어렸을 때 교회에 가서 지구가 얼마나 아름다운가에 대해 들어본 적이 있는 게이라면 공감할거야. 하나님께서는 지구를 사랑하셔서
우리가 너무 춥지도 덥지도 않은 환경에서 삶을 누릴 수 있게 됐다고. 사실, 우리 인간과 같은 생명은 정말 엄청난 기적에 가까운 것 같아. 지구가 만약
지금보다 조금만 더 가까웠더라면 금성의 꼴을 면치 못했을 것이며, 조금만 더 멀었다면 오늘날 화성과 같은 미래를 걸었겠지. 목성이 없었다면
수만년에 한번꼴로 수km소행성과 충돌하여 생명체는 절대로 진화할 수 없었으며, 태양이 지금보다 약간만 더 컸다면 너무 밝고 수명도 짧아서
인류가 진화하기 어려웠을테지. 이러한 기독교인들의 관점 즉 자연의 법칙은 생명체가 탄생하기에 적절하도록 전지적인 무언가의 힘에 의해 세팅되었다고
볼 수 있는데, 이를 '인간 중심적인 발생원리' 혹은 인류원리라고 불러. 우리의 우주는 과연 이러한 무언가의 힘 때문에 '디자인'된 것일까? 아니면 단순히
우연일까? 지금부터 우리가 얼마나 소중한지 지구적 관점과, 우주적 관점에서 알아보자.
1. 지구적 우연
사실 지구적 우연을 얘기하면 수십편의 시리즈를 쓸 수 있을정도로 그 양이 너무나 방대해. 그만큼 우리는 기적에 가까운 확률로 탄생했다는거지.
태양의 지금과 같은 밝기를 고려하면 1억5천만km라는 거리는 아주 최선의 전략이야. 위에서 말했다시피 이상태에서 조금만 멀리 떨어졌어도
화성과 같은 얼어붙은 사막이 돼버리고, 조금만 가까워져도 금성과 같은 지옥불바다 행성이 될거야. 금성의 표면온도는 480도정도로, 이같은 원인은
두터운 대기와 이산화탄소 등 여러가지가 있겠지만 가장 주요한 것은 바로 태양과 거리가 가깝기 때문이지.
하지만 이런 몇 가지 조건만으로 인류와 같은 고등생물체가 발전하는것은 물론 생명체 자체가 발생하여 생존하는건 아니야.
특히 지구는 태양과의 거리같은 요소 뿐 아니라 다른요소들도 거의 기적이라고 불릴 만큼 절묘하게 세팅되어있지. 우리의 친숙한 천체 달만 보더라도 그래.
달은 지구 주위를 돌면서 지구의 자전축이 요동치지 않게 도와주는 천체라서 달이 지금보다 작았더라면 지구의 자전축은 심하게 요동쳐 급격한 기후변화를
초래했을거야. 달이 없었다면 자전축은 급격하게 요동치다 못해 수백만년 주기로 90도씩 휙휙 돌아버리고 말거야. 생명의 근원인 DNA가 생성되려면
안정된 기상상태가 최소 수억년 이상 지속되어야 하므로 달이 없었더라면 생명체도 온전히 탄생하진 못했겠지.
이러한 점은 가까운 이웃행성 화성만 보더라도 알 수 있는데, 화성의 달은 포보스와 데이모스로 둘다 수십km밖에 되지 않는 주먹만한 녀석들이지.
이녀석들은 화성의 자전축을 붙잡아두기엔 그 크기가 너무 작아서 화성의 자전축은 과거에 45도정도 기울었을 것으로 천문학자들은 보고있어.
달이 지금과 같은 속도(연간 3cm)로 멀어지면 어느순간 달이 우리 중력권에서 탈출하게 될 거야. 그러면 지구는 대재앙을 맞겠지.
물론 그전에 태양이 너무 밝아져서 지구는 화성처럼 말라비틀어질거야.
든든한 목성방패
달 뿐만이 아니야. 목성역시 생명체가 번성하는 데 큰 도움을 주고있어. 우리 태양계를 컴퓨터로 시뮬레이션해보면 목성의 존재가 얼마나 고마운지
새삼 느낄 수 있는데, 목성은 태양계를 떠도는 온갖 소행성들을 바깥으로 내던지는 역할을 지난 40억년동안 충실히 해왔던걸로 보고있어. 만약
목성이 지금보다 훨씬 작거나 아예 없었다면 지구는 최소 수만년마다 수km 소행성과 충돌한다는 시뮬레이션 결과가 나와.
지구의 질량. 6조톤의 10억배쯤 된다.
지구의 질량도 가장 적절한 값으로 세팅되어있지. 만약 지구의 질량이 지금보다 조금 더 작았다면 대기는 밖으로 탈출하여 숨 쉬기 힘들었을 것이며
질량이 조금이라도 컸다면 원시시대에 형성된 유독가스가 대기중에 섞여 생명체가 살 수 없는 환경이 만들어졌을 거야.
즉 지금의 지구는 생명체가 살아가기에 가장 적당한 질량을 갖고있는 셈이지.
행성의 공전궤도 역시 아주 적절하게 세팅되어있어. 이는 달에서 봤듯이 생명체의 DNA유지를 위한 안정된 기후형성과 밀접한 관련이 있지.
지구의 궤도가 너무 일그러진 타원형이였으면 우리는 6개월마다 한번씩 지옥과도 같은 경험을 해야만 해. 따라서 안정적인 기후를 형성하는게 힘들지.
태양계의 위치 역시 아주 절묘해. 우리 태양계는 은하중심으로부터 약 2만5천광년정도 떨어져있는데, 만약 이보다 더 가까웠더라면 중심 블랙홀에서 나오는
강한 복사장 때문에 생명체가 살 수 없었을 것이며, 너무 멀었다면 유기물에게 필요한 원소(탄소, 산소 등)가 충분치 않았을거야.
또 지금과 같이 나선팔 사이에 위치하지 않고 나선팔 안에 소속되어 있었더라면 끊임없이 발생하는 초신성폭발로 지구의 환경은 안정화될 틈도 없이
ㅁㅈㅎ폭격을 맞았을거야.
이런 식의 기적과도 같은 요소는 엄청나게 많이 있으며, 지구는 이러한 수많은 요소가 가장 적절하게 맞물려 지금과 같은 생명체가 번성하는 아름다운
행성으로 거듭나게 된거야. 만약 이들 중 어느 하나라도 잘못된 값을 가졌더라면 지금과 같은 생명체는 존재하지 못했겠지.
2. 우주적 관점
우주의 운명을 좌우하는 여섯 개의 수.
사실 지구적 관점도 수없이 많지만 우주적 관점은 더욱 놀라워. 행성에서 생명체가 탄생하고 번성하기 위해선 위와같은 지구적 관점도 필수지만
이 행성이 수억년동안 커다란 변화를 일으키지 않아야 해. 이건 거의 기적에 가까운 일이지.
우주의 기본적인 네 가지 힘인 강력, 약력, 전자기력, 중력은 그 세기가 조금만 달라져도 생명체의 운명 나아가 우주의 운명까지도 바꿀 수 있어.
이런 기본적인 우주적 관점에서부터 셀 수 없이 다양한 관점이 있지만 그중 가장 영향력있는 조건을 천문학자들이 꼽았어.
바로 '여섯 개의 수'라고 불리우는 값들인데, ε, N, Ω, Λ, Q, D 이렇게 여섯 놈들이야.
ε (=0.007) 은 엡실론이라고 읽으며, 핵융합 반응에서 질량결손의 비율을 뜻하지. 핵융합 반응을 할 때 수소원자핵 4개가 합쳐져 헬륨원자핵 1개를 만드는데,
분명히 질량이 같아야 함에도 불구하고 수소원자핵 4개의 질량이 더 크게 나타나지. 이 과정에서 발생하는 질량차이, 즉 질량결손은
아인슈타인의 질량에너지 등가공식 E=mc^2에 의해 에너지로 변환되며, 이 에너지가 태양을 밝게 빛나게 하는 요인이라고 볼 수 있어.
핵융합 한 번당 발생하는 질량결손은 조오오오온나게 작지만 그 효율은 엄청나게 높지. 예를들어 1g의 수소를 온전하게 핵융합 반응에 쓴다면,
0.007g의 질량결손이 발생하는데, 단 0.007g의 질량결손으로 100와트 전구를 수십만년동안 틀어놀 수 있어.
태양은 매 초 수억톤의 수소를 태워서 지금의 밝기를 유지하는 셈인데, 이 질량결손값 즉 엡실론이 0.006이였다면 핵력 즉 강력은 지금보다 약해져
양성자와 중성자는 서로 결합을 못하여 결국 핵융합반응이 일어날 수 없게 돼버려. 따라서 별이라는 것이 아예 존재하지 못했겠지.
별은 수소보다 무거운 원소를 만들어내는 화학공장인데, 유기물에 반드시 필요한 탄소를 만들어낼 수 없으므로 결국 생명체 자체가 아예 탄생하지도
못했을거야. 만약 엡실론이 0.008이였다면 핵융합이 지나치게 빠르게 진행되어 빅뱅 후 얼마 지나지않아 수소가 고갈돼 모든 별이 생명체가 번성하기도전에
식어버리고말거야.
우주의 운명을 좌우하는 두 번째 수는 N(=10^36)이야. N은 전자기력과 중력의 크기를 비로 나타낸 값인데, 다시말해 전자기력이 중력보다 10^36배 더
강력하다는 셈이지. 이렇게 강력한 전자기력은 우리 주변에서 흔히 볼 수 있어. 겨울철 발생하는 정전기는 색종이에 작용하는 중력을 쉽게 이겨서
위로 떠오르게 만들지. 만약 N이 이보다 컸더라면, 다시말해 중력이 지금보다 더 작았더라면 별이 충분히 압축되지 못해 핵융합을 일으킬 충분한
온도와 압력을 내지 못했을거야. 이는 역시 생명체의 탄생과 직결되는 문제지. 중력이 지금보다 더 컸더라면 별은 훨씬 더 압축되어 핵융합을 더 빨리
일으킬거야. 이역시 생명체가 번성하기도전에 별이 죽어서 식어버리고말겠지.
오메가 값에 따른 우주의 기하학적 구조
세 번째 수는 Ω야. 오메가라고 읽으면 되는데, 이 오메가는 우주의 밀도를 나타내지. 정확히 말하면 우주의 밀도를 우주가 정적이라고 가정했을 때 계산한
임계밀도로 나눈 값인데, 현재의 우주에서 이 오메가는 1.005정도로 나타나고있어서 우리 우주는 엄청나게 평평하다고 볼 수 있지.
(참고로 여기서 오메가는 사실 오메가+람다의 값이야. 실제 오메가는 약 0.3정도야.)
x축은 시간, y축은 우주의 크기이다.
오메가가 1보다 크다면 그 우주는 자체질량으로 인한 중력이 팽창보다 우세해 언젠간 팽창을 멈추고 수축하는 닫힌우주가 되며(위 그래프에서 high density 부분)
1보다 작다면 질량으로 인한 중력이 팽창에 훨씬 못미쳐 영원히 팽창을 하게 되지(위 그래프에서 low density 부분).
1보다 컸다면 생명체가 번성하기도전에 우주가 수축하여 우주적 대충돌(빅크런치)을 겪었을 것이며, 1보다 훨씬 작았다면 우주가 너무 빠르게 팽창해
너무 빨리 식어버리고 말았을거야. 빅뱅이론으로부터 현재 오메가값이 나오기 위해선 초기우주의 오메가는 1과 불과 10^(-62)보다 작게 차이가 났어야하지.
즉 따지고 봤을때 엄청난 기적이라는거야. 이 초기우주에 관한 오메가 문제를 평평함 문제(Flatness problem)이라고 부르는데,
이 문제는 현재 인플레이션으로 설명이 가능하다고 보고있어.
네번째 수는 아인슈타인이 자신의 정적우주론을 억지로 만들기 위해 끼워넣은 우주상수 Λ(람다)야. 이 값은 엄청나게 작아서 대략 6.2*10^(-40)정도 되는데,
우주상수가 의미하는 바는 바로 '반중력'이라고 보고있어. 즉 팽창을 가속화시키는 녀석이라고 볼 수 있지. 이 값이 지금보다 더 작았다면 이미 이 시점에
우주는 한점으로 모여 빅크런치로 잔혹한 종말을 맞았을 것이며, 지금보다 컸더라면 이미 이시점에 우주공간의 온도는 절대영도에 매우 근사하게 접근하여
빅프리즈로 모든것이 얼어붙은 참혹한 종말을 맞았을 거지. 딱! 지금과 같은 값이 아니였다면 우리의 우주는 지금과 매우 다른 양상을 보였을거야.
(여기서 오메가와 람다가 조금 헷갈릴 수도 있는데, 위에 나타난 1에 근사한 오메가는 오메가+오메가_(람다)라고 할 수 있어. 즉 0.7이라는 값은 람다의 존재로
생긴 암흑에너지의 밀도라고 보면 되고 6.2*10^(-40)이라는 람다값은 아인슈타인 장방정식에 들어가있는 상수값을 의미해.)
다섯번째 수는 Q라고 불리우는 우주배경복사의 불규칙성을 나타내는 수지. 이 값은 10^(-5)정도로, 온도가 가장 높은곳과 낮은곳의 차이가 불과
10^(-5)K밖에 안된다는 소리야. 만약 이 차이가 지금보다 작았더라면 우주는 지금보다 극도로 더 균일하게 분포되어 별이나 은하가 중력적 수축에 의해
제대로 형성되지 못하여 지금까지도 아무런 특색이 없는 어둡고 컴컴한 우주가 돼버렸을거야. 반대로 이 차이가 지금보다 더 컸더라면 훨씬 더 빠른속도로
은하들이 형성되겠지. 이 점은 좋아보이긴 하지만 오히려 은하 중심의 블랙홀의 크기를 더 키우게 만들어. 때문에 지금의 블랙홀보다 훨씬 더 강력하게 돼.
계산에 의하면 이 블랙홀의 질량은 현재의 은하만할 정도로(태양질량의 수천억배) 발달하여 은하를 통째로 집어삼키는 수준이 돼버리지.
여섯번째 수는 D라고 불리우는데, 이 값은 3이야. 즉 D는 차원을 나타내는 수지. 만약 이 세상이 3차원이아닌 2차원이나 1차원이었다면 과연
그러한 우주에도 생명체가 살았을까?
일단 1차원은 단순한 선으로만 이루어진 녀석이야. 즉 이러한 곳에 생명체가 산다면 그 생명체는 앞이나 뒤로밖에 갈 수 없으며, 여러마리가 있다면
자기 앞 뒤의 두 생명체 외에 다른녀석들은 평생 볼 수 없겠지.
이런 기본적인 특징을 갖고있는 1차원의 세상에서는 원자들이 크기를 가지지 않기때문에 결합조차 할 수 없으므로 간단한 세포조차도 만들어낼 수 없어.
만약 길다란 뉴런모양의 생명체가 있다고해도 그 이상으로 고도로 진화할 수는 없게 돼.
2차원의 세상에서는 어떻게될까? 이곳은 평면의 세상이야. 이곳의 생명체는 과연 어떤 특성을 가져야할까? 일단 생명체이기 때문에 무언가를 먹고
에너지를 취한 다음 쓸모없는것을 배설해야해. 즉 어떠한 생명체라도 입구와 출구가 동시에 존재해야하지. 하지만 2차원 평면의 특성상
입구와 출구가 동시에 존재하게되면 그것은 평면상에 하나의 곡선을 그리는것과 같으므로 필시 생명체가 둘로 나뉘어지지. 그러면 입구와 출구를 하나로
하면 되지 않겠느냐고 반문할수도있어. 실제로 지구상에도 입과 똥구멍이 하나인 생명체가 있지. 하지만 2차원 생명체에는 치명적 단점이있어.
바로 우리의 행동을 결정하는 두뇌적 한계인데, 2차원에서의 뉴런은 반드시 1자형으로 나란히 존재해야해. 그렇기 때문에 뉴런이 많아지면 생명체의 크기는
겉잡을수없이 커지게 되어 효율이 엄청나게 떨어지겠지. 그래서 2차원 세상에서는 생명체는 존재하겠지만 인류와 같이 고도로 지능화된 생명체는 존재하지
못할거야.
자 반대로 4차원 이상의 세상에서는 어떻게될까? 여기서 말하는 4차원은 우리 우주처럼 4차원시공간이 아니라 공간이 네 개의 선분으로 이루어져있다고
봐야해. 즉 4차원세상에서 우주는 4차원공간+시간이 합쳐져 5차원 시공간이 되겠지?
이러한 곳에서 뉴턴의 중력법칙을 적용하면 어떻게될까? 1차원과 2차원의 우주에서 중력은 거리에 반비례해. 3차원부터는 거리의 제곱에
반비례하며, 4차원에서부터는 거리의 세제곱에 반비례하게 돼. 즉 중력이나 전자기력은 N차원일 때 거리의 (N-1)제곱에 반비례한다고 볼 수 있어.(N>2)
이렇게 중력이 거리의 세제곱에 반비례하게되면 어떻게될까? 아마도 뉴턴방정식은 대대적인 수정이 불가피할거야. 그만큼 행성의 궤도가 불안정해지겠지.
하지만 이것은 비단 거시적인 관점에서만 국한된 것은 아니야. 더 미시적인 세계, 즉 원자핵과 전자의 관계에서도 불안정해지지.
따라서 제대로 원자가 형성되지 않고 와해돼버려. 즉 생명체에겐 3차원 공간이 가장 이상적이라는말이야.
3. 우주는 정말 디자인된걸까?
이렇게 여섯 가지 우주적 상수가 어느 하나라도 틀어졌다면 생명체는 물론이요, 우주 자체의 구조와 모습도 판이하게 달라져버렸을거야.
우주적 조건은 위의 여섯 가지 말고도 엄청나게 많이 있어. 그렇다면 과연 우리는 단순히 우연으로만 이런 모든 경우가 정교하게 세팅되어 탄생한 것일까?
만약 창조론자들 말대로 이 세계를 탄생시킨 조물주가 존재한다면 왜 지구는 완벽한 원이 아닌 약간 찌그러진 타원궤도를 돌고있으며, 우주는 왜 아인슈타인이
철썩같이 믿었던 정적인 우주가 아니라 가속팽창을 하는지, 왜 기형아가 탄생하고 소행성과 혜성은 우리의 생명을 위협하는지 등 수많은 질문에
반드시 대답해야만 해.
리처드 도킨스는 우리 세상을 정교한 시계와 같다고 생각했어. 장인들이 제작하는 시계는 아주 미세한 여러 부품들이 모여서 비로소 시계가 되는데,
그 수많은 부품 중 단 하나라도 없으면 시계는 정지하고말지. 시계의 입장에서 볼 때 장인들은 그 시계의 조물주가 되며, 이러한 상황은 우리 우주와 인류를
가장 잘 나타내는 표현 중 하나야.
물리학자 마틴 리스는 우주의 운명을 좌우하는 모든 상수들이 가장 적절한 값으로 세팅되어있기 때문에 평행우주가 존재해야 한다고 주장했어.
이는 마치 우리가 어떤 구두가게에 가도 내 발에 꼭 맞는 구두를 언제나 찾을 수 있다는 점과 비슷하지. 구두가게에는 가능한 모든 경우의 사이즈가 있기 때문에
우리 발에 맞는건 반드시 존재하는거야. 이 우주도 마찬가지지. 우리 우주는 비단 우리만 있는것이 아닌 수많은 평행우주들이 존재하며,
이 평행우주의 대다수는 '죽은 우주'라고해. 어떤 우주는 우주상수가 너무 커서 별이 생기기도전에 다 흩어져버리고, 어떤 우주는 핵력이 지나치게 커서
생명체가 탄생하기도전에 별이 다 폭발해서 블랙홀만 남아있겠지. 이처럼 수많은 평행우주 중 우리의 우주와 같이 모든 상수가 적절하게 정해진 우주에서
우리와 같은 생명체가 탄생했다는 것이 리스의 주장이야. 즉 우리 우주는 창조주에 의해 디자인 된 우주가 아닌, 무수히 많은 평행우주 중 생명체에게 가장
이상적인 우주 중 하나일 뿐이라는거지.
하지만 어떻게 이를 증명할 수 있을까? 아무리 완벽한 이론이라고 해도 관측이 되지 않거나 실험실에서 입증할 수 없다면 그 이론은 더이상 이론으로서의 가치를
잃게 되지. 따라서 이를 증명하는 것은 미래 과학자들의 막중한 임무야.
어찌되었든 간에 우리는 정말 극악중의 극악의 확률로 이렇게 번성하고 있음에 틀림없어. 이 중 정말로 어느 하나의 변수가 잘못되면
우리라는 존재 자체가 아예 없었을지도 모르지. 우리는 이렇게 소중한 존재이기 때문에 이 세상에 태어난 것 자체를 고맙게 생각해야 할거야.
3줄요약.
1. 생명체는 수많은 우주적 상수가 가장 적절하게 세팅되어 탄생한다.
2. 이중 하나라도 삐끗하면 생명체는 존재할 수 없다.
3. 그래서 천문학자들은 우리는 무수히 많은 우주 중 생명체가 살기 가장 이상적인 곳에서 살고있다고 생각한다.
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