무한상상, 우주의 본질과 존재의 본질

 

 

 

 

과학에 길을 묻다! 금요일 - 김희준 교수님과 함께하는 ‘원소에 묻고’ 무한상상! 나눔 기자단 2014/04/23 14:33 http://nsm2010.blog.me/150189286092 전용뷰어 보기     「과학에 길을 묻다! 금요일」 김희준 교수님과 함께하는 ‘원소에 묻고’   ​1974년 11월 16일, 푸에르토리코 아레시보 남쪽에 위치한 전파천문대인 아레시보 천문대. 이곳에서 우리 지구인들은 우주 어딘가에 있을지도 모를 외계인을 향해 메시지를 쏘아 올렸다. 일명 아레시보 메시지(Arrecibo message). 지구로부터 약 22,800 광년 떨어진 헤라클레스자리의 구상성단 M13을 향해 방출된 이 메시지는 1679개의 0과 1의 2진법으로 표현되었다. 만약 이 메시지가 M13 성단의 별들에 도달하여 생명체가 답장을 한다면, 우리는 그 답장을 약 4만5천년 뒤에 받아보게 될 것이다. 4월, 금요일 오후 4시 국립과천과학관 상상홀에서 김희준 교수님과 함께하는 ‘원소에 묻고’, 그 시작을 알리는 것은 아레시보 메시지였다. 그렇다면 외계인에게 쏘아올린 이 메시지 안에는 어떤 내용들이 담겨 있을까? ​ ​ ​▲ 아레시보 메시지 ​ 아레시보 메시지에 담긴 내용을 위에서부터 순서대로 살펴보면 다음과 같다. ​ ① 십진법 1에서 10까지의 수를 이진수로 나타내는 방법을 보여준다. 이러한 이진수는 메시지의 다른 부분에서도 사용 되며, 각각의   숫자를 나타낼 때 표시점도 함께 사용됨을 알려준다. (표시 점은 그림 오른쪽에서 네모로 표시되었다) ② 생명체에 필수적인 5가지 원소 - 수소(H), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 인(P)의 원자번호를 나타낸다. ③ 생명체에 중요한 6가지 분자 - 디옥시리보오스(COH), 인산염(OP), 그리고 DNA유전정보를 구성하는 4가지 염기인     아데닌(CHN), 티민(CHNO), 시토신(CHNO), 구아닌(CHNO)의 화학식과 이들이 결합하는 방식을 보여준다. ④ 인간 염색체에 있는 염기쌍의 수 (실제로는 약 28억 개인데 메시지에는 약 43억 개로 표시되었다)를 나타내며,     이들이 이중나선 구조를 하고 있음을 보여준다. ⑤ 평균적인 사람의 키를 나타낸다. 이진수 1110 은 14를 나타내는데, 외계인이 길이를 판단할 수 있는 유일한 근거는     메시지가 담긴 전파의 파장이 12.6cm이므로 신호가 나타내는 키는 14 × 12.6cm = 176.4 cm이다. ⑥ 사람의 모습을 나타내고 있다. ⑦ 1974년 당시의 세계 인구수 약 43억을 나타낸다. ⑧ 태양계를 나타내는데 사람이 사는 행성은 태양으로부터 3번째임을 보여준다. ⑨ 메시지를 보낸 아레시보 망원경의 모습을 보여준다. 초점에서 발사된 신호가 망원경의 둥그런 접시에서 반사되어     평행하게 나가는 모습을 상징하였다. ⑩ 맨 아래에 있는 숫자는 망원경의 지름 약 305m를 나타낸다. 이것도 메시지의 파장을 단위로 하여     2430 × 12.6cm = 306.2 m ​ 아레시보 메시지에 나와 있는 것과 같이, 人間을 포함한 모든 生命體는 5가지 元素 수소(H), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 인(P)을 중심으로 이루어졌다. 그리고 이 원소들은 여러 가지 분자들을 이루고, 분자들은 여러 가지 물리, 화학적 작용들을 통해 우리 몸속에서 중요한 일들을 담당하고 있다. 우리가 살고 있는 이 세상도 여러 가지 元素로 이루어져 있다. 우리가 살고 있는 地球는 철, 니켈과 같은 무거운 원소들을 중심으로 산소, 규소, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘 등으로 이루어진 단단한 껍질, 지각에 둘러싸여있다. 이 지구는 태양으로부터 3번째 떨어진 行星으로, 水素가 核融合을 이루며 활활 불타고 있는 별인 太陽 주위를 1년에 한 바퀴씩 회전하고 있다. 도대체 이 세상을 이루고 있는 수많은 元素들은 어떻게 생겨났을까? 宇宙 誕生의 始初, 빅뱅의 瞬間으로 거슬러 올라가보자.​ ​ ​ ● 우주탄생의 瞬間, 빅뱅(Big bang) ​ ​ ▲ 빅뱅이론(Big bang theory) ​ 빅뱅(Big bang)은 우주 기원 이론에 관한 가설중의 하나로, 대폭발 우주론이라고도 한다. 우주의 초기에는 모든 물질과 에너지가 한곳에 모여 고온도, 고밀도 상태로 있었는데, 이것이 대폭발을 일으켜 팽창하여 우주가 생겨났다는 것이다. 우주의 기원을 설명하기 위해 제안된 빅뱅이론은 우주에 존재하는 원소의 기원을 설명하는 데에도 큰 성공을 거두었다. 빅뱅이론을 제안한 조지 가모프(George gamow, 1904-1968)는 “오리와 감자 한 접시를 요리하는 것보다 더 짧은 시간에, 원소들이 요리되었다.”고 큰소리치기도 했지만 빅뱅에 의한 핵 합성은 헬륨이나 리튬과 같은 몇 가지 가벼운 원소의 생성을 설명하는데 그쳤다. 그렇다면 宇宙에 存在하는 탄소나 산소, 철과 같은 무거운 원소들은 언제 어디서 형성된 것일까?​ ​ ​ ● 빅뱅으로부터 수소와 헬륨과 같은 가벼운 원소가 생성되었다 빅뱅 이후 급격히 식어가던 우주는 채 1분도 되지 않아서 양성자와 중성자를 생성하였다. 그리고 중성자와 양성자는 서로 결합하여 보다 더 안정한 헬륨 핵(4He)합성을 시작하였다. 그런데 2개의 양성자와 2개의 중성자로 이루어진 헬륨 핵이 형성되기 위해서는, 양성자와 중성자로 이루어진 중수소 핵(2H)이 먼저 형성되어야 했다. 하지만 아직 우주 온도가 너무 높아 중수소는 형성되자마자 파괴되었으므로 우주 온도가 10억K으로 떨어진 이후에야 중수소가 안정적으로 형성되어 헬륨(4He)의 형성이 본격적으로 시작되었다.   빅뱅 후 3분이 지나자 우주 온도는 3억 K로 떨어졌고, 그동안 우주에 존재하는 헬륨과 중수소 대부분이 형성되었다. 그동안 헬륨 핵 속에 갇힌 중성자와 달리 자유 중성자는 불안정하여 양성자로 붕괴를 계속하였는데 이 무렵의 양성자와 중성자의 비율은 약 7:1이 되었다. 중성자는 모두 양성자와 결합하여 헬륨(4He)을 이루어서 우주를 구성하는 물질 중 약 75%는 수소(양성자)이고 나머지 25%는 헬륨이 되었다. 이후에도 이 비율은 거의 고정되었는데, 헬륨(4He)는 안정적이어서 다른 원자로 변하지 않고 계속 남아있다. ​ 빅뱅으로 인한 핵 합성은 헬륨 외에도 약 1%의 중수소와 약간의 리튬(Li), 베릴륨(Be), 붕소(B)를 생성하였지만, 이보다 더 무거운 원소, 예를 들어 생명체를 구성하는데 필수적인 탄소나 산소 같은 원소는 만들지 못했다. 보다 무거운 원소를 만들려면 더 높은 온도가 필요했지만 우주는 팽창으로 인해 빠르게 식어가고 있었기 때문이다.     ● 별은 일생을 통해서 가벼운 원소를 무거운 원소로 합성한다​ ​▲ 거성 베텔기우스의 상상도. 거성 내에서 가벼운 원소는 무거운 원소로 순서대로 합성된다. ​ ​무거운 원소들이 빅뱅에서 만들어지지 않았다면 언제 어디서 만들어졌을까? 별은 성간가스와 먼지들의 중력수축으로 생성된다. 중력수축으로 별의 중심온도가 올라가서 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵융합 반응이 시작되면 별의 중력수축은 멎게 된다. 핵융합 반응의 결과로 생성된 열이 복사선 형태로 방출되면서 열 팽창력이 중력과 힘의 평형을 이루어 균형 상태를 유지하기 때문이다. 별의 핵연료가 고갈되면 별의 중심은 다시 냉각되어 수축함으로 중심온도가 올라가 새로운 핵융합반응을 유도하는 과정을 되풀이한다. 다시 말해, 별은 모든 종류의 원소를 생산하는 용광로같이 된다. 다음 표는 태양질량의 25배 되는 별의 일생의 마지막 단계에서 원자핵 합성이 어떻게 일어나는지를 계산한 결과이다. ​ ​ ​ ▲ 중원소의 합성 ​ ​物質의 本質을 더 보편적으로, 더 근본적으로 설명하려는 사람들의 노력은 눈에 보이는 복잡다단한 물질들이 아주 단순한 기본 물질로 구성되어 있을 것이라는 생각을 불러 일으켰다. 그리고 생각은 우주탄생의 첫 순간인 빅뱅에 이르기까지 거슬러 올라갔다. 原子의 槪念을 처음으로 설파한 기원전 5세기의 데모크리토스에서부터 시작해 자연과학의 역사에서 가장 거대하고 정밀한 입자 물리학의 ‘표준모형(standard model)’에 이르기까지. 물질의 근본에 대한 인간의 탐구는 끊이지 않을 것이다.   科學의 本質이 무엇인지 생각해 본 적이 있는가? 4월 26일까지 국립과천과학관 상상홀에서 진행되는 「과학에 길을 묻다」 공개학습 마당은 우리를 과학의 본질 속으로 한걸음 더 나아갈 수 있게 해줄 것이다. 매주 금요일 진행되었던 ‘원소에 묻고’, 광주과기원 기초과학부 김희준 교수님의 강연은 다가오는 25일, <원소의 기원>에 대한 주제로 대단원의 막을 내릴 예정이다. 강연 예약, 각 날짜별 세부주제 등 자세한 사항은 과천과학관 홈페이지에서 확인할 수 있다. ​ ​ ​ <참고자료 및 출처> 사진출처 : NASA 이강영, LHC 현대물리학의 최전선, 사이언스북스, 2011 존 그리빈; 남경태 옮김, The universe : a biography, 들녘, 2010 위키백과, 두산백과, 지식채널 e ​ [출처] 과학에 길을 묻다! 금요일 - 김희준 교수님과 함께하는 ‘원소에 묻고’|작성자 국립과천과학관