문이다. 

진공 에너지는 암흑 에너지보다 120배 더 크다. 이는 진공 에너지가 어떤 음의 작용에 의해 상쇄될 수 있다는 의미이기도 하다. 이러한 음의 작용은 119배까지는 진공 에너지와 크기가 동일하고 120배에 이르러 차이가 발생한다. 차이가 생기는 부분에서 암흑 에너지가 생성되며 우주를 현재의 가속도에 따라 팽창시킨다.

이처럼 텅 빈 공간인 줄만 알았던 진공은 사실 우주를 창조하고, 우주의 가속 팽창을 촉진할 만큼 큰 힘을 숨기고 있을지도 모른다. 언젠가 인류가 진공 에너지를 사용할 수 있는 날이 온다면 핵융합보다 훨씬 크고 보편적인 에너지를 얻게 될 것이다.

세상의 모든 수 가운데 가장 특별한 수는 뭐니 뭐니 해도 0이다. 0은 어떤 수와 곱해도 결과가 0이고, 어떤 수를 더해도 변하지 않는다. 더 중요한 것은 0은 모든 정수의 시작이라는 점이다. 0이 없으면 1이나 3, 나아가 무한대도 존재할 수 없다. 수학적인 관점에서 보면 0은 가장 중요한 수이고, 물리학적 관점에서 보면 0은 사물의 본모습과 비슷하다.

물질은 일반적으로 원자로 구성되어 있지만 사실 원자의 99.99%의 공간은 텅 비어 있고, 나머지 0.01%의 공간은 원자핵이 차지하고 있다. 그런데 이러한 원자핵 역시 중성자, 양성자로 이루어져 있고, 중성자와 양성자 역시 쿼크로 이루어져 있는 형태다. 현재 쿼크는 위 쿼크와 아래 쿼크 등의 구조로 다시 한번 나뉠 수 있다고 알려져 있다. 

그러나 이러한 위 쿼크와 아래 쿼크 역시 기술이 더욱 발달하면 다시 한번 더 작은 입자로 나눠질 수 있다고 믿고 있다. 만약 세상에 정말로 더 이상 나눠질 수 없는 기본 구조가 존재한다면, 구조의 부피의 합은 생략해도 무방할 만큼 미미할 것이다. 육안으로 볼 수 있는 물질은 사실 대부분의 공간이 비어 있고, 실제로 전체 부피가 0(혹은 0에 가깝다)이라고 봐도 무방하다. 질량의 관점에서 보면, 사실 질량이라는 것은 일종의 허구의 느낌으로 힉스 메커니즘 안에서 입자의 측정 가능한 양을 나타낸다.

지구에서 사람들이 느끼는 무게는 질량과 밀접한 관련이 있으며, 질량에 중력 가속도(9.8m/초²)를 곱하면 무게를 얻을 수 있다. ‘무겁다’, ‘가볍다’의 개념을 논할 때는 물체가 놓인 중력 환경과 고려해야 한다. 동일한 물체가 지구에서는 아주 무겁게 느껴지고, 달에서는 지구에서의 중량의 1/6밖에 되지 않으며, 심지어 우주 공간에서는 무게가 아예 느껴지지 않는다. 그러므로 무게에는 객관적이고 절대적인 지표가 존재하지 않고, 중력의 강약에 따라 달라질 뿐이다.

아인슈타인은 상대성 이론에서 중력이 일종의 기하학적 영향이라고 설명했다. 물질은 대체로 가장 긴 세계선을 따라 움직이고, 이로써 지구가 태양을 따라 공전하고, 달이 지구를 따라 공전하게 된다. 관련 내용은 상대성 이론에 관한 책을 찾아보면 더 자세히 알 수 있다. 다시 말해, 중력의 본질은 수치의 크고 작음이 아니라 기하학적 영향인 것이다.

지금까지 공간, 질량, 중력의 개념을 살펴봤다. 그럼 이제 시간에 대해 알아보자. 사방과 위, 아래를 우(宇)라고 하고, 과거와 현재를 주(宙)라고 한다. 뉴턴의 고전 역학에서는 절대적인 시공간이 존재한다고 여겼다. 즉, 절대적이고 어느 곳에서든 정확한 시간축이 존재한다고 생각한 것이다. 그러나 아인슈타인은 세상에 절대적인 시공간은 존재하지 않는다고 주장했다. 서로 다른 운동 좌표계와 서로 다른 중력 환경에서 시간은 각기 다른 속도로 흐른다. 극단적으로 블랙홀의 사건의 지평선에서의 시간은 완전히 정지해 있는 상태로 영원히 흐르지 않는다. 상대성 이론은 양자 이론과 더불어 20세기를 대표하는 물리학 이론이다. 상대성 이론의 등장으로 사람들은 시간에 대한 새로운 인식을 갖게 되었다.

사실 시간이란 인류가 임의로 만들어놓은 개념일 뿐이다. 지구에서의 시간 개념은 주변에서 일어나는 여러 가지 사건들의 인과 관계를 정리하는 데 큰 도움을 주지만, 먼 우주 공간으로 나가면 지구에서의 시간 개념은 아무 의미가 없어진다.

이러한 내용을 살펴보니 모든 것이 그저 ‘느낌’일 뿐, ‘객관적인 실재’가 아니라는 생각이 든다. 고전 물리학자들은 물질은 쪼개질 수 없는 기본 입자인 원자로 구성되어 있고, 질량, 중력, 시간은 객관적으로 존재하는 물질의 속성이라고 생각했다. 고전 물리학자들은 현상이 곧 본질이라고 생각했다. 예를 들면, 회절과 간섭 현상을 보면 곧바로 파동을 떠올리는 것처럼 말이다. 

현대 물리학에 이르러서야 사람들은 가속도, 운동량, 위치 등 매개 변수들이 측정 결과일 뿐이라는 사실을 인식했다. 이러한 이는 물질이 특정 조건에서 보여주는 측정 가능한 결과로, 물질의 완전한 모습을 보여주는 것은 아니다. 물질의 완전한 모습이 어떠한가에 관해서는 오늘날까지도 명확한 결론이 내려지지 않았다. 가장 간단한 전자를 예로 들어보면, 전자에 대한 일반적인 인식은 전량과 자기 스핀의 속성이 있다는 정도다. 그러나 전자 그 자체가 어떤 모양인지 아무도 알지 못한다.