2022년 8월 13일 (토)
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종교철학ㅣ사상

과학으로 하느님 알기13: 미세 조율된 우주

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주호식 [jpatrick] 쪽지 캡슐

2022-06-29 ㅣ No.453

[김도현 신부의 과학으로 하느님 알기] (13) 미세 조율된 우주


지구가 생명체 위한 최적의 환경 갖춘 것은 결코 우연이 아니다

 

 

- 밤하늘의 은하계를 6분할 추적 파노라마로 촬영한 사진. 우주에 생명체가 존재하기 위한 기본 물리 상수들의 값이 만약 현재와 달랐다면, 우주에 원자 및 별들과 은하계 구조가 만들어지거나 생명체가 생겨나는 것은 불가능했을 것으로 물리학자들은 예상하고 있다. 출처 위키미디어커먼스.

 

 

현재까지 물리학자들의 연구에 따르면 우주가 탄생하고 바로 이 우주에 생명체가 존재하기 위해서는 중력 상수 등 물리학의 30여 가지 기본 물리 상수들의 값이 ‘대단히 좁은/놀라울 정도로 한정된’ 범위 내에 존재해야만 합니다. 만일 이러한 기본 상수들이 아주 약간이라도 현재의 값과 달랐다면, 우주가 빅뱅 이후 현재와 같이 팽창을 하거나, 우주 안에서 원자 및 별들, 은하계 구조가 만들어지거나 현재 우리가 생각하는 개념의 생명체가 우주 안에서 생겨나는 것은 사실상 불가능했을 것으로 많은 물리학자들은 예상하고 있습니다.

 

그러다보니 물리학자들은 빅뱅을 통해 탄생하고 팽창하고 있는 우리의 우주가 “미세 조율되어 있다”(fine-tuned)라고 말하고 있습니다. 이 말은, 30여 가지의 기본 물리 상수들이 마치 (누군가/무언가에 의해) “미세하게/정밀하게 조율된” 것처럼 보인다는 뜻을 담고 있는 표현입니다. 영국의 대표적인 천문학자인 마틴 리스(Martin Rees, 1942~)는 우주의 미세 조율을 (단위가 없는) 단 6가지 물리 상수들로 설명하는 데 성공하였고, 이 설명은 미세 조율에 관한 대표적인 물리학적 설명으로 현재까지 널리 받아들여지고 있습니다.

 

마틴 리스에 따르면 이 6가지 물리 상수들은 다음과 같습니다.

 

1. N : 양성자 쌍 사이의 전자기력을 둘 사이의 중력으로 나눈 값으로서 대략 1036의 값을 가진다. 이 값이 현재의 값보다 작아지게 되면, 우리의 우주는 크기가 아주 작아지게 되고 우주의 수명도 짧아지게 된다. 그리고 생명체가 진화를 할 시간적 여유도 없게 된다.

 

2. ε : 핵융합을 통해 수소가 헬륨으로 바뀔 때 총 질량 중에서 에너지로 변환되는 핵융합 효율을 의미하며 0.007의 값을 가진다. 이 값이 0.006이 되면, 우주에는 오직 수소만이 존재하게 되고 화학적 반응은 불가능해지게 된다. 반면, 이 값이 0.008이 되면, 빅뱅 직후에 모든 수소 원자들이 핵융합에 관여하게 되어서 수소는 더 이상 존재할 수 없게 된다.

 

3. Ω : 밀도 변수(density parameter)라고 불리며, 우주의 팽창 속도를 규정짓는 중요한 요소로서 중력과 우주 팽창 에너지가 가지는 상대적 중요성을 수치화한 값이다. 이는 우주의 실제 평균 밀도를 우주 임계 밀도로 나눈 값으로 계산하며 대략 1.0의 값을 가진다. 이 값이 줄어들면, 우주 내의 중력이 작아지게 되어서 우주 내에는 별들이 생성될 수 없게 된다. 반면, 이 값이 커지게 되면 우주 내의 중력이 너무 커지게 되어서 생명체가 우주에 출현하기 이전에 우주는 붕괴되어 버리고 만다.

 

4.  : 우주 내의 척력으로 인한 가속 팽창을 유발하는 진공 에너지의 밀도 값으로서 우주 상수(cosmological constant)라고 불린다. 최근의 Planck 관측 위성의 측정에 따르면 우주 상수의 값은 10-122 정도로 거의 0에 가깝다. 이 값이 조금이라도 더 커지게 되면, 별들과 은하계 등의 천체 구조가 생성되지 못하게 되며, 우주는 미처 진화를 시작하지도 못하는 채 흩어지게 된다.

 

5. Q : 큰 은하계를 형성하는 데 필요한 중력 에너지를 그 은하계의 질량에 해당하는 에너지(정지 질량 에너지; E=mc2에 의해 계산되는 값이다)로 나눈 값으로서 우주의 짜임새를 결정하는 데 매우 중요하다. 대략 10-5 정도의 값을 가진다. 이 값이 줄어들게 되면, 별들이 생성될 수 없게 된다. 반면 이 값이 커지게 되면, 우주가 불안정해지게 되어서 별들은 일단은 생성은 되지만 오래 생존할 수 없게 되며 결국은 거대한 불랙홀들만이 지배하는 곳이 된다.

 

6. D : 시공간 상에서 공간의 차원을 의미하며 이 값은 정확히 3이다. 만일 우리의 공간이 3차원이 아니게 되면 생명체는 생존할 수 없게 된다.

 

바로 이러한 우주의 ‘미세 조율’ 현상에 관해 과학을 잘 모르는 일반인들은 우연히 운 좋게 우리의 우주가 이러한 조건을 만족했다고 볼지도 모릅니다. 하지만 우주의 이러한 현상에 관한 궁극적인 원인/이유를 추구해온 여러 과학자들은 (이들의 대부분이 종교가 없는데도 불구하고) 다음과 같은 공통된 주장을 하게 되었습니다: 지구가 인간을 비롯한 복잡하고 다양한 생명체가 생존하기에 최적의 환경을 갖춘 것은 ‘결코 우연이 아니다!’ 우리가 생각하는 개념의 생명체는 물리학적으로 현재와 같은 기본 상수들과 법칙들이 적용되지 않았다면 결코 존재하지 못했을 것이다. 단순하게 대폭발을 통해 만들어진 우주가 우연히 현재와 같이 생명체가 생존할 수 있는 조건을 갖추게 되었다고 보기에는 30여 가지의 물리 상수들을 포함한 모든 조건들이 ‘너무나 완벽해 보인다!’

 

생명체, 특히 인류가 우주에 생존하기 위해서는 바로 이러한 ‘미세 조율된 필연적 생명체 생존 조건’을 갖추어야만 한다는 주장을 과학자들은 ‘인류 원리’(anthropic principle)라고 부르고 있습니다. 인류 원리는 학자들에 따라 여러 다른 버전들이 존재하고 있지만 적어도 현재까지는 어느 누구도 과학적으로 반박할 수 없는 ‘원리’로서 받아들여지고 있습니다. 특히 존 배로(John D. Barrow, 1952~)와 프랭크 티플러(Frank J. Tipler, 1947~)는 ‘천문학, 양자역학, 화학, 지구과학 등의 여러 과학 연구 결과에 따르면 호모 사피엔스(Homo sapiens)가 우리 은하계 내에 생존하는 유일한(!) 지적 생명체일 가능성이 대단히 높다’는 주장을 일관되게 함으로써 인류 원리에 관한 논의가 학문적으로 널리 활성화되는 데에 큰 영향을 끼치게 됩니다. 이들의 주장이 사실이라면 우리가 지구상에 살아가고 있는 것은 우연이 아닌지도 모릅니다.

 

[가톨릭신문, 2022년 6월 26일, 김도현 바오로 신부(서강대학교 교수)]



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