프롤로그

시골이나 해변에 누워서 밤하늘의 수많은 반짝이는 별들을 보고 있자면 이 세상은 도대체 어떻게 만들어졌을까? 우리는 무엇이고 어디서 와서 어디로 가는 것일까? 이런 생각을 하게 된다.

그런데 놀랍게도 20세기에 들어서면서 물리학에 의해서, 오랫동안 사람들이 궁금해 했지만 도저히 알아내지 못할 것이라고 생각했던 것들인, 우주는 어떻게 만들어졌는지, 앞으로 어떻게 될 것인지 (그런 학문을 우주론이라고 한다), 사물의 구성요소인 원자와 분자의 내부에서는 (원자와 분자 내부세계를 미시세계라고 한다) 어떤 일이 벌어지는지 이런 것들을 모두 알게 되었다.

그리고 오늘날 우리가 누리고 있는 첨단 과학기술이 뛰어난 발명가들이 신통방통한 기계를 많이 발명해서 가능하게 된 것이 아니다. 인간이 미시세계의 자연법칙을 깨닫게 됨으로써 마침내 가능하게 되었다.

어쩌면 뉴턴이과 아인슈타인 같은 천재가 출현해서 미시세계의 자연법칙과 우주론을 알아내게 된 것이라고 쉽게 생각할지 모르지만 그렇지 않다. 게다가 학자들이 우주에 대해서 열심히 연구하다 우주론을 알아내었고, 미시세계에 대해 열심히 연구하다 미시세계의 자연법칙을 알아낸 것도 아니다. 미시세계나 우주는 애초에 직접 관찰할 수가 없어서 연구할 대상에 대한 자료를 직접 얻는 것도 불가능하다. 그런데 처음 들으면 이상하게 생각할지 모르지만, 물리학이 발달하는 과정에서 저절로 미시세계에 대한 자연법칙과 우주론을 깨닫도록 인도되었다. 그게 도대체 무슨 의미인가?

자연과학에 속한 각 과목은 자연현상 중에서 그 과목이 다루는 대상이 한정되어 있다. 생명과학은 생물이 대상이고 지구과학은 지구가 대상이며 화학은 물질이 대상이다. 그런데 물리학은 자연 전체가 대상이다. 다만 자연 전체를 미주알 고주알 모두 다 다루는 것은 아니고, 어떤 자연현상이든지 그 자연현상이 만족하는 법칙이 왜 성립하는지를 증명해주는 법칙을 다룬다. 그런 법칙을 기본법칙이라 한다.

물리학은 자연현상의 기본법칙을 다루는 과목이기 때문에 대학의 이공계 학생들은 1학년일 때 물리학을 기초전공 과목의 하나인 필수과목으로 배운다. 각자 자기 전공을 기본부터 이해하기 위해서는 물리학이 꼭 필요하기 때문이다. 그런데 이렇게 이공계 학생들이 기초전공 과목으로 배우는 물리는 어렵게 생각하는 학생들이 많다. 특히 인문사회계 학생들은 이런 물리를 고등학교 시절부터 이미 지긋지긋해 하는 학생들이 참 많다.

그런데 물리학은 자연현상의 기본법칙을 다루는 과목이기 때문에, 물리학이 발달한 과정 자체가 인간이 자연의 이치를 깨우쳐간 과정과 일치한다. 그리고 물리학이 어떻게 해서 불가능한 것처럼 보였던 미시세계의 자연법칙과 우주론에 도달하게 되었는지에 대한 이야기는 마치 한편의 흥미 진진한 드라마와 같다.

물리학의 발달에 관한 이 드라마는 단지 흥미 진진할 뿐만 아니라 인간이 오랫동안 풀지 못하고 궁금해 했던 근본적인 문제에 대한 해답을 찾을 수 있게 한 비법이 무엇인지도 알려준다.

우리는 앞으로 3부에 걸쳐서, 고등학교나 이공계 대학생들이 배우는 물리에 관한 내용이 아니라, 인간이 어떻게 오늘날 우주론인 대폭발 이론과 미시세계의 자연법칙인 양자역학까지 도달하게 되었는지에 대한 내용을 다루고자 한다. 이런 내용들은 물리를 좋아하지 않는 인문 사회계 학생도 반드시 알아 두어야 할 기본 교양이다. 그뿐 아니라, 이런 내용들을 잘 알고 있으면 어딘지 모르게 현대 교양인이 풍기는 교양스러운 면모가 저절로 드러날 뿐 아니라, 과학기술 문명의 토대 위에 세워진 현대 사회를 지혜롭게 살아가는데 꼭 필요한 자양분을 섭취한 셈이 된다.

구성

오늘날 사람들은 우리가 자연현상이 어떤 원리에 의해 일어나는지 대부분 알고 있다고 생각한다. 사람들이 각자 자기가 직접 알고 있다고 생각한다는 것이 아니라 관련된 학자들이 다 잘 알고 있을 것이라고 믿고 있다는 의미이다.

그런데 사실은 어느 시대에서나 사람들은 당시에 자기들이 (물론 관련 학자들이) 자연현상이 일어나는 이치를 잘 알고 있으리라고 굳게 믿었다. 그러다가 자기들이 믿은 진리가 성립하지 않는 분명한 현상이 발견되면 왜 그런지 밝혀내는 과정에서 자연에 대한 이해가 크게 도약하곤 하였다.

그리고 물리학을 한 단계 더 도약시키는 현상이 발견되기 위해서는 먼저 그 시대에 자연의 진리라고 믿었던 이론체계가 잘 수립될 필요가 있었다. 그래야 복잡한 자연현상 중에서 기존의 이론으로 설명되지 않는 부분이 두드러지게 나타나게 된다. 그렇지 않으면 아직 설명할 수 없는 자연현상이 무엇인지 알아 낼 수도 없다.

이렇게 자연의 진리에 대한 인간의 이해가 한 단계씩 도약한 시기가 그동안 몇 차례 있었다. 그것이 BC 3세기, 17세기, 그리고 20세기이다. 그리고 이제 21세기에 한번 더 그러한 기회가 오려고 하고 있다. 그리고 놀라운 일은 그렇게 설명되지 않은 부분이 해결되면, 단지 처음 문제되었던 부분만 해결되는 것이 아니라 다른 미쳐 생각하지도 못했던 것까지 몽땅 한꺼번에 해결되곤 한다는 것이다. 그렇게 해서 오늘날 우리는 미시세계에 대한 자연법칙과 우주론에까지 도달하게 되었다.

3부로 구성된 이 글의 제1부는 17세기 뉴턴 역학이 대두될 때까지를 다룬다. 뉴턴이 있어서 17세기에 뉴턴 역학이 나왔다기보다는 17세기에 뉴턴이 있었기에 뉴턴이 역학을 창시한 사람이 되었다. 뉴턴이 14세기에 태어났던지 또는 18세기에 태어났더라면 역학을 창시한 사람이 뉴턴이지는 않았을 것이다. 제1부에서는 아주 옛날 신들이 인간사를 포함한 모든 자연현상을 좌지우지한다고 믿었던 때부터 시작해서 17세기에 이르러 어떻게 뉴턴이 운동법칙과 만유인력 법칙에 대해 설명한 프린키피아를 저술하게 되었는지에 대한 이야기까지 소개된다.

17세기에 뉴턴 역학이 나오고 18세기부터 발전하기 시작한 전자기학이 19세기에 맥스웰에 의해 집대성되면서 사람들은 이제 역학과 전자기학에 의해 모든 자연현상이 어떻게 일어나는지 설명할 수 있다고 믿게 되었다. 그래서 19세기 말에는 인간이 이제 자연에 대해 모르는 것은 하나도 없다고 단언할 정도가 되었다.

그런데 20세기에 들어서면서 자연현상을 완벽하게 설명한다고 믿었던 당시 물리학으로 설명할 수 없는 현상이 하나 둘 나타나기 시작하였다. 그런 현상이 해결되는 과정에서 미시세계에 대한 자연법칙인 양자역학과 공간과 시간을 제대로 이해하게 만든 특수 상대성이론이 나온다. 당시에 알고 있던 역학과 전자기학을 고전물리학이라고 부르며 20세기에 들어와 새로 알게 된 양자역학과 상대성이론을 현대물리학이라고 부른다.제2부에서는 20세기 초 2-30년 동안에 어떻게 양자역학까지 도달하게 되었는지에 대한 이야기가 소개된다.

20세기에 들어와 대두된 다른 하나의 문제가 바로 광속불변이었다. 당시 물리학으로 광속불변은 도저히 이해될 수 없는 현상이었다. 아인슈타인은 이 문제를 해결하면서 특수 상대성이론에 도달하였는데, 특수 상대성이론은 공간과 시간에 대해 제대로 이해하게 해주었다. 특수 상대성이론은 서로 상대적으로 등속도 운동하는 두 기준계에서 동일한 대상을 기술할 때 얻는 두 결과 사이의 관계에 대한 것인데, 특수 상대성이론으로 큰 성공을 거둔 아인슈타인은 두 기준계 사이에 서로 등속도 운동을 한다는 제한을 없앤 일반 상대성이론에 도전하게 된다. 그리고 이 일반 상대성이론은 놀랍게도 인간에게 우주가 무엇인지에 대한 우주론을 선사해 주었다. 제3부에서는 광속 불변에서 시작하여 우주론인 대폭발이론데 도달하기까지의 이야기가 소개된다.

제1부 인간은 어떻게 자연의 이치를 깨닫게 되었을까?

3천년 전에는 나라마다 자연현상과 인간사(人間事)를 포함한 세상사(世上事)가 어떤 원리로 일어나는지 설명하는 방법이 모두 달랐다. 중국에서는 음양 오행설이 세상사가 일어나는 원리라고 믿었다. 음양 오행설은BC 5세기 중국 춘추 전국시대 제나라 추연이 고대로부터 이어져 내려온 것을 정리했다고 알려진다. 동양의 음양 오행설은 2천년 동안 꾸준히 발달하고 복잡해져서 불과 100년 전까지만 해도 우리나라에서도 왠만한 일은 모두 음양 오행설에 의해 다루어졌다. 다만, 음양 오행설은 아무리 발달하고 아무리 정교해져도 미시세계에 대한 자연법칙이나 우주론에 도달할 가능성은 전혀 없다.

한편 고대 그리스에서는 세상사를 신들이 마음대로 좌지우지 한다고 믿었다. 신들은 올림프스 산에서 살았는데, 신마다 주관하는 분야가 따로 있었다. 당시 사람들은 신들이 자연현상을 마음대로 바꿀 수 있다고 굳게 믿었다.

그런데 BC 3세기에 이르러 고대 그리스에 학자들이 많이 나오면서 자연현상을 면밀히 관찰하고 그 중에는 신과는 무관하게 규칙적으로 벌어지는 현상도 있음을 발견하고 그런 현상을 지배하는 법칙을 찾아내었는데,이들은 천상과 지상의 법칙이 다름을 발견하였다.

천상의 물체는 원운동을 끝없이 계속하는데 천상은 신들이 사는 세계라 아주 그럴듯하였다. 그래서 천상에 속한 물체는 모두 시작과 끝이 없는 완벽한 원을 그리며 운동한다고 믿었다. 반면, 인간이 사는 지상에 속한 물체는 움직이고 있더라도 결국 정지할 것이라고 믿었다. 첫 번째가 프톨레마이오스가 정리한 천상 법칙이고 두 번째가 아리스토텔레스가 제안한 지상 법칙이다.

서양에서 오늘날 물리학에 도달하는데 기독교가 중요한 역할을 하였다. 로마제국이 세워지던 시기에 예수가 팔레스타인 지방에서 출생하여 기독교를 전파하였는데, 처음에는 기독교를 박해하던 로마가 기독교를 인정했을 뿐 아니라 392년에 이르러 유럽의 거의 전부에 해당하는 로마제국 전역에서 기독교를 국교로 믿도록 칙령을 발표하였다. 그뿐 아니라 로마 시대에는 그리스의 천상법칙과 지상법칙이 마치 기독교의 교리처럼 대접받게 되었다.

기독교는 우주를 창조한 유일신을 믿는 종교이므로, 로마시대에는 더 이상 자연법칙을 찾기 위해 자연을 관찰하는 노력이 계속되지 않았다. 오히려 궁금한 자연법칙은 하느님에게 직접 물어보는 교부철학이 발달하였다. 그리고 하느님이 창조한 우주의 자연현상에 대한 법칙은 간단하고 논리적일 것이라는 믿음이 생겼다.

이처럼 서양사람들은 2천년 동안 하늘의 별들은 완전한 원을 그리며 운동한다고 굳게 믿었다. 그리고 16세기에 이르러 폴란드의 코페르니쿠스는 밤 하늘의 무수한 별들 중에서 멋대로 움직이는 것처럼 보이는 단지 다섯 개의 행성도 역시 완전한 원운동을 해야만 한다고 굳게 믿었기 때문에, 그 행성들이 지구와 함께 태양 주위를 회전해야 한다는 지동설을 제안하였다. 비록 일반 사람들은 코페르니쿠스의 지동설이 너무 터무니없다고 믿지 못하였지만, 당시 지식 계급은 그럴듯한 제안이라고 생각했다.

코페르니쿠스의 지동설이 못마땅했던 덴마크의 브라헤는 지동설을 반박할 자료로 이용하기 위해 20년에 걸쳐서 행성의 운동을 관찰하여 그 결과를 기록으로 남겼다. 브라헤의 자료를 독일의 천재 수학자 케플러가 분석하였는데, 행성은 태양 주위를 타원궤도를 그리며 회전하고 (1법칙), 태양에서 멀수록 더 천천히 회전하며(2법칙) 행성 궤도의 장반경의 세제곱과 주기의 제곱 사이의 비는 모든 행성들에 대해 다 같다는 (3법칙) 세 법칙을 찾아내었다.

케플러 법칙과 같이 왜 성립하는지는 모르지만 자연에 존재하는 규칙성에 대한 법칙을 경험 법칙이라 한다.코페르니쿠스의 지동설을 믿지 못했던 사람들이 지구가 행성들과 함께 태양 주위를 타원궤도를 그리며 회전한다는 케플러 법칙은 모두 믿었다. 확실한 자료에 근거했기 때문이다. 그러나 이것은 문제를 해결했기 보다는 더 큰 의문만 안겨주었다. 왜 행성들은 원궤도가 아니라 타원궤도를 그리며 회전하는가? 당시 학자들은 큰 상금을 내 걸고 이 문제를 해결할 사람을 찾았다.

뉴턴이 이 문제를 해결하기 위해 두 가지 제안을 하였다. 하나는 만유인력 법칙이고 다른 하나는 운동 법칙이다. 뉴턴은 이 두 가지를 설명한 저서인 프린키피아를 1687년에 출판하였다. 당시에는 두 물체 사이에 힘은 두 물체가 서로 접촉해야지만 작용한다고 생각했다. 빨리 움직이는 물체는 큰 힘을 함께 나른다고도 생각했다. 뉴턴은 접촉하지 않은 물체 사이에도 힘이 작용하며 그런 힘의 원인이 되는 물체의 성질을 질량이라고 불렀다. 아리스토텔레스의 지상 법칙은 힘은 물체의 위치가 변하는 원인이라고 말한다. 물체에 힘이 작용하면 정지한 물체도 움직이고, 힘이 작용하지 않으면 움직이던 물체도 정지한다는 의미이다. 그런데 뉴턴의 운동 법칙은 힘은 물체의 속도가 변하는 원인이라고 말하고  라고 쓴다. 좌변의 힘의 자리에 만유인력 법칙으로 구한 태양이 행성에 작용하는 힘을 대입하고 이 식을 풀면 케플러의 세 법칙이 나온다.

뉴턴의 운동 법칙은 그동안 믿었던 천상 법칙과 지상 법칙을 대체하는 새로운 자연 법칙임이 밝혀졌다. 이 법칙은 행성의 운동 뿐 아니라 관찰되는 모든 자연현상에 적용한 계산으로 얻은 결과가 실험으로 얻은 결과와 일치한다는 확인되었다. 그뿐 아니라 천상과 지상이 모두 똑같은 하나의 법칙으로 설명된다는 것도 너무 멋있었다.

뉴턴의 운동 법칙  는 자연현상에 대한 모든 법칙이 왜 성립하는지를 증명하는 기본 법칙이다. 뉴턴의 운동 법칙이 사실은  이라고 표현되는 미분 방정식이다. 미분 방정식이란 미분을 포함한 방정식을 말하는데, 미분 방정식의 풀이는 미분의 분자에 나온 종속변수(여기서는 물체의 위치인 )가 미분의 분모에 나온 독립변수(여기서는 시간인  )의 함수로 구해진다. 즉 뉴턴의 운동 법칙의 풀이는 로, 어떤 시간  를 대입하든지 그 시간  에서 물체의 위치 가 풀이로 미리 구해지는 것이다.

자연현상이란 물체들이 모여서 서로 상호작용하면서 (상호작용한다는 것은 서로 힘을 작용한다는 의미이다) 움직이는 현상이다. 그러므로, 실제로 풀이를 구할 수 있는지는 별개 문제로 하더라도, 원칙적으로는 자연현상을 구성하는 모든 물체 하나하나에 뉴턴의 운동법칙을 적용하여 그 물체 하나하나에 대한 풀이  를 모두 구하면 시간이 흐르면서 자연현상이 어떻게 바뀔지 미리 알 수 있다.

뉴턴이 1687년에 프린키피아를 발표한 뒤에 핼리는 뉴턴의 운동법칙을 가끔 밤하늘에 꼬리를 달고 갑자기 나타나 사람들을 두려움에 떨게 만들었던 혜성에 적용해서 다음에 혜성이 나타날 시간과 위치를 정확히 예언했다. 이로써 혜성이 더 이상 두려움의 대상이 되지 않았을 뿐 아니라 뉴턴이 제안한 운동 법칙이 자연의 올바른 기본 법칙이라는 명백한 증거를 극적으로 제시한 셈이 되었다.

17세기에 뉴턴 역학이 발표되었고 18세기부터 알려지기 시작한 전자기학은 19세기에 맥스웰에 의해 집대성 되었다. 전자기학은 뉴턴의 만유인력에 이어서 두 번째로 발견된 기본힘인 전기력 자체에 대한 분야이다. 19세기 말에 이르러 어떤 자연현상이라도 두 기본힘인 만유인력과 전기력을 이용하여 뉴턴의 운동법칙  의 좌변에 들어올 힘을 찾기만 하면 그 현상이 어떻게 진행될지를 성공적으로 설명할 수 있다고 확신하기에 이르렀다.

예를 들어, 18세기에 영국의 보일과 프랑스의 샤를은 수많은 실험을 통하여 기체의 부피 , 온도 , 그리고 압력  사이에는  이라는 보일-샤를 법칙이 성립한다는 것을 발견했지만 이 경험 법칙이 왜 성립하는지, 그리고 우변의 일정한 수는 어떻게 결정되는지 알 수가 없었다. 그런데 오스트리아의 볼츠만과 영국의 맥스웰은 19세기 말에 기체를 수많은 기체 분자의 모임이라고 생각하고 기체 분자에 뉴턴의 운동법칙을 적용한 뒤 통계적으로 처리하여  라는 유명한 이상기체의 상태 방정식에 도달하였다. 이렇게 뉴턴의 운동 법칙으로 보일-샤를 법칙을 유도할 수 있을 뿐 아니라 보일-샤를 법칙의 일정한 값이 부피 에 포함된 전체 분자들의 수 에 비례한다는 것도 알게 되었다.

이렇게 해서 19세기 말에 이르러 인간은 자연의 비밀을 모두 알게 되었다고 자신하게 되었다. 비록 완전히 해결되지 않은 자연현상이 일부 남아 있더라도 그것은 앞으로 자연의 기본법칙인 뉴턴의 운동법칙을 적용하여 잘 계산만 하면 모두 해결될 것으로 믿었다.

돌이켜보면 BC 3세기에 고대 그리스에서는 모든 자연현상은 신들이 좌지우지한다고 철저하게 믿게 된 다음에 신과는 관계없이 규칙적으로 일어나는 현상이 눈에 띄게 되었다. 그래서 지상법칙과 천상법칙을 찾아내게 되었다. 그리고 17세기에는 사람들이 천상 물체는 반드시 완벽한 원운동을 해야 한다고 철저하게 믿게 된 다음에 원운동을 하지 않는 것처럼 보이는 행성의 운동을 해결해야겠다고 마음먹은 코페르니쿠스가 등장하였고 드디어 자연의 기본법칙인 뉴턴의 물리학에 도달할 수가 있었다.

제2부 인간은 어떻게 미시세계를 이해하게 되었을까?

19세기 말에 유럽에서는 물리학과를 폐쇄하는 대학이 나오기 시작하였다. 물리학은 완성되었다고 생각한 것이다. 그런데 20세기에 이르러 BC 3세기와 17세기에 있었던 것과 비슷한 사건이 하나 둘씩 나타나기 시작하였다. 모든 자연현상을 완벽하게 설명한다고 믿은 당시 물리학으로 해결되지 않는 것처럼 보이는 문제들이 대두된 것이다. 이것들도 역시 뉴턴의 물리학이 없었더라면 그런 문제가 있는지조차도 알 수 없었을 것이었다.

그 문제들이 모두 빛과 연관이 있었다. 하나는 원자에서 나오는 빛의 파장을 설명할 수가 없었고 다른 하나는 광속 불변이라는 현상을 설명할 수가 없었다. 전자(前者)는 미시세계의 자연법칙인 양자역학으로 우리를 인도하였고 후자(後者)는 공간과 시간을 제대로 이해하게 해준 특수 상대성이론으로 우리를 인도하였다. 먼저 전자(前者)에 대해 살펴보자.

원자를 뜻하는 atom은 그리스 말로 나눈다는 tomos 앞에 부정하는 a 가 결합된 말로 더 이상 나눌 수 없다는 의미이다. 고대 그리스 시대에 물질을 계속 둘로 쪼개면 끝없이 (무한히) 쪼갤 수 있는 것이 아니라 언젠가는 더 이상 쪼갤 수 없는 것에 도달하는데, 그것을 원자라고 부른 것이다. 이처럼 더 이상 쪼갤 수 없는 입자를 일반적으로 기본입자라고도 한다. 19세기 중엽까지도 원자 내부에 무엇인가 존재한다고 할찌라도 인간은 그것을 절대로 알 수가 없고 원자 내부는 단지 신만이 아는 영역이라고 믿었다.

그런데 원자를 쪼개보지 않고서도 원자가 기본입자가 아니라는 증거가 나왔다. 그것이 러시아의 멘델레프가1871년에 발표한 원소의 주기율표이다. 멘델레프는 당시까지 알려진 원소를 질량이 커지는 순서로 배열하였더니 똑같은 화학적 성질을 갖는 원소가 반복적으로 나타나는 것을 발견한 것이다. 이렇게 서로 다른 원소가 똑같은 성질을 갖는다는 사실은 원소 내부에 그 원인이 되는 무엇인가가 포함되어야만 한다는 증거가 된다.

그리고 뒤이어 음극선 실험을 통하여 영국의 톰슨이 1897년에 수소 원자보다 1,000배 이상 작다고 판단되는 전자를 발견한 뒤 전자가 원자 내부에 존재할 것이라고 예상하였고, 1911년에 영국의 러더퍼드는 원자가 한 층으로 깔릴 정도로 얇게 핀 금박에 알파선을 보내는 실험으로부터 원자 내부는 텅 비어있고 중심의 아주 좁은 영역에 양전하가 모여 있고 (이것을 원자핵이라 부름) 전자들은 그 주위를 회전할 것이라는 러더퍼드 원자모형을 발표하였다.

그러나 당시 알고 있던 전자기학에 의하면 원운동하는 전하는 외부로 전자기파를 방출해야 하고, 전자기파로 에너지를 잃은 전자는 나선형 궤도를 그리며 원자핵으로 떨어져야 했다. 그래서 원자 속에서 전자가 어떤 모습으로 존재하는지 알기 위해서는 원자 내부에 대한 자료가 더 필요하였다. 그런데 재미있게도 19세기 말에 그런 자료는 이미 나와 있었다.

빛을 프리즘에 통과시키면 빨주노초파남보의 색깔로 펼쳐진다. 이렇게 펼쳐진 빛을 스펙트럼이라고 부르며,스펙트럼을 이용하여 빛의 파장별(또는 진동수별) 세기를 조사하는 학문을 분광학이라고 한다. 19세기에 이미 분광학이 매우 발달되어 있었다.

태양으로부터 온 빛을 프리즘에 통과시키면 수많은 검은 선이 보인다. 이것을 태양의 흡수 선 스펙트럼이라고 한다. 스웨덴의 물리학자 옹스트롬은 1868년에 1,000개에 달하는 태양 흡수 선스펙트럼의 파장을 수록한 책을 출판하였다. 뜨거운 기체에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시키면 연속된 스펙트럼 띠가 나오지 않고 여러 색깔로 된 띠가 나타나는데, 이것을 기체의 방출 선스펙트럼이라 한다. 이 선스펙트럼의 파장은 그 빛을 내는 원소 내부의 정보를 포함하고 있는데, 이 파장들은 모두 다 옹스트롬이 출판한 책에 나오는 태양의 흡수 선스펙트럼 파장에 포함되어 있었다.

스웨덴의 물리학자 리드버그는 1888년 태양의 선스펙트럼 파장  가 하나도 빠짐없이 모두 다 리드버그 공식이라 불리는 간단한 식  에 의해 정해진다는 것을 발견하였다. 여기서과  는  인 정수이고  은 리드버그 상수이다. 그런데 왜 이렇게 간단한 식에 의해 모든 선스펙트럼의 파장을 구할 수 있는지는 당시에는 알 수가 없었다.

한편 뜨거운 물체는 모든 파장의 복사파를 방출하는데, 이 복사파를 프리즘에 통과시켜서 파장별 세기를 그래프로 그리면 파장이 증가하면서 세기가 증가했다 다시 감소하는 그래프를 그린다. 이것을 흑체 복사곡선이라고 한다. 흑체 복사곡선은 뜨거운 물체의 온도가 같으면 물체를 구성하는 물질에는 관계없이 똑같아서 물리학자들은 흑체 복사곡선을 표현하는 간단한 공식을 구하려고 했지만 19세기 말까지 흑체 복사곡선을 하나의 공식으로 표현하는데 성공하지 못하고 있었다.

그런데 독일의 물리학자 플랑크가 1900년에 드디어 그 공식을 유도하는데 성공하였다. 그렇지만 그 공식을 유도하는 과정에서 아주 이상한 가정을 이용해야만 되었다. 즉 진동수가 인 빛의 에너지는 반드시 의 정수배이어야만 되었다. 여기서 는 플랑크 상수라 불리는 값이 정해진 상수이다. 즉 에너지가 연속적인 값을 갖지 못한다는 조건인데, 당시 물리학에 비추어보면 아주 이상한 조건이었다. 라고 쓰는 이 조건이 유명한 플랑크의 양자화 조건이라고 불리는 것이다.

그리고 드디어 덴마크의 물리학자 보어가 1913년에 다음 세 가지 조건이 성립한다고 가정한 수소 원자모형을 제안한다. 그 세 가지 조건이란 (1) 전자는 미리 정해진 에너지 궤도에만 존재하며, (2) 전자가 허용된 한 궤도에서 다른 궤도로 이동할 때만 에너지가 로 정해지는 빛을 방출하거나 흡수하고, (3)허용된 궤도에서 전자의 각운동량은 로 주어지는 값만 허용된다는 것이다. 여기서 은  인 자연수이고 는 플랑크 상수 를 로 나눈 것이다.

보어가 이 세 가지 조건이 성립한다는 가정 아래 전자에 뉴턴의 운동방정식을 적용하여 수소 원자에서 전자가 존재할 수 있는 에너지 궤도의 에너지를 구하고 서로 다른 에너지 궤도를 이동하는 전자가 방출하거나 흡수하는 빛의 파장을 구했더니 리드버그 공식과 똑같은 식으로 표현되었다. 더구나 리드버그는 수많은 파장값들을 리드버그 공식에 맞추도록 구한 리드버그 상수가 보어의 수소 원자 모형에서는 로 전자의 질량 , 전자의 전하 , 진공의 유전율 , 플랑크 상수 , 그리고 진공 중의 광속 에 의해 간단히 표현되었고, 그 값은 리드버그가 구한 것과 동일하였다.

보어의 수소 원자모형이 나온 뒤에도 미시세계에 대한 경험법칙들이 속속 발견되었다. 왜 그런지는 모르지만 미시세계에서 성립하는 규칙성들을 경험법칙이라고 한다. 미시세계에 대한 그런 경험법칙들이 왜 성립하는지는 당시 알고 있던 물리학으로는 도저히 설명될 수가 없었다.

미시세계에 대한 경험법칙으로 가장 유명한 것이 하이젠베르크의 불확정성 원리이다. 불확정성 원리는 원자 내의 전자의 위치와 속도를 동시에 정확히 알 수는 없다고 말한다. 거시세계에서는 뉴턴의 운동법칙을 풀어 를 구하면, 이것을 시간에 대해 한번 미분하면 속도 가 된다. 즉 위치와 속도를 언제나 정확히 알 수가 있다. 그러나 불확정성 원리는 원자 내에서 전자의 위치와 속도를 동시에 정확히 정하는 것은 불가능하다고 말하는 것이다.

또 다른 경험법칙으로 드브로이의 물질파 이론이 있다. 아인슈타인은 플랑크의 양자화 조건을 광전효과를 설명하는데 이용하고 빛이 입자의 성질을 가지고 있음을 증명하였다. 파동이라고 믿었던 빛이 입자이기도 하다는 소식을 들은 드브로이는 입자라고 믿는 전자가 파동일 수도 있지 않겠느냐는 제안을 하였다. 원래는 물리학자가 아니었던 드브로이가 물질파 이론으로 파리 대학에서 박사학위를 받고, 실제로 결정체를 통과한 전자들이 파동의 증거인 간섭무늬를 관찰된 뒤에 드브로이는 물질파 이론을 제안한 공로로 1929년 노벨 물리학상을 수상하였다.

이제 역사가 반복되는 것을 느낀다. 17세기에는 태양계의 행성이 대상이었고, 코페르니쿠스가 행성의 운동을 설명하기 위해 지동설을 제안하고, 이를 확인하기 위해 브라헤가 자료를 수집하고 그 자료로부터 케플러가 왜 성립하는지 알 수 없는 케플러 법칙을 찾아 냈다. 그리고 케플러 법칙이 왜 성립하는지 밝히는 과정에서 거시세계의 자연법칙인 뉴턴 역학이 나왔다.

20세기에는 수소원자의 전자가 대상이다. 톰슨과 러더퍼드는 원자 내부에 존재하는 전자에 대한 모형을 제안하지만 더 많은 자료가 요구된다. 그 자료는 이미 옹스트롬이 책으로 출판한 태양 흡수 선스펙트럼의 파장들이었다. 리드버그와 플랑크와 보어는 이 파장들에 대한 규칙성을 발견하지만 그 규칙성이 (더 구체적으로는 보어가 도입한 세 조건이 성립한다는 가정이) 왜 성립하는지 알 수가 없었다. 이것을 밝히는 과정에서 미시세계의 자연법칙인 양자역학이 오스트리아의 슈뢰딩거와 독일의 하이젠베르크에 의해 제안되었다.

뉴턴은 혼자서 뉴턴 역학을 한 번에 완성하였다. 뉴턴이 뉴턴 역학을 발표하고 3세기가 지나는 동안 뉴턴 역학을 표현하는 수학적 방식에는 발전이 있었지만 핵심 내용은 조금도 더 개선되거나 수정될 것이 없었다. 그러나 양자역학의 경우는 좀 달랐다. 양자역학이 완성될 때까지 기간도 20년이 넘게 걸렸으며 그 동안에 기여한 학자들도 한 두 사람이 아니었다.

그 이유는 미시세계는 직접 볼 수도 없지만 우리 주위 세계와는 전혀 다른 세계이기 때문이다. 예를 들어, 거시세계에서는 입자는 절대로 파동일수가 없고 파동은 절대로 입자일 수가 없다. 그런데 미시세계에서는 모든 존재가 다 입자이며 파동이다. 또 거시세계에서는 뉴턴의 운동법칙으로부터 시간의 함수로 구한 물체의 위치 가 그 물체에 대한 모든 정보를 포함하고 있다. 를 한번 미분하여 그 물체의 속도를 구하고, 속도에 질량을 곱하여 그 물체의 운동량을 구하고, 그로부터 그 물체의 에너지를 구하는 식으로 그 물체와 관련된 모든 물리량을 로부터 구할 수 있다. 그런데 미시세계에서는 대상 입자의 위치를 원천적으로 시간의 함수로 구할 수가 없다. 그것이 유명한 하이젠베르크의 불확정성 원리가 말해주는 내용이다. 즉 미시세계의 대상은 뉴턴의 운동법칙을 적용하여 설명할 수가 없다. 미시세계는 이렇게 거시세계와 개념적으로 완전히 달랐기 때문에 그 세계를 지배하는 기본법칙을 찾는 일이 쉽지 않았다.

그러나 미시세계에 대한 기본법칙도 결국 발견되었다. 독일의 하이젠베르크는 1925년에 괴팅겐 대학에서 수소 원자에서 관찰되는 양들을 행렬 형태로 정리하였더니 성립하는 식을 찾아내었다. 그래서 하이젠베르크는 미시세계에 대한 운동법칙을 행렬 형태로 표현하여서 하이젠베르크의 양자역학을 행렬역학이라고도 부른다.

그런데 1926년에는 오스트리아의 슈뢰딩거가 파동 방정식이라는 미분 방정식에 드브로이의 물질파 이론을 결합하여 수소 원자에서 성립하는 운동법칙인 미분 방정식을 찾아내었다. 이것을 하이젠베르크의 행렬역학에 대응하여 파동역학이라고도 부른다.

미시세계의 기본법칙인 양자역학을 하이젠베르크는 불연속적인 숫자들의 배열인 행렬로 표현하였고 슈뢰딩거는 연속된 함수를 다루는 미분방정식으로 표현한 것이 처음에는 매우 이상해 보였다. 그런데 1926년에 영국의 디랙은 행렬역학과 파동역학이 동일한 내용을 서로 다르게 표현했을 뿐임을 증명하였다. 하이젠베르크는 양자역학을 수립한 공로로 1932년 노벨 물리학상을 수상하였고 슈뢰딩거와 디랙은 똑같은 공로로 1933년 노벨 물리학상을 공동으로 수상하였다. 사실은 1932년 노벨 물리학상이 늦게 발표되어 이들 세 사람에게 노벨 물리학상이 1933년에 한 자리에서 수여되었다.

이처럼 20세기에 이룩된 미시세계의 자연법칙 발견도 전과 똑같은 방법으로 이루어졌다. BC 3세기에 모든 자연현상은 신들이 마음대로 조절할 수 있다고 굳게 믿은 중에 신과는 관계없이 규칙적으로 일어나는 현상에 대한 천상법칙과 지상법칙을 찾아냈다. 17세기에는 천상에 속한 물체는 완전한 원운동을 해야 한다고 굳게 믿기 때문에 두드러지게 보인 행성의 운동을 설명하다가 거시세계의 기본법칙인 뉴턴의 운동법칙을 찾아냈다. 이제 20세기에는 물리학으로 모든 자연현상을 다 설명할 수 있다고 굳게 믿다가 당시 물리학으로는 해결될 수 없는 수소원자 문제를 해결하면서 미시세계의 기본법칙인 양자역학을 찾아내게 되었다.

거시세계의 기본법칙인 는 거시세계에서 관찰되는 자연현상에 대한 모든 법칙이 왜 성립하는지 설명해주는 법칙인 것처럼, 미시세계의 기본법칙인 양자역학은 미시세계에서 관찰되는 현상에 대한 모든 법칙이 왜 성립하는지 설명해주는 법칙이다. 그래서 미시세계 즉 물질의 내부 성질이 연구 대상인 화학, 신소재 공학, 고분자 공학, 전자 공학, 원자력 공학, 반도체 공학과 같은 분야에서 다루는 법칙들은 모두 다 양자역학에 기초하고 있다. 그리고 오늘날 우리가 누리고 있는 컴퓨터와 스마트폰, 레이저와 원격통신, 원자시계와GPS와 같은 첨단 과학기술에 의한 제품들은 하나도 빠짐없이 인간이 물질의 내부세계에 대한 기본법칙을 완전히 이해했기 때문에 가능하게 되었다.

제3부 인간은 어떻게 우주를 이해하게 되었을까?

20세기에 들어서면서 당시 물리학으로 도저히 설명할 수 없는 또 다른 현상이 대두되었다. 그것은 빛의 속도에 대한 것이었다. 물체의 속도란 관찰자의 운동상태에 따라 달라진다. 예를 들어, 지구의 속도는 지구에서 보면 0이지만 달에서 지구를 보면 지구의 속도가 시속 3,683 km이고, 태양에서 보면 초속 30 km이다.그러면 어떤 속도가 지구의 진짜 속도일까? 모두 다 지구의 진짜 속도이고 그래서 물체의 속도를 말할 때는 반드시 그 속도의 관찰자가 누구인지 말해야 한다.

그런데 19세기 말 빛의 매질을 찾으려는 마이컬슨-몰리 실험에서 빛의 매질이 존재한다는 증거는 찾지 못했지만 빛의 속력이 일정한 것을 발견했다. 빛이 속력이 일정하다는 말은 서울에서 쏜 레어저 광선을 서울에서 보나 달에서 보나 태양에서 보나 모두 초속 30만km로 움직인다는 것이다. 빛의 속력이 너무 빨라서 지구에서보나 달에서 보나 태양에서 보나 그 차이가 별로 없다는 의미가 아니라 빛의 속력은 어디서 보나 정확히 똑같다는 것인데, 이것은 당시 도저히 이해될 수 없는 현상이었다.

동일한 물체를 서로 상대적으로 운동하는 두 기준계에서 관찰할 때 속도 사이의 관계는 갈릴레이 변환으로 구한다. 아래 그림과 같이 A 기준계에서 물체의 위치와 시간을 라고 하고 A 기준계에 대해 축 방향으로 속도 로 등속도 운동하는 B 기준계에서 물체의 위치와 시간을 라 하면 둘 사이에는 와 가 성립하는데, 이것이 갈릴레이 변환이다.

갈릴레이 변환의 첫 번째 식을 두 번째 식으로 나누고  와 를 각각 A와 B기준계에서 본 물체의 속도, 그리고 가 A 기준계에서 본 B 기준계의 속도라고 놓으면 속도 덧셈법칙 를 얻는다. 그런데 광속 불변이란 인데도 불구하고 라는 의미이므로 도저히 이해될 수가 없었다.

아인슈타인은 이 문제를 해결하다가 특수 상대성이론을 수립하였다. 그 결과로 아인슈타인은 갈릴레이 변환이 수정되어야 한다는 것을 알았다. 아인슈타인은 서로 상대적으로 등속도 운동하는 기준계에서 광속은 일정하다는 조건만 가지고 수정된 갈릴레이 변환인 로렌츠 변환을 유도하였다.

특수 상대성이론으로 새롭게 알게 된 많은 것들 중에서 움직이는 물체는 아래 그림과 같이움직이는 방향으로 길이가 짧아진다는 현상이 있다.

 물체가 속력 로 움직이면 로 나눈 것만큼 짧아진다. 여기서 이다. 그래서 B 기준계의 원점에서 까지 막대를 놓으면 B기준계에서 본 막대의 길이는 이고 A 기준계에서 본 같은 막대의 길이는 가 된다. A 기준계에서는 이 막대가 움직이고 있으므로 두 길이 사이에는 인 관계가 있다. 이것을 다시 라고 쓰고, 공간 좌표와 시간 좌표를 뒤바꾸어 쓴 가 바로 로렌츠 변환이다.

로렌츠 변환의 첫 번째 식을 두 번째 식으로 나누고 앞에서와 같이 , , 라고 놓으면 새로운 속도 덧셈법칙 을 얻는데, 이 덧셈법칙을 이용하면 일 때 값에 관계없이, 즉 이더라도, 항상 로 광속 불변이 바로 이 제대로 된 속도 덧셈법칙의 결과일 뿐임을 알 수 있다.

이처럼 근사식인 갈릴레이 변환을 제대로 고친 로렌츠 변환을 찾아냄으로써 광속 불변 문제가 해결되었다.로렌츠 변환이 특수 상대성이론을 대표하는 공식이다. 특수 상대성이론은 광속 불변 문제를 해결했을 뿐 아니라 시간과 공간이 본질적으로 같아서 우리가 4차원 시공간에 살고 있다는 것과 그 결과로 충분히 빠른 우주선을 타고 가면 자신의 생애 이전에 수만년 떨어진 별도 방문할 수 있음을 알게 해주었다. 또 처음에는 의도하지도 않았던 질량도 에너지의 한 형태임을 (즉 을) 알게 해주었으며 반물질이 존재한다는 사실까지도 저절로 알게 해주었다.

로렌츠 변환은 상대적으로 등속도 운동하는 두 기준계 A와 B에서 동일한 대상을 관찰할 때 얻는 결과 사이의 관계에 대한 것이다. 특수 상대성이론으로 크게 성공한 아인슈타인은 두 기준계가 등속도 운동한다는 제한을 없앤 일반 상대성이론을 수립하는데도 성공하였다. 일반 상대성이론을 대표하는 공식이 아인슈타인의 장방정식 인데, 이 식에 나오는 아래첨자 와 는 이 양들이 4차원 시공간의 텐서임을 알려준다. 이 식에서 는 리치 텐서라고 불리는 것으로 공간좌표와 시간좌표로 미분하는 복잡한 항들로 이루어져 있고, 는 운동량-에너지 텐서로 시공간에 분포된 운동량-에너지 분포를 대표하며, 는 메트릭 텐서라고 불리는 것으로 이 식의 종속변수이다. 그래서 아인슈타인의 장방정식을 풀면 시공간의 구조인 가 공간좌표와 시간좌표의 함수로 구해진다.

아인슈타인은 일반 상대성이론에서 뉴턴이 제안했던 만유인력은 애초에 존재하지 않고 질량의 역할은 그 주위의 시공간을 휘게 하는 것이며 그런 시공간에 놓인 물체는 가장 짧은 경로를 따라 진행한다는 엄청난 결과를 예언했다. 그리고 영국의 천문학자 에딩턴이 1919년 5월 아프리카의 한 섬에서 개기일식을 이용해 측정한 별의 위치와 밤에 측정한 그 별의 위치 사이의 차이가 아인슈타인이 미리 예언한 것과 일치한다는 것을 확인한 뒤에 아인슈타인의 일반 상대성이론이 옳다고 증명되었다는 소식이 전 세계에 알려졌고, 이를 계기로 아인슈타인은 학자들 사이에서뿐 아니라 대중들 사이에서도 유명해졌다.

그런데 예상치 않은 일이 벌어졌다. 세계 1차 세계대전에 참전하느라 일반 상대성이론이 발표된줄도 몰랐던 러시아의 물리학자 프리드만이 전쟁에서 돌아와 1925년에 아인슈타인의 장방정식에 대한 풀이를 논문으로 발표했는데, 그것이 팽창하는 우주였다. 벨기에의 천주교 사제인 물리학자 르메트르도 1927년에 비슷한 결과를 발표하였다. 그래서 일반 상대성이론에 근거한 팽창하는 우주를 프리드만-르메트르의 팽창우주라고 부른다. 그러나 당시에는 우주가 팽창한다는 것이 너무 이상했으므로 다른 학자들로부터 별 관심을 받지는 못하였다.

그런데 프리드만-르메트르의 팽창우주와는 전혀 관계없이 물리학의 중심지인 유럽과는 아주 먼 미국 애리조나 주에 위치한 로웰 천문대에서 슬라이퍼라는 천문학자가 1912년에 갤럭시에서 오는 빛을 분석하다가 아주 신기한 결과를 얻었다. 갤럭시에서 오는 빛의 진동수가 원래 진동수보다 훨씬 작았던 것이다. 이것을 적색이동이라고 하는데, 적색이동은 광원(光源)이 관찰자에게서 멀어진다는 증거이다. 슬라이퍼의 결과는 관찰되는 갤럭시들이 모두 다 지구로부터 멀어진다는 것이었다. 이것은 마치 지구가 우주의 중심인 것같이 느끼게 만들었다.

그뿐 아니라, 역시 미국 캘리포니아 주에 위치한 윌슨산 천문대에서 갤럭시를 관측하던 윌슨은 갤럭시에 속한 변광성을 이용해 그 변광성이 포함된 갤럭시까지 거리를 알아내고 적색이동을 이용한 갤럭시의 후퇴 속력을 비교하다가 1929년 유명한 허블 법칙 를 발견하였다. 이 법칙은 지구로부터 거리가 같은 갤럭시는 모두 다 똑같은 후퇴 속력으로 멀어지고, 지구로부터 거리가 두 배인 갤럭시는 모두 다 똑같은 두 배의 후퇴 속력으로 멀어진다는 것을 의미하는데, 이 법칙은 우주가 팽창한다는 증거가 된다. 그렇다면 허블 상수 의 역수는 우주의 수명이 되는데, 허블이 발표한 허블 상수에 의한 우주의 나이가 당시 알려진 태양계의 나이보다 더 작았기 때문에 당시 사람들은 허블 법칙이 무엇을 의미하는지 의아하게 생각하였다.

이렇게 해서 1930년에서 1960년 사이에는 대부분의 학자들은 우주는 무한히 먼 과거에서 무한히 먼 미래까지 그대로 유지된다는 정상상태 우주론을 선호했지만 일부 학자들은 팽창 우주론을 주장하기도 했다. 영국의 저명한 천문학자이자 정상상태 우주론자인 프레드 호일은 1949년 3월 영국 BBC 라디오의 생방송 인터뷰에 나와서 팽창 우주론을 옹호하는 사람들은 우주가 big bang처럼 만들어진 것이라고 주장한다고 팽창 우주론을 비하하는 언급을 했는데, 이때부터 팽창 우주론이 big bang theory(대폭발 이론)라고 불리기 시작하였다.

그렇지만 우주가 어떻게 만들어지고 어떻게 진화해 왔는지를 알려주는 우주론이 조금씩 우리에게 다가오고 있었다. 먼저 1925년에서 1927년 사이에는 일반 상대성이론의 장방정식의 풀이를 구한 프리드만과 르메트르에 의해 우주가 팽창할수도 있다는 가능성을 대두되었다. 그리고 1929년 허블이 갤럭시들에 대한 관측으로 구한 허블 법칙은 팽창하는 우주에 대한 실험적 증거가 되었다. 그리고 1948년에 러시아의 물리학자 갸모브는 우주가 대폭발에 의해 창조되었다면 그 흔적으로 오늘날에도 우주 배경복사가 존재할 것이라고 예언하였다. 또한 1960년대 초 미국 프린스턴 대학 교수였던 딕케는 갸모우가 예언한 배경복사는 우주 팽창으로 마이크로파 영역으로 적색이동 되었을 것이라고 예언하였다.

그런데 1965년 미국의 벨 연구소에서 일반 상대성이론이나 팽창 우주론과는 전혀 관계가 없었던 펜지아스와 윌슨은 전파 망원경으로 라디오파를 수신하다가 하늘의 모든 방향으로부터 수신되는 잡음을 제거하지 못해서 고민하고 있었다. 그러다 마침 근처 프린스턴 대학에서 대폭발 이론의 증거에 대해 연구 중이던 천문학자 딕케가 이 소식을 들었다. 펜지아스와 윌슨이 발견한 것이 바로 138억년 전 우주가 태어나면서 대폭발과 함께 만들어진 뜨거운 에너지가 우주가 팽창하면서 식은 채로 여태까지 남아 있던 우주 배경복사였던 것이다. 이것이 대폭발 이론의 결정적 증거가 되었고 이후부터 정상상태 우주론은 자취를 감추고 대폭발 이론이 올바른 이론으로 인정받게 되었다.

그렇다면 이제 인간은 모든 것을 알게 된 것일까?

대폭발 이론에 의하면 공간과 시간이 138억년 전에 에너지와 함께 존재하기 시작하여 지금까지 계속 팽창되어 왔다. 그러면 우주는 끝없이 계속 팽창할 것인가? 아니면 언젠가 팽창을 멈출 것인가? 아니면 언젠가 팽창을 멈추고 다시 수축하게 될 것인가?

아인슈타인의 일반 상대성이론에 의하면 우주의 운명은 우주의 총 질량에 의해 결정된다. 만유인력 상수 와 허블 상수 에 의해 우주 임계밀도가 로 주어지는데, 만일 우주의 평균밀도가 라면 우주는 팽창하다가 멈추고 다시 수축하기 시작한다. 이런 우주를 Closed Universe라고 한다. 그리고 만일 라면 우주는 끝없이 계속 팽창하는데, 이런 우주를 Open Universe라고 한다. 그리고 만일 라면 우주는 서서히 팽창을 멈추고 그대로 유지되는데, 이런 우주를 Flat Universe라고 한다.

그런데 우리 우주가 이 세 가지 유형 중에서 어느 것에 속하는지는 우주 배경복사의 정밀한 분포로부터도 알 수가 있다. 미국 NASA에서는 2001년에 우주 배경복사를 정밀 측정할 목적으로 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe라는 탐사선을 발사하였다. 그리고 측정된 우주 배경복사를 분석한 학자들은 우리 우주가 Flat Universe에 속한다는 결론을 내렸다.

임계밀도 에 우주의 부피를 곱하면 우주의 총 임계질량 가 나온다. 그런데 우주에 존재하는 모든 갤럭시의 질량을 다 합해도 의 0.4 % 밖에 안된다. 갤럭시와 갤럭시 사이에 분포된 성간기체들의 질량을 모두 합하면 의 약 3.6 %가 된다. 갤럭시의 중심에 놓여 있다고 생각되는 블랙홀들의 질량이나 우주에 돌아다니는 빛, 방사선, 뉴트리노의 질량을 모두 합해도 의 0.1 %미만이다. 그래서 관찰이 가능한 우주의 총 질량은 의 단지 4 %에 불과하다. 그런데 갤럭시들의 운동을 보거나 아주 먼 우주에서 오는 퀘이저라는 별로부터 알수 있는 중력 렌즈 현상 등을 설명하려면 관찰되지 않는 질량이 갤럭시의 가장자리에 분포되어 있어야 하는데 그런 질량을 암흑물질이라고 한다. 암흑물질은 의 23 %정도라고 알려져 있다. 그러므로 에서 관찰 가능한 질량 4 %와 암흑물질 23 %를 뺀 73 %는 흔적도 없고 무엇인지도 알 수가 없다. 이것을 암흑에너지라고 부른다.

돌이켜보면 역사가 다시 반복되는 것처럼 생각된다. 17세기에 당시 철석같이 믿었던 천상법칙이 행성의 이상한 운동에도 적용되도록 시도하다가 뉴턴 역학을 발견하게 되었는데, 뉴턴 역학은 행성의 운동만 해결한 것이 아니라 거시세계의 모든 자연현상을 설명하는 기본법칙이었다. 20세기에 뉴턴 역학으로 설명할 수 없는 수소 원자의 선스펙트럼을 문제를 해결하다가 양자역학을 발견하게 되었는데, 양자역학은 수소 원자의 선스펙트럼만 해결한 것이 아니라 미시세계의 모든 자연현상을 설명하는 기본법칙이었다. 또한 20세기에 이해할 수 없는 광속 불변 문제를 해결하려고 시도하다가 특수 상대성이론을 발견하고 공간과 시간을 제대로 이해하게 되었을 뿐 아니라, 특수 상대성이론을 일반화시킨 일반 상대성이론은 전혀 예상치 못한 우주론인 대폭발 이론에 도달하게 우리를 인도하였다.

그리고 이제 일반 상대성이론과 우주 배경복사의 정밀 측정에 의해 우주의 총 질량이 얼마인지를 알게 되었는데, 그 중에서 우리가 알고 있는 질량은 단지 4 %밖에 되지 않고 나머지 96 %를 차지하는 암흑물질과 암흑에너지는 우리가 현재 알고 있는 물리학으로 무엇인지 설명하지를 못하고 있다. 그런데 이 암흑물질과 암흑에너지는 일반 상대성이론과 대폭발 이론을 발견한 다음에야 비로소 있다는 사실을 알게 되었다.

에필로그

단지 몇십년 전까지만 하더라도 사람들은 밤하늘을 보고 낭만적인 상상을 하였다. 우리 곁을 떠나간 사랑하는 사람들이 저 하늘나라 어디에선가 행복하게 살 것이라고 믿기도 하고 우리 곁을 지키는 수호신이 저 하늘나라 어디선가 우리를 내려다보고 있을 것이라고 믿기도 했다.

그러나 이제 우리는 비록 태양계 밖으로는 한발짝도 나가보지 못했지만 우주 바깥에 있는 것들이 그냥 태양과 같은 별들 뿐임을 알게 되었다. 2009년에 미국 NASA에서 발사한 케플러 탐사선에서는 지구같이 암석으로 이루어진 행성이 우리 은하에만 수천억개가 있을 것이라고 예상하고 실제로 지구와 똑같은 환경의 행성들을 발견했다는 소식을 간간히 전해주고 있다.

그 수많은 행성들 중에는 과연 인간과 같은 고등 생명체가 존재할 것인가? 그리고 만일 고등 생명체가 존재한다면 그들도 우리 인간처럼 미시세계에 대한 기본법칙인 양자역학과 대폭발 이론과 같은 우주론을 이해할 수 있게 될 것인가?

얼핏 생각하면 고등 생명체라면 언젠가는 그런 물리학을 깨닫게 될 것 같기도 하지만 곰곰이 생각하면 반드시 그럴 것 같지도 않다. 중국에서 시작한 음양 오행설은 아무리 발달한다고 하더라도 양자역학으로 발전하거나 대폭발 이론으로 발전할 것 같이 보이지는 않기 때문이다.