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by NEW LIFE 뉴라이프 Jun 23. 2023

우주의 탄생: "우주 창조의 연금술”

Universe Meditation

이번에도 우리의 이해를 뛰어넘어 우주의 신비로움을 만나보는 우주명상을 해보겠습니다.

앞서 허블의 연구를 계기로 ‘우주는 계속 팽창하고 있다’ ‘우주에는 시작이 있고, 유한한 공간이다‘라는 것을 소개했습니다(*1, *2).

그렇다면 그 우주의 시작은 어떤 모습이었을지 과학적/형이상학적으로 생각해보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

우주의 창조과정을 알고 싶을 분들에게 유익한 정보가 되기를 바랍니다.

우선 현대 과학에서는 우주의 역사를 그림 1과 같이 생각하고 있습니다(*3). 왼쪽에 우주의 시작인 빅뱅이 표시되어 있고, 거기서부터 우주는 고온 고압의 상태에서 급격한 팽창(인플레이션)을 일으킵니다. 그리고 시간이 지남에 따라 우주가 냉각되고 우주의 먼지가 모여 다양한 별과 은하를 형성하여 그림의 오른쪽 끝에 약 137억 년 후의 현재 우주가 그려져 있습니다. 이번에는 저명한 물리학자인 조나단 올데이 박사의 저서 "Quarks, Leptons and the Big Bang"(*4)에 따라 우주의 탄생 시기를 상상해봅니다.

우주의 탄생기의 상태를 알기 전에 현재 우리가 살고 있는 세계에서는 물질이 어떤 형태로 존재하고 있는지 살펴봅시다. 우리가 생활할 수 있는 환경(상온: 약 20℃=293K, 기압: 0.3기압)에서는 왼쪽 그림과 같이 모든 물질은 ‘분자’로서 원자끼리 결합하여 존재하고 있습니다. 그리고 ‘원자’는 중성자와 양성자로 이루어진 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 이루어져 있습니다(그림 가운데). 그리고 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자는 최소 단위가 아닌 '소립자(쿼크, *5)'의 조합으로 구성되어 있습니다(그림 왼쪽). 이것이 우리가 생활할 수 있는 환경에서의 물질의 안정된 형태입니다.

우주의 탄생: 0초 ~ 10^-43초 후

먼저 어떤 계기로 (과학적으로는 알 수 없지만) 우주의 탄생=빅뱅이 일어납니다. 우주 탄생 후 약 10^-43초 후의 상태를 설명합니다. 이 10^-43초 후라는 것은 약 1 플랑크 시간(5.391x10^-44초, 6) 후의 우주를 말합니다. 이 수치는 "더 이상 나눌 수 없는 우주에서 가장 작은 시간 단위"로 여겨지고 있으며, "왜 더 이상 시간을 나눌 수 없는가"에 대해서는 지난 글 "시간 공간은 양자화될 수 있을까?" 라는 기사를 참고하시기 바랍니다(*7). 또한 10의 수십승이라는 숫자에 대한 거부감이 있으신 분들은 "수의 명상(*8)"이라는 글에서 워밍업을 해 보시면 좋을 것 같습니다.

다시 본론으로 돌아와서, 이때의 우주는 폭발적으로 탄생한 직후라 그 온도도 10^33K 이상이라는 엄청난 온도였습니다. 태양의 표면 온도가 약 6000도(6×10^3K)이므로 태양의 온도보다 1조배×3조배×100만배 이상 높은 온도입니다. 이런 고온 고압의 상태에서는 물질은 그림과 같은 원자 구조조차 유지할 수 없습니다. 양성자나 중성자도 형태를 유지할 수 없고, 더 미세한 소립자(쿼크)가 흩어진 상태로 존재합니다(그림 참조). 이때 우주에 존재할 수 있었던 것은 단일한 소립자, 전자, 뉴트리노와 그 반물질 등이 주를 이루었고, 이들이 충돌하여 에너지가 되거나 에너지로부터 생성된 상태였습니다.

그러나 "모든 소립자와 모든 반물질이 완전히 같은 수"였다면 모두 대소멸하여 ±0이 되겠지만, "반물질 10억 개에 대해 물질이 10억+1개로 약간 더 많았기" 때문에 "때문에 현재의 물질적 우주가 만들어졌다고 생각되고 있습니다.

우주의 초기 상태(10^-35초 후)

다음으로 빅뱅으로부터 10^-35초 후가 되면 우주의 온도가 조금 낮아져 소립자끼리 결합할 수 있는 온도에 가까워집니다. 하지만 아직 우주의 밀도가 높고 소립자 사이의 거리가 너무 가까워 결합했다가 금방 분해되는 상태가 계속됩니다. 그림과 같이 소립자끼리 일시적으로 결합하여 양성자/반양성자/중성자/반중성자 등의 물질을 형성하지만, 이것들도 곧 충돌하여 광자의 에너지를 방출하고 소멸합니다. 반대로 광자의 에너지에서 양성자나 반양성자 같은 물질이 생성되는 반응도 일어납니다.

그림에서 보는 바와 같이 양성자+반양성자←→광자→양자 3백 개씩의 반응으로 평형이 유지되고 있지만, 여기에서도 계산상으로는 광자 10억 개에 비해 양성자 3백 개가 과도하게 생성되어 현재의 물질 우주가 형성된 것으로 추정하고 있습니다.

우주의 초기 상태(10^-5초 후 ~ 1.09초 후)

빅뱅 이후 10^-5초 후~1.09초 후까지의 설명으로 넘어갑니다. 이 시기가 되면 물질과 반물질의 반응은 거의 끝나고, 앞서 설명한 것처럼 '약간 초과된 물질'이 남아 물질적 우주의 주체가 됩니다. 따라서 반양성자/반중성자/반(양)전자/반중성미자/반뉴트리노와 같은 반물질은 더 이상 남아있지 않습니다. 그리고 이때 우주의 온도는 약 100억도(K)로 소립자끼리 안정적으로 결합하여 양성자나 중성자로 존재할 수 있습니다. 지금까지 다른 물질과 격렬하게 상호작용을 반복하던 뉴트리노도 온도가 낮아지면서 현재와 같은 '거의 다른 물질과 상호작용을 하지 않는' 성질로 바뀌게 됩니다.

우주의 초기 상태(3.2분 후 ~ 30만 년 후)

빅뱅 후 약 3.2분 후, 우주의 온도가 다시 약간 낮아지면서 흩어져 있던 양성자와 중성자가 결합하기 시작합니다. 그림과 같이 양성자(p)와 중성자(n)가 반응하여 중수소(2H), 삼중수소(3H), 헬륨 원자핵(3He/4He)과 같은 원자핵이 합성되기 시작합니다. 이때 존재했던 양성자와 중성자의 비율이 87:13, 이를 재료로 안정한 수소핵(p)과 안정한 헬륨핵(2p2n)을 합성하면 수소핵: 헬륨핵의 비율이 74:26이 되어 현재 우주에 존재하는 비율과 거의 비슷해집니다. 다만 이 당시 우주의 온도는 수억도~수만도의 고온으로 아직 원자핵과 전자가 결합하지 못하고 각각 흩어져 있는 상태="플라즈마 상태"(*9)였고, 이것이 약 30만 년 정도 지속된 것으로 추정됩니다.

우주의 초기 상태(약 30만~38만 년 후: 큰 전환점)

여기까지 우주는 1만도가 넘는 초고온 상태였고, 우주는 왼쪽 그림과 같이 원자핵/전자/광자 등이 따로따로 존재하는 플라즈마 상태였습니다. 이 상태에서는 광자는 자유전자와 상호작용을 일으켜 똑바로 날아갈 수 없습니다. 빛은 입자 속에서 난반사를 일으켜 멀리까지 도달할 수 없는 상태이며, 형광등이나 태양의 내부와 같은 상태로 '빛의 난반사로 인해 아무것도 보이지 않는 상태'였을 것으로 생각됩니다. 즉, '우주 전체가 태양과 같고 빛밖에 없는 상태'였습니다.

하지만 이 시기에 우주에 큰 전환점이 찾아옵니다. 우주의 온도가 낮아져 약 3000K가 되었을 때, 이미 태양의 표면 온도인 약 6000K보다 충분히 낮은 상태가 되어 플라즈마 상태에서 '원자핵과 전자가 결합된 상태'로 상전이 됩니다. 그림에서 오른쪽과 같이 그동안 흩어져 있던 자유전자가 원자핵에 포획되어 광자와의 상호작용이 어려워져 빛이 더 멀리 도달할 수 있게 됩니다. 만약 그때 우주를 볼 수 있었다면 '빛의 난반사로 아무것도 보이지 않는 상태'에서 '원자가 안정된 상태가 되어 우주가 훤히 보이는 상태'로 극적으로 변화했다고 볼 수 있습니다. 이때 처음으로 '빛과 어둠이 분리된 상태'가 되었다고 할 수 있습니다. 이 때의 상황을 우주과학 용어로는 "우주의 맑아짐(clear up of the Universe)*10"이라고 부릅니다.

그리고 여기서부터 원자끼리 모여 우주의 먼지로부터 별이 탄생하고, 항성이 탄생하고, 은하가 형성되어 137억 년이 지난 지금의 우주가 형성된 것으로 생각됩니다(그림 참조).

'태초의 빛'의 흔적

우주 탄생 후, 한동안 우주는 빛으로 가득 차 있었고, 그림자를 만들 수 있는 고체 물질이 존재하지 않는 상태였습니다. 빅뱅 이후 30~38만 년 후에 앞서 언급한 것처럼 '우주의 해빙'이 일어났는데, 이때 처음으로 빛과 어둠이라는 개념이 생겨났다고 할 수 있습니다. 이때 전 우주에 퍼져있던 광자가 한꺼번에 방출되어 사방으로 퍼져나가게 됩니다. 그리고 이 '태초의 빛'은 놀랍게도 약 137억 년이 지난 현대에도 관찰할 수 있습니다. 우주의 팽창과 함께 빛의 파장이 길어져 당시 3000K의 온도가 아닌 현재는 절대온도 3K라는 매우 낮은 온도에서 전 방향에서 관측되는 '우주배경복사(Cosmic Microwave Background)*11, *12(그림 8)'의 형태로 관측되고 있습니다. )*11, *12(그림 8)"라는 형태로 포착되어 현재도 연구가 진행되고 있습니다.

구약성서에 나타난 우주의 시작 저는 종교인은 아니지만, 유대교의 성서인 구약성서 '창세기(*13, *14)'의 첫머리에 세계 창조에 대한 묘사가 있어 이를 아래에 인용해 봅니다.

1 태초에 하나님이 천지를 창조하시니라. In the beginning God created the heavens and the earth.

2 땅이 혼돈하고 공허하며 흑암이 깊음 위에 있고 하나님의 영은 수면 위에 운행하시니라

Now the earth was formless and void, and darkness was over the surface of the deep. And the Spirit of God was hovering over the surface of the waters. The First Day 3 하나님이 이르시되 빛이 있으라 하시니 빛이 있었고

And God said, “Let there be light,” and there was light. 4 빛이 하나님이 보시기에 좋았더라 하나님이 빛과 어둠을 나누사

And God saw that the light was good, and He separated the light from the darkness. 5 하나님이 빛을 낮이라 부르시고 어둠을 밤이라 부르시니라 God called the light “day,” and the darkness He called “night.”

저녁이 되고 아침이 되니 이는 첫째 날이니라 And there was evening, and there was morning-the first day." 여기까지 인용. 창세기 1장 초반부 (*13, *14)

이 성경의 시작 부분에 따르면 창세기 1장 13절에 쓰여 있는 것처럼 "빛이 있으라(FIAT LUX)"라고 하나님이 말씀하시며 빛이 창조되었다, 라고 되어 있습니다. 그리고 그 뒤에 '빛과 어둠을 나누셨다'는 구절이 나오는데, 그 순서가 뒤따릅니다. 이렇게 보면 처음부터 빛이 있었던 것도 아니고, 어둠이 있었던 것도 아니고, 둘 다 동시에 존재했던 것도 아니다. 아무것도 없는 곳에서 '먼저 빛이 창조되고', '빛과 어둠이 나뉘었다'는 순서로 빛과 어둠의 세계가 만들어졌습니다.

이 기원전부터 전해지는 구약성경이 만들어진 시대는 과학이 전혀 발달하지 않아 '땅은 평평하다', '태양이 지구를 돌고 있다', '우주는 영원불변하다'고 믿던 시절입니다. 지금은 아무도 의심하지 않지만 '빅뱅이론', '우주 탄생설'은 사실 아주 최근의 과학에 의해 입증된 이론입니다(*15, *2). 과학의 역사를 돌이켜보면 창세기의 첫 번째 창세기 첫 번째 문장인 '천지창조'는 단 한 줄이지만, 지금까지 인류가 연구를 거듭해 도달한 최신 이론과 잘 맞아떨어진다는 점에서 감탄이 절로 나옵니다. 빛을 창조하기 전에도 설명이 있지만, '하늘과 땅'은 단순한 '하늘과 땅'이 아닐 수도 있습니다. 다만 이곳은 과학적 검증이 불가능한 영역, 형이상학적인 영역일 수 있으므로 여기서는 언급하지 않겠습니다.

우주 창조의 화학적 연성(연금술) 경위

'빅뱅'이 일어나기 위한 어떤 전 단계(과학적으로 미해명)

→ 막대한 에너지의 폭발(빅뱅)과 함께 현 우주의 시공간 그 자체를 생성

→ 초고온 하에서 물질과 반물질의 대량 생성과 소멸

→ 약간의 비대칭성에서 물질만 생성

→ 우주 냉각과 함께 수소-헬륨 원자핵 등을 합성

→ 더욱 냉각되어 원자핵과 전자가 결합

→ '원자의 생성'과 동시에 '빛의 방출/어둠의 생성'이 이루어짐.

이 우주가 창조되는 초기 과정을 "아주 단순하게/ 아주 알기 쉽게/ 창조주에게 무례할 정도로 단순하게" 설명하면 위와 같이 될 것 같습니다. 다른 과학자들도 마찬가지겠지만, 자연과학을 이해하면 할수록 만물의 존재방식, 그 정교함과 심오함에 감탄하게 됩니다. 인류의 지능으로는 수천 년이 걸려서야 겨우 그 일부를 이해할 수 있을 정도입니다. 만약 이 우주의 이치를 창조한 창조주가 있다면 인류의 지능으로는 도저히 발붙일 수 없는 '모든 것을 알고 모든 것을 할 수 있는' 존재(그림: 미켈란젤로)’에 경외감을 느끼지 않을 수 없습니다.

학교에서 배운대로 암기를 하는 것과 스스로 지식과 경험을 통합해 사물의 본질을 이해하는 것은 뇌의 활성화 되는 부위나 ‘감동/깨달음/아하 체험(*16)에 차이가 있을 수 밖에 없습니다.

“모르는 것을 이해하려고 노력하는 것”,

“의문을 계속 탐구하는 것”,

“자발적으로 흥미가 생겨서 생각하게 되는 것”

이것들도 능동적 명상법의 하나입니다.

우주명상을 통해 여러분의 뇌/의식/환경까지 변화가 일어나는 삶을 기대해봅니다.

저자: Takuma Nomiya I 번역: Sim Min Aa

Profile

Takuma Nomiya 의사・의학박사

임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.

인용문

출처: NewLife Magazine_명상, 뇌, 행복 호르몬… 의학 시선의 진짜 이야기

宇宙の始まり：“宇宙創造のアルケミー”｜NEW LIFE

今回も、我々の理解を遥かに超える宇宙の神秘に想いを巡らせる「宇宙瞑想」をやっていきましょう。以前、ハッブル氏の研究をきっかけに「宇宙は膨張し続けている」、「宇宙には始まり

note.com

*1. Hubble E. A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae among Extra-Galactic Nebulae, Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 3, pp. 168-173, 1929. https://doi.org/10.1073/pnas.15.3.168

*2. 우주 명상: "우주는 영원한가?" 에 대해 생각하다

https://note.com/newlifemagazine/n/n4985749ff8b6 (japan ver.)

https://brunch.co.kr/@newlifekorea/1 (korea ver.)

*3. 빅뱅과 우주의 팽창

https://www.jpl.nasa.gov/infographics/the-big-bang-and-expansion-of-the-universe

*4. Jonathan Allday, "Quarks, Leptons and the Big Bang" Second Ed. Bristol and Philadelphia, 2002

*5. 소립자-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/素粒子

*6. 플랑크톤 시간-Wikpiedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/プランク時間

*7. "시간과 공간은 양자화될 수 있는가?" https://note.com/newlifemagazine/n/ndab571fd44c3

*8. '수'에 대한 명상 https://note.com/newlifemagazine/n/n0671628d60c7

*9. 플라즈마-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/プラズマ

*10. 우주의 해돋이 - 위키백과. https://ja.wikipedia.org/wiki/宇宙の晴れ上がり

*11. 플랑크와 우주 마이크로파 배경 - 유럽우주국(European Space Agency). https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck/ Planck_and_the_cosmic_microwave_background

*12. 우주 마이크로파 배경복사-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/宇宙マイクロ波背景放射

*13. 창세기 장 https://www.wordproject.org/bibles/jp/01/1.htm

*14. Bible-Genesis 1 https://biblehub.com/genesis/1.htm

*15. 빅뱅-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/ビッグバン　

*16. 아하 체험-위키백과. https://ja.wikipedia.org/wiki/アハ体験