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Nov 11. 2022
우주에 대하여
칼세이건의 코스모스(우주)를 읽고(임병묵)
칼세이건의 코스모스(우주)를 읽고(임병묵)
가. 우주에 대한 기본적 이해
나. 인류의 우주에 대한 지식과 탐사의 역사
다. 지구생명의 기원
라. 시사점
1. 비약적으로 상상하고 수정을 두려워하지 말자
2. 과학의 발전으로 신의 영역을 조금 합리적으로 이해할 수 있게 되었다.
3. 멀리 볼 수 있다면 디테일을 이해할 수 있는 원칙을 찾을 수 있다.
4. 생명, 물체는 동일한 원칙을 공유한다.
5. 외계 생명체 존재 가능성은 확실할 정도로 높다.
6. 인류 또한 자연의 일부이다.
20년간 책장에 두고 몇 십 페이지 넘기지 못했던 이 책을 참 오랜만에 펼쳐 보았다
우리에게 가을 꽃 이름으로 익숙한 코스모스는 우주를 뜻하기도 한다. 고대에 육안으로 관측되는 하늘의 해, 달 그리고 별들은 너무 질서정연 했기에 chaos(혼돈)의 반대 개념인 질서의 의미를 지닌 Cosmos가 우주를 일컫게 되었다고 한다.
이런 어원의 유래에서도 해와 달 그리고 별들을 변하지 않는 질서로 또 신으로 숭상했던 고대인의 고정적 우주관을 가늠해 볼 수 있다.
가. 우주에 대한 기본적 이해
지금으로부터 약 137.72±0.59억 년 전(2012년 관측결과)에 한 점에서의 대폭발로 우주는 시작되었다.
중고등학교 때 배운 것처럼 도플러효과는 우리를 지나쳐가는 자동차의 소음이 다가올 때는 고음으로 멀어질 때는 저음으로 들리는 현상을 말한다. 빛도 동일한 특성이 있기 때문에 우리에게 다가오는 별들은 원래보다 더 푸르게 멀어지는 별들은 더 붉게 보인다.1912년 로웰천문대의 베이토슬라이퍼는 우리로부터 모든 방향에서 은하의 별들은 적색 이동되어 관측되고 또 멀리 있을수록 적색편이는 강화되는 현상을 관측하게된다. 즉 우주전체가 팽창하고 있어 먼 거리에 있을수록 더 빨리 멀어지고 있는 것이다.
지금까지 관측된 데이터를 한 식으로 집약하면 v=HD (v는 멀어지는 속도, D는 천체까지의 거리, H는 허블상수) 같은 수식이 성립하고 이로부터 어렵지 않게 137억년이라는 우주의 나이가 계산된다.
빅뱅 이후 광자와 소립자들이 생성되었으며, 입자가속기라는 실험설비를 이용하면 이러한 소립자를 생성하고 분해할 수 있다
이어 3분~ 20분 사이 수소 생성되었고 주위보다 밀도가 약간 높은 지역들에서 중력에 의하여 수소원자들이 합쳐져서 큰 덩어리가 생성되었고 점점 커지면서 중심에는 중력으로 인해 온도가 상승하여 1,000만도에 이르면서 핵융합반응이 시작되어 수소원자 두개가 결합하여 헬륨이 생성되면서 수소 두원자의 무게와 헬륨의 무게차이가 E=mc²만큼의 에너지로 변환되어 빛을 발하면서 별이 생성된다.
핵융합이 시작되면 헬륨, 탄소, 철 등 더 무거운 원자가 만들어진다. 지구,금성, 같은 행성들은 질량이 작아 그 중심에서의 중력이 핵융합에 필요한 에너지를 만들지 못하기 때문에 스스로 빛을 발하지 못하고 태양의 빛을 반사함으로써 우리에게 관측되는 것이다. 별들의 운명은 그 질량에 의해 결정된다.
태양정도의 질량의 별은 100억년 동안 별 중심의 수소가 헬륨으로 융합되어 없어지면 중력 때문에 다시 압축되면서 헬륨이 탄소/산소로 융합되면서 중심에서는 헬륨이 외각에서는 수소가 융합되면서 다시 팽창하게되어 지금으로부터 수십억년 후 태양은 지구궤도보다 더 커지게 된다 적색거성이 되는 것이다 또 외부가 떨어져 나가면서 백색왜성으로 더 이상 핵융합이 되지 않아 급속히 수축되면서 엄청난 밀도의 흑색왜성이 된다
태양보다 2배 더 무거운 별은 더욱 빠른 진화단계를 거치면서 백색왜성 단계에서 거대한 폭발을 하면서 은하전체(일반적으로 약1,000억개의 별로 구성됨)보다 더 밝은 빛을 발하고 대부분의 구성물질이 우주로 다시 흩어져 버리고 중성자별이 남게된다.
폭발하고 남은 질량이 태양의 5배가 되면 중심중력은 빛조차 빨아 들이는데 이를 black hole이라고 한다. 태양10배임에도 지름이 30km에 불과한 천체 들이 관측되고 있다.
대 폭발 이후로 우주는 소립자와 원자 별과 행성 은하가 만들어지고 또 소멸되면서 계속 팽창하고 있다는 사실은 현대의 과학적 지식으로 상당히 설득력 있게 설명되고 있다. 하지만 그 폭발이전 또 미래에 우주가 어떻게 진화할 것인가는 아직 명확히 정리되지 못하고 있다.
나. 인류의 우주에 관한 지식과 우주탐사의 역사
기원전 3,000년 고대 이집트에서는 달력이 발명되었고 기원전 585년 탈레스는 일식을 예견하였고 아리스타코스는 기원전 3세기 행성들이 태양 주위를 공전한다고 최초로 주장하고 삼각법을 사용하여 지구에서 태양과 달까지의 거리 그리고 태양과 달의 크기를 계산하였으며 기원전 244년 에라토스테네스는 지구둘레 측정하는 등 소수 엘리트들은 우주의 실체를 객관적으로 이해하려 노력하였으나 천체에 대한 체계적인 관측이 부족했고 있다 하더라도 대중에게 이해되기 어려웠다. 따라서 그 시대의 보편적인 지식수준으로는 흔들림 없는 지구가 움직이기 보다는 매일 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 태양이나 달, 별들이 지구를 중심으로 움직이는 것이 너무나 당연하게 여겨 졌을 것이다 또한 상대적으로 너무나 가까이 있는 행상들만 겨우 관찰할 수 있었던 인류에게는 우주는 영혼불변의 고정적 대상이었다. 이러한 당시 상식을 바탕으로 여러 종교적 신념이 성립되었다.
이후 과학과 관측기술의 진보로 더 이상 지구중심의 우주관이 성립되기 어려웠음에도 이를 죄악시하는 종교적 신념으로 인해 많은 기간 동안 지동설은 부정되어왔다. 고대지식의 집대성장소인 알렉산드리아의 도서관(BC3세기)은 50만권의 장서를 소장했었고 수많은 연구업적을 이룩했었다고 전해진다. 알렉산드리아 대도서관에서 활동한 학자들 중에는 지구둘레길이를 계산한 에라토스테네스, 별의 밝기를 추정한 히파르코스, "기하학에는 왕도가 없다”라는 명언을 남긴 유클리드, 품사를 정의한 디오니시우스, 지능이 심장이 아니라 두뇌에서 비롯된다는 사실을 증명한 Herophilos, 증기기관을 발명하고 로봇에 관한 최초의 책 "오토마타"을 저술한 헤론, 타원/포물선/쌍곡선이 원추곡선임을 밝힌 아폴로니우스가 있었고 프톨레마이오스는 오늘날 점성술의 기초를 정리 했다고 전해진다.
이런 고대 인류지식의 보고는 서기300년 그리스도교 근본주의자들에 의하여 철저히 파괴되어 몇 점을 남기고 사라져 버리고 말았다.
아리스타르고스는 지구도 하나의 행성으로서 여타의 행성처럼 태양 주위를 공전하며 별들이 대단히 멀리 떨어져 있는 천체라고 주장했다. 이런 사실을 재발견하기까지 인류는 오랜 세월을 더 기다려야 했다.
이 도서관의 파괴 약1,000년 후
1543년 폴란드 성직자 코페르니쿠스는 공전하는 지구가 화성을 추월할 때 화성이 반대로 움직이는 것처럼 보이는 역행현상을 설명하기 위해 지동설을 주장하였다
당연히 강직한 교회에 의해 금서가 되었다.
1601년 케플러는 행성이 타원궤도를 따라 움직인다 등 3가지 법칙 발견하였다.
1609년 갈릴레오는 처음으로 망원경을 통해 금성이 달과 같이 위상이 변함을 관측하였다. 갈릴레오 이후 분해능이 높은 망원경으로도 별 다른 것을 관찰할 수 없었다.
1659년 네덜란드의 하위헌스는 5미터 길이의 굴절 망원경을 제작하고 금성이 구름에 뒤덮여 있음을 추측하였고 토성을 싸고있는 여러 겹의 고리와 위성 타이탄을 발견하였다 또 그는 신이 아무 목적 없이 행성을 만들어 놓을 리가 없으므로 외계 행성들에도 반드시 거주민이 있을 것이라고 생각했다.
1666년 뉴톤은 천체같은 큰질량 물체간에 작용하는 가장 큰 힘인 만류인력법칙의 기초를 마련함으로서 천체운행 이해에 큰 진전이 이루어졌다
1905년 아인슈타인의 특수상대성이론이 발표되면서 우주의 시작과 별의 생성소멸, 태양에너지의 원천에 대한 이해의 깊이를 획기적으로 넓히게 되었다.
초기 광학망원경으로부터 얻을 수 있는 정보는 가까운 태양계 행성의 궤도 정도였으나 고성능의 광학, 전파망원경과 로켓의 발전으로 우주에 대한 더욱 상세한 관측이 이루어지게 되었으며 더 나아가 직접적인 우주 탐사도 가능하게 되었다.
행성 빛에는 전파도 포함되어 있는데 1956년 전파망원경으로 분석한 결과 금성의 표면 온도가 500도라는 것 또 표면의 무늬가 일정주기로 반복됨을 통해 자전주기가 243일이라는 것을 알 수 있었다.
아폴로 11호는 1969년 7월 16일에 발사되었으며 선장 닐 암스트롱, 사령선 조종사 마이클 콜린스, 달 착륙선 조종사 버즈 올드린이 탔다. 7월 20일 암스트롱과 올드린은 달에 발을 딛은 최초의 인류가 되었다.
1970년 소련의 베네라 7호는 금성에 착륙 하여 여러장의 사진을 전송해 왔다. 금성의 대기압은 90기압에 육박하며 대기구성성분은 96퍼센트의 이산화탄소와 질소, 수증기, 아르곤, 일산화탄소 등이 섞여있는 농축된 황산 용액이었다
1976년 7월 20일 바이킹의 착륙선이 카메라, 로봇팔, 풍속측정기, 분자감지기, 세균탐지기 등 장비를 싣고 화성에 착륙, 여러 실험을 통해서도 미생물존재 여부에 대한 확실한 답을 얻지는 못했다.
2021년 12월 25일 개발에 13조원, 25년이 소요된 가장 강력한 망원경인 제임스 웹이 우주공간으로 발사되었다. 더 멀리 볼수 있다면 더 먼 과거를 볼 수 있기 때문에 인류는 우주 탄생의 순간을 더욱 가까이 관측할 수 있게 되었다.
다. 지구생명의 기원
생명의 탄생과 진화과정은 비교적 쉽게 이해될 수 있다. 최초의 유기물질은 원시지구조건에서의 간단한 실험으로 재현 될 수 있고 또 이후의 진화과정은 화석이라는 타임캡슐에 고스란히 담겨있기 때문이다.
진화는 반복적인 무작위적 변위와 자연선택의 산물이다. 환경의 변화가 A라는 특성을 B로 직접적으로 변화시키는 것이 아니라 이질적 특성(DNA등)의 무작위적인 조합으로 다양한 특성들이 만들어지고 그 특성 중 가장 환경에 적합한 것이 살아남는 과정의 반복인 것이다
46억년 무거운 원소들이 중력에 이끌려 핵융합 반응을 일으키기에는 질량이 너무 작은 행성 지구가 탄생되었다. 지구는 얼었다 녹기를 반복하면서 내부의 메탄, 암모니아, 수증기, 수소가 외부로 방출됐고, 원시대기와 바다가 생성되었다. 태양광선이 지구를 덥히면서 대기 중에 폭풍이 일고 천둥 번개가 치고 용암이 흘러나오는 와중에 원시대기의 분자들이 생성과 분해를 거듭하면서 바닷물로 녹아 들었다.
40억년 전 바다 속의 분자들은 복잡한 화학 반응을 통해 우연히 자기복제를 해 낼 수 있었으며 자연선택적으로 자기 복제를 더 잘 하는 유기분자가 원시 바다에 확산되기 시작했다.
이러한 과정은 1952년 시카고 대학의 밀러에 의해 재현되었다. 수증기, 수소, 메탄, 암모니아로 가득찬 플라스크에 전기 스파크를 반복적으로 발생시킴으로써 유기화합물을 생성할 수 있었고 2008년 과학자들의 실험에서는 22개의 아미노산을 발견할 수 있었다. 그 중 일부는 효소처럼 유용한 화학 반응을 조정할 줄 알았으며, 뉴클레오티드 끼리 스물대여섯 개씩 결합하여 핵산 가닥을 만들기도 하였으며 실험관 내의 환경을 적절히 조절하면 짤막한 핵산들이 자기 자신을 복제하는 경우도 볼 수 있었다.
10억년 전 햇빛이 쬐는 곳이면 어디서든지 탄산가스와 물을 이용해서 세포에 에너지를 공급하는 최초의 식물인 조류가 생겨났다. 이 조류의 번성은 두 가지 큰 의미가 있다. 첫째는 산소가 대기 구성물질이 된 것이고, 둘째는 오존층을 형성하여 우주로부터 날아오는 자외선의 감소되었다.
그러자 6억년 전 산소를 들이마시고 식물을 잡아먹는 새로운 세포 즉 동물세포가 출현하게 되었고 무성생식으로 번식해왔다.
