하루가 모여 인생이 된다

이 세상에 아니 우주 전체에서 불멸의 존재가 있을까요?

아마 그런 존재가 없으니 꿈꾸는 것이 아닐까 생각해 봅니다.

마치 제목처럼 이번 주제를 한 가지로 결정하기가 무척 어렵네요.

개인적으로는 문명과 생명체에 대한 내용이라고 정리해봅니다.

이야기는 오늘날의 이라크인 메소포타미아로 시작합니다.

인류 최초의 문자인 쐐기문자를 사용한 곳입니다. 이 문자를 통해 인류는 천년 후의 사람들에게 말을 건넬 수 있게 됐습니다.

아마도 인류 기록상 최초로 불멸을 꿈꾼 영웅은 길가메시이지 않을까요?

이 길가메시에 대한 서사시가 처음 기록된 곳도 메소포타미아 도시 국가 중 하나인 우르크입니다.

현재까지도 전해지고 있는 길가메시의 서사시는 또 다른 형태의 불멸입니다.

이보다 더 긴 시간인 수십억년에 걸쳐 전달되어지고 있는 것이 있습니다.

바로 우리 몸 속 세포 안에 있는 DNA입니다.

DNA는 지구상의 모든 생물이 읽을 수 있는 4개의 알파벳 문자로 기록됩니다.

각 글자는 원자들로 이루어진 분자이고 각 단어는 3글자로 이루어집니다.

생명의 메시지는 오랜 세월동안 복제되어 왔지만 그 근원은 아직까지 알아내지 못했습니다.

불멸의 존재가 되기 위해서는 자신의 존재를 누군가에게 전달해야 하는 것 같습니다.

지구 생명체의 근원에 대한 가설 중 운석들이 행성에서 행성으로 보내는 운송수단 역할을 한다는 주장도 있습니다. 그 근거로 운석 대부분이 다공성으로 생명체가 숨어 있기 적당하며 일부 미생물들은 적대적인 우주 환경에서도 생존할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

마치 민들레 씨앗이 안전한 장소를 찾아 기류를 타고 날아가 전 세계로 퍼지는 것처럼 운석은 다른 행성의 대기로 들어갈 수도 있을 것이며 이 과정이 반복되면 느린 연쇄반응처럼 생명이 은하계 곳곳으로 퍼져나가게 될 것입니다.

그렇다면 우리는 어떻게 우리를 알리기 시작했을까요?

그 시작은 다이애나 프로젝트로 명명된 실험인 미국엔지니어들이 1946년에 달에 전파빔을 쏜 것입니다. 이 실험을 통해 달까지의 거리를 알아냈지만 달을 지나친 전파들은 지금도 멀리 퍼져 나가고 있습니다.

그 이후 70년 동안 지구에서 우주로 전파를 전송하고 있습니다. 만약 70광년 떨어진 별들에 속한 수많은 행성들 속에 전파망원경을 가진 문명이 있다면 우리의 존재를 알았을 수도 있습니다.

문명은 다른 생물과 마찬가지로 자연적인 원인이나 혹은 자초한 문제로 소멸하기 전까지만 유지되는 것 일수도 있습니다.

메소포타미아 역시 도시들 간의 끝없는 전쟁으로 파괴되었습니다.

또 하나의 쇠퇴원인은 그들의 기술력이 자연에 대한 지식을 앞섰다는 것입니다.

경작된 토지에 배수가 잘 되지 않은 상황에서 건조한 기후로 인해 토양의 염분이 증가하게 되었고 수확량이 줄어들게 됩니다. 결국, 이방인의 침략으로 메소포타미아 문명은 사라지게 됩니다.

이 외에도 문명을 파괴할 수 있는 요인은 다양합니다.

초신성 폭발로 발생한 우주 방사선이 대기의 오존층을 찢고 우리 문명을 파괴할 수도 있고 강력한 화산 폭발로 발생한 화산 가스들이 하늘을 뒤엎어 전 세계의 기온이 내려가 수많은 동식물이 얼어 죽을수도 있습니다. 또는 소행성과 충돌할 가능성도 있습니다.

아메리카를 침략한 유럽인들과 함께 온 박테리아와 바이러스로 원주민들 90%의 목숨을 앗아가 위대한 문명이 무너지기도 했습니다.

현재의 우리는 어떨까요?
우리의 경제 체제들이 형성될 때 지구의 자원들은 무한해 보였습니다.

그러나 사실 서로 영향을 주고받는 작은 유기체입니다.

현재 우리는 엄청난 양의 온실가스를 뿜어대고 있습니다.

이에 대해 인류가 기후 불안정을 초래하고 있다고 과학계가 입을 모아 경고해도 우리 문명은 부정하는 것 같습니다.

우리의 미래는 어떻게 될까요?

인간의 일에는 불확실성과 변수가 많아 과학을 통해 미래를 예측하기 힘듭니다.

이번 회는 전기와 자기에 관해 연구하며 평생을 바친 마이클 패러데이가 주인공입니다.

어린 시절의 패러데이는 부유하지도 않았으며 똑똑하지도 않았습니다.

21세가 되던 해, 우연히 데이비의 과학 강연을 관람한 것이 인생의 전환점이었습니다.

이 강연을 기록하여 제본소에서 배운 기술을 발휘해 만든 책을 데이비에게 선물한 일이 데이비의 조수가 될 수 있는 계기가 됩니다.

패러데이는 데이비의 조수로 시작하여 왕립연구소에서 연구를 하며 전류를 지속적인 기계적 운동으로 전환하는 최초의 모터를 만들어냅니다.

이후 자기를 띠는 물체의 운동이 전류를 발생시킨다는 것을 이용하여 발전기를 발명합니다.

운동 에너지를 전기로 전환시킴으로써 전기를 필요에 따라 이용할 수 있게 되었습니다.

이와 같은 패러데이의 연구는 사람들의 생활방식을 변화시켰습니다.

40살 무렵엔 전동기, 변압기, 발전기까지 발명합니다.

또한, 막대자석 주위를 둘러싼 보이지 않는 ‘자기장’의 존재를 밝혀냅니다.

이 자기장은 거대한 자석인 ‘지구’에도 존재합니다.

지구의 자기장은 비둘기를 비롯한 많은 새들이 길을 찾는데 이용합니다.

또한, 특정 지형에서 세기가 변하는 자기 이상이라는 현상을 통해 지형을 탐구하기도 합니다.

지구가 자기장을 가진 이유는 고체로 된 내핵 주위를 도는 액상의 철이 전류가 흐르는 전선 역할을 하기 때문입니다.

지구 자기장은 생물체들이 큰 피해를 입을 수 있는 우주 방사선으로부터 보호해 줍니다.

지구에 자기장이 있다는 증거는 바로 오로라 현상입니다.

태양에서 방출된 하전 입자들, 즉 태양풍은 지구자기장을 따라 북극과 남극으로 흘러가고 대기에 도달하면 공기 중의 산소와 질소 분자를 빛나게 만들어 오로라 현상이 발생합니다.

패러데이는 전기와 자기, 빛이라는 자연의 힘이 어떻게 함께 작용하는지 알고자 노력했습니다.

전기와 자기의 관련성을 입증한 패러데이는 자석의 힘으로 빛이 휘어지는 것을 실험을 통해 관찰함으로써 그 두 가지 힘이 빛과도 관련이 있다는 것을 입증합니다.

전자기력이 빛을 조정할 수 있음을 증명함으로써 아인슈타인을 비롯한 모든 물리학자가 우주에 숨은 원시적 힘들의 상호작용을 엿볼 수 있는 길을 열어준 것입니다.

그러나, 그가 주장한 보이지 않는 역선과 빛과 중력에 대한 설명은 확실한 근거가 없다는 이유로 멸시됩니다.

정규교육을 받지 못한 그의 약점이 정확한 방정식으로 표현되어야 하는 현대물리학이라는 벽에 부딪힌 것입니다.

20세기 초 수학자로 이름을 떨친 제임스 클러크 맥스웰은 페러데이의 이론을 정확한 수학 공식으로 만듭니다.

맥스웰은 패러데이의 전자기장에 대한 실험관측결과를 방정식으로 옮기며 불균형을 발견하고 항 하나를 추가해 균형을 맞춥니다.

수정된 방정식은 패러데이의 정지된 장을 빛의 속도로 퍼지는 파동으로 바꾼 것입니다.

우리는 이 파동을 이용해서 메시지를 전달하게 되었으며 곳곳에 흩어져 있던 인류문명을 빛의 속도로 서로 교류하는 하나의 유기체로 만들었습니다.

이번 이야기의 중심은 빅뱅의 비밀을 간직하고 있는 중성미자입니다.

각 원자는 중심에 작은 핵을 가지고 있고, 그 핵은 전자구름에 둘러싸여 있습니다.

모든 원자는 물질의 99.9%이상이 핵에 집중되어 있습니다.

원자핵을 둘러싸고 있는 전자구름은 보이지 않는 힘의 장을 생성하며 완충기 역할을 합니다.

원자핵은 원자의 나머지 부분에 비해 아주 작기 때문에 원자의 대부분은 빈 공간입니다.

지구상에서 없어서는 안 되는 원자는 탄소입니다.

모든 방향으로 연결될 수 있는 성질을 가지고 있어 어떤 원자보다도 복잡한 구조를 만들어 낼 수 있습니다.

특히, 단백질처럼 생명체에 가장 중요한 물질에 중요한 원소이므로 인간을 포함한 모든 생명들을 만들어내는 중추입니다.

우주에서 가장 풍부하고 단순한 것은 수소입니다.

수소를 둘러싸고 있는 전자구름은 한 개의 전자가 독차지하고 있습니다.

원자핵에 양성자가 둘이면 서로 밀어내는 양성자를 묶어놓으려면 중성자라는 입자가 필요합니다. 모든 원소의 핵은 양성자와 중성자의 수가 동일하게 늘어나게 됩니다.

이러한 과정은 강한 열에너지와 압력을 필요로 합니다.

태양과 같은 항성들은 어마어마한 중력을 가지고 있어 원자들을 압착합니다.

중력 에너지가 움직이는 원자들의 에너지로 전환되어 열을 만들어냅니다.

안으로 깊이 들어갈수록 압축이 더 심해지고 온도가 더 높아집니다.

태양의 중심부에서는 원자들의 움직임이 너무 빨라 서로 충돌하며 융합하게 됩니다.

태양 내부에서는 수소가 헬륨으로 융합되며 광자의 형태로 빛을 내보내게 됩니다.

태양보다 무거운 원소의 경우는 헬륨을 융합하여 탄소와 산소와 같은 중원소를 만들어냅니다.

이런 항성이 늙으면 그 원소를 서서히 우주로 퍼트립니다.

그보다 더 무거운 항성들은 빠르게 살고 이른 나이에 초신성 폭발로 생을 마감합니다.

그 폭발은 태양 중심부보다 훨씬 더 뜨거워 철 같은 원소를 그보다 더 무거운 원소로 만들어 우주로 뿜어낼 만큼 뜨겁습니다.

초신성이 폭발할 때 발생하는 모든 빛은 폭발로 발산되는 에너지의 약 1%입니다.

나머지 에너지는 우주에서 가장 흔하고 신비로운 중성미자에 실려 나갑니다.

1930년 볼프강 파울리는 에너지 보존 법칙을 이용해 중성미자의 존재를 알아내었고, 원자로의 방사성에서 최초로 발견되었습니다.

우주에서 지구로 끊임없이 내려오는 우주선들은 지구의 암석을 뚫지 못하지만 중성미자는 감속없이 통과합니다.

중성미자는 무게가 거의 없으며 물질과 거의 상호작용을 하지 않습니다.

또한, 중성미자는 초신성이 폭발하기 전 광속과 가까운 속도로 우주로 방출되어 폭발할 때 발생하는 빛보다 먼저 지구에 도달합니다.

빅뱅 초기의 우주는 크기가 작고 밀도가 매우 높았습니다.

초기 우주는 빛이 이동하기에는 너무 밀도가 높았지만 중성미자는 통과할 수 있었습니다.

이 중성미자가 빅뱅을 일으켰을 것입니다. 중성미자는 우주 도처에 있습니다.

이번 이야기는 양자 역학 이후 현대 과학이 연구하고 있는 분야에 대한 발전 과정이라고 볼 수 있습니다.

원자보다 작은 양자의 세계는 위아래좌우개념이 없고, 시간개념도 모호합니다.

원자핵이 자리 잡고 있고 전자는 주변을 돌고 있습니다.

하지만, 전자는 어디에 있는지 알 수 없습니다.

코펜하겐의 물리학자들이 이 세계를 설명하려고 시도합니다.

그곳은 조금의 예측도 할 수 없는 불확정성으로 가득 차 있었습니다.

양자의 세계는 우리가 사는 세계와 완전 딴판이어서 물리법칙도 다릅니다.

물리학자에게는 이것이 문제였습니다.

그 이유는 힘이 다르기 때문입니다. 힘은 네 가지로 나눌 수 있습니다.

첫 번째 힘은 중력이며 두 번째 힘은 이 세상에 가득 차 있는 전자기력입니다.

빛은 바로 이 전자기파의 일종입니다. 나머지 힘들은 원자의 세계 내에 존재합니다.

원자핵 속 양성자와 중성자를 결속시켜주는 힘인 강력과 우라늄이나 코발트 같은 원소에서 방사능 붕괴를 일으키는 약력이라는 힘입니다.

이 네 가지 힘을 합치는 이론이 궁극의 이론이라 생각했고 전자기력, 약력, 강력의 힘을 통일시키는 이론이 완성되었습니다.

우주는 하나의 점에서 폭발합니다. 원래 하나였던 힘이 네 종류로 분리됩니다. 가장 먼저 중력이 분리되면서 우주에

충격파를 발산시킵니다. 그 다음 강력, 전자기력, 약력 순으로 순식간에 이뤄졌습니다. 네 가지 힘을 합치면 우주의 최초를 알 수 있습니다.

아인슈타인은 이 우주가 생긴 비밀을 알고 싶었습니다. 그러나 실패합니다. 그러나 통일장 이론이 반드시 필요한 사건이 발생합니다. 바로 블랙홀로 이 곳에서는 시공간이 뒤틀리고 중력은 무한대가 됩니다. 일반 상대성 이론을 적용해야할지, 양자 역학을 적용해야할지 모르는 분야입니다.

유럽입자물리연구소(CERN)는 빅뱅과 비슷한 환경을 인위적으로 만드는 것입니다.

이것은 우주가 생긴 최초를 보는 것입니다.

가장 작은 것은 최초의 한점을 찾는다는 것 그것으로 양자역학과 중력 사이의 문제를 해결할 수 있습니다.

현재 빅뱅이 일어난 후 1조초까지 거슬러 올라갔습니다.

그러나 여전히 우주가 시작되었을 때보다도 시간이 많이 지난 후입니다.

입자 가속기 내부에서 양성자는 거의 광속도까지 가속된 후 표적에 충돌합니다.

이때 튕겨져 나온 입자들 중에 새로운 것이 있는지 관찰합니다.

1970년대에 이르러 양성자, 중성자, 전자보다 더 작은 쿼크라는 물질이 나왔습니다.

이 쿼크는 현재 6종류가 있음이 밝혀졌습니다.

전자와 성질이 비슷하면서 질량이 큰 입자인 뮤온과 타우 그리고 세 종류의 중성미자까지 12종류의 입자들이 발견되었습니다.

그런데 여기서 끝이 아닙니다.

이 입자들을 만드는 어떤 작은 것이 있다는 이론이 나옵니다.

강력을 연구하는 도중 자연스럽게 발견된 이 이론은 점이 아니라 끈이라는 것입니다.

끈은 열린 끈과 닫힌 끈 두 종류가 있습니다. 마치 4개의 줄로 많은 음을 만드는 바이올린처럼 다양하게 진동하여 온 우주를 만든다는 이론입니다.

그러나 자연을 완벽하게 설명하는 이론은 단순하고 우아하며 한 가지여야 하지만 끈 이론은 다섯 가지나 되는 문제점이 있습니다.

이 현상을 이해하려면 먼저 차원을 이해해야 합니다.

우리가 살고 있는 곳은 3차원입니다. 이것에 시간이 추가되면 4차원이 됩니다.

그러나 여분의 차원은 6가지가 더 있어 총 10차원입니다.

이것을 이해하기 위해 호스를 예를 들어봅니다.

호스는 멀리서 보면 선입니다. 그러나 가까이서 보면 개미가 기어다닐 수 있는 둘레가 있습니다.

이런 여분의 차원은 모든 점에서 존재할 수 있습니다.

게다가 이와 같은 10차원이 5개나 됩니다.

이것을 쉽게 해결한 방법이 11차원입니다.

5개의 10차원의 공간이 11차원에서는 한 개가 됩니다. 이것이 ‘M이론’이라는 새로운 이론입니다.

끈 이론이 과연 우리 질문에 마지막 해답이 될 수 있을까요?

이번 이야기는 닐스 보어가 원자 모형을 발표한 이후를 소개합니다.
원자란 물질을 구성하는 가장 작은 존재로 간단해야 합니다.

그러나, 보어의 원자 모형은 정해진 궤도에서만 전자가 돌며 에너지를 흡수하면 높은 궤도로 올라가며 에너지를 방출하며 낮은 궤도로 내려오는 복잡한 구조를 가지고 있습니다.
원자 모형에서 확실히 알 수 있는 것은 진동수와 세기 뿐입니다.
그렇다면 원자 모형도 이 두가지를 설명해야 되지 않을까요?

베르너 하이젠베르크는 기존 문제점을 해결하기 위해 보어의 원자모형에서 관찰되지 않는 전자의 궤도를 제거합니다.
행렬수학은 양자역학을 기술하는데 적합한 언어임이 증명되었습니다.
행렬에서 앞과 뒤를 바꿔 곱하면 완전히 다른 값이 되는 것처럼 하이젠베르크는 원자의 위치와 빠르기는 행렬처럼 순서가 의미를 가진다는 것을 알게됩니다.
원자 안에서 전자의 진동수와 세기를 알아낼 수 있는 행렬역학을 만들어 냅니다.
그러나, 계산이 복잡하고 난해했습니다.

이와 비슷한 시기에 에르빈 슈뢰딩거가 파동방정식을 발표합니다.
계산한 과정은 반대인데 그 결과는 하이젠베르크와 같았습니다.
또한, 슈뢰딩거는 하이델베르크가 보이지 않는다고 없애버린 전자의 궤도를 물질파를 이용해 다시 살려 놓습니다.
그러나 "왜 전자가 궤도를 뛰어넘는가?"라는 질문에는 대답하지 못합니다.

결국, 슈뢰딩거의 생각이 옳지 않다는 증거가 나왔습니다.
슈뢰딩거가 묘사했던 파동은 의미가 없어졌습니다.
슈뢰딩거의 파동은 하나의 공간 안에 있습니다.

그러나 입자가 늘어나면 그 공간에 더이상 적용이 불가능 하다는 것을 하이젠베르크의 스승인 막스 보른이 밝혀냅니다.
보른은 일명 확률해석이라는 것이 필요하다고 보았습니다.
입자 하나하나가 특정 공간에 있다가 확률에 따라 교체된다고 확신했습니다.
전자가 어떤 공간에 확률적으로 존재한다는 것입니다.
일상에서 확률은 감각적으로 경험됩니다.

그런데 전자의 위치를 확률적으로 알 수 있다는 말은 무슨 뜻일까요?
물론 우리 세계에서는 불가능합니다.
양자역학의 대가 파인만은 "양자역학을 제대로 이해하고 있는 사람은 아무도 없다."고 말할 정도였습니다.

구멍이 두 개 뚫린 슬릿에 광자를 통과시키는 실험을 해봅니다. 광자와 전자는 이중슬릿에서 똑같이 반응합니다.

하나씩 쏘면 파동의 성질을 가질 때 나타나는 파형이 나타납니다.

이중 슬릿을 통과한 전자는 벽 어디에서나 발견될 수 있습니다. 그러나 가장 가운데 있는 지점에서 발견될 활률이 가장 높습니다.

이 지점에서 전자가 발견되면 이 때의 확률은 1이되며 다른 지역의 물질파들은 모두 사라지게 됩니다.

그런데 이중슬릿 실험을 관측 장치를 달면 이런 현상이 나타나지 않게 됩니다.

전자가 두 슬릿 중 하나를 통과했다고 알아채는 순간 슬릿에는 파동의 형태가 나타나지 않게 됩니다.

파동의 물질인 전자는 관측 전에는 여기저기에 존재합니다. 관측을 하게 되면 파동인 전자가 갑자기 수축해 입자로 보입니다.

슈뢰딩거는 이런 현상을 보고 '슈뢰딩거의 고양이'로 알려진 역설을 제안합니다.

아인슈타인도 이것을 이해하지 못했습니다.

하이젠베르크는 원자란 본질적으로 이해할 수 없는 것이라고 결론을 내립니다.

그럼 현실에서 원자를 보려면 어떻게 해야 할까요? 빛을 비춰서 보면 됩니다.

원자 안에 파장이 긴 빛을 비추면 움직임은 빠르지 않아 잡을 수 있으나 위치가 희미하여 보이지 않습니다.

파장이 짧은 빛을 비추면 전자는 보이지만 너무 빠르게 움직입니다. 전자의 위치는 알 수 있지만 운동성은 측정이 안됩니다.

이것이 바로 하이젠베르크의 불확정성 원리입니다.

즉, 위치와 운동량을 정확하게 알 수 없습니다.

하이젠베르크는 불확정성 원리가 양자의 세계를 열어줄 것으로 생각했습니다.

보어는 자신의 이론인 상보성의 원리를 위에 넣고 싶어했습니다.

상보성 원리는 위치를 정확하게 파악하려고 하면 전자가 너무 빨리 움직이니 전자의 위치를 측정할 땐 운동성은 배재한다는 것입니다.

이 둘의 논쟁은 끝이 나지 않았습니다.

이전 세상에선 모든 것이 예측 가능했습니다.

이제 세상은 불확정성이 가득한 모호한 세상이 되고 말았습니다.

이 세계에 사는 우리는 결코 그 세계를 이해할 수 없습니다.

치열한 논쟁 끝에 우리 인간이 얻은 답입니다.

아인슈타인은 죽을 때까지 자신의 관점을 바꾸지 않았습니다.

아인슈타인의 비판에 대한 답을 생각하는 과정에서 양자역학은 더욱 발전했습니다.

세상은 무엇으로 이루어져 있는가?

문명이 시작될 때부터 인류가 가장 알고 싶었던 문제입니다.

이번 이야기는 물질을 구성하는 가장 작은 입자인 ‘원자’에 대한 이야기입니다.

1803년 돌턴은 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 입자인 원자로 구성되어 있다는 가설을 발표합니다.

이것으로 세상은 설명되는 것 같았습니다. 그러나 그것이 끝이 아니었습니다.

빌헬름 뢴트겐은 금속이 원자에 부딪칠 때 나오는 짧은 파장(X선)이 손을 투시할 수 있다는 것을 발견합니다.

퀴리 부인은 라듐의 원자 안에서 엄청난 에너지가 끊임없이 나오는 것을 발견합니다.

원자 내부를 알아내려고 노력한 사람들도 있었습니다.

J.J 톰슨은 음극선을 실험을 통해 음극선이 바람개비를 돌릴 수 있다는 것을 알아냅니다. 이것은 음극선이 질량을 가지고 있다는 것을 의미합니다. 또한, 자기장을 걸어주면 특정 방향으로 휘어지는 것을 알아냅니다. 

위 실험들을 통해 톰슨은 원자 안에 있는 전자의 존재를 알아냅니다.

또한 원자는 전기적으로 중성이므로 전자와 반대인 양성자도 존재한다는 것을 예측합니다.

어니스트 러더퍼드의 제자들은 2년 동안 알파 입자가 얇은 금박지를 통과하는 실험을 하고 있었습니다.

얇은 금박지에는 원자 400개가 들어 있지만 알파 입자는 전자보다 7,500배 무거운 입자입니다.

따라서, 알파 입자를 금박지에 쏘면 그냥 뚫고 나갑니다.

러더퍼드는 이 실험을 통해 통과하지 못하고 조금이라도 휘어지는 알파 입자를 찾아내려고 했습니다.

결국 금박지에서 튕겨 나오는 알파 입자를 발견합니다. 이 현상은 1/8,000의 확률이었습니다.

이것은 알파 입자가 뚫지 못하는 단단한 입자가 있다는 것을 의미하며 러더퍼드는 양의 성질을 가진 원자핵이라고 생각합니다.

이로써 태양계의 운동과 닮은 원자 모형을 생각해 냅니다.

그러나, 러더퍼드의 원자 모형에는 큰 문제점이 있었습니다.

원자핵과 전자는 전기적으로 서로 반대 성질을 가지고 있으므로 원자핵이 더 가벼운 전자를 끌어당길 것입니다.

닐스 보어는 동료들이 원자 안에서 무언가를 찾으려 할 때 어떻게 전자가 원자핵으로 끌려 들어가지 않고 회전하고  있는지에 대해 의문을 가지고 원자가 붕괴되지 않는 이유를 찾으려고 노력합니다.

1913년 27살이 되던 해에 우연히 발머가 만들어 낸 수소의 선스펙트럼이 나와 있는 공식을 보게 됩니다.

스펙트럼이란 빛의 파장을 순서대로 나열한 것입니다.

태양의 경우 모든 진동수의 빛을 방출하기 때문에 연속 스펙트럼을 형성합니다.

반면 원자의 경우에는 선에 해당하는 에너지의 진동수만 방출하기 때문에 낱낱의 선으로 나타납니다.

보어는 이 공식과 에너지는 불연속적으로 나온다는 플랑크 이론을 통해 원자 구조에 대한 힌트를 얻습니다.

전자가 원자 안에서 불연속적으로 이동한다는 것을 토대로 수소 원자의 에너지 준위를 만들어 냅니다.

물론 이 원자 모델은 이후 다시 수정됩니다.

물질을 구성하는 가장 작은 입자에 대한 여정은 다음 이야기로 이어집니다.

이번 이야기는 빛은 우리를 축복하기 위해 먼 곳에서부터 오는 것이라 믿었을 때부터 20세기 초 아인슈타인이 나타나기 전까지 빛을 쫓았던 사람들에 대한 것입니다.

물의 도시 베네치아에서 대학 교수로 일했던 갈릴레오부터 시작합니다.

갈릴레오는 이미 네덜란드에서 만들어진 망원경을 모방하여 1609년에 9배의 배율을 가진 망원경을 만들어 냅니다.

이 망원경은 배율이 약한 볼록렌즈와 배율이 강한 오목렌즈를 이용하여 높은 배율과 선명한 색상을 가진 정립상을 볼 수 있습니다.

그 당시 많은 사람들은 망원경을 이용하여 땅에서 나온 빛을 보는 것에만 만족했지만 갈릴레오는 하늘에서 오는 빛을 관찰했습니다.

가장 먼저 하늘에 있는 달을 관측하여 달이 평평한 원이 아니라 구멍과 돌기로 덮힌 울퉁불퉁한 구형이라는 것을 알아내고 1610년에 ‘별들의 소식’이라는 책을 출간하여 대중들에게 공개합니다.

또한, 목성을 관측하여 목성 주변의 작은 별들을 보며 그들의 운동을 기록합니다.

처음에는 목성이 움직이는 것인 줄 알았으나 지속적인 관측을 통해 알 수 없는 별들의 움직임은 목성을 돌고 있는 네 개의 달이었다는 것을 알게 됩니다.

갈릴레오는 자신이 하늘을 관측한 자료를 토대로 달이 지구를 따라서 태양 주위를 돌고 있다는 것을 보여주고 싶었고 목성의 달들이 그 증거가 되었습니다.

한편 갈릴레오는 빛의 속도를 알아보기 위해 조수와 함께 산꼭대기에서 실험을 합니다.

빛의 속도는 너무 빠르기 때문에 이 실험을 통해 알아내지는 못했으나 빛은 순식간에 오는 것이 아니라 어떤 속도를 가지고 있음을 알아냅니다.

갈릴레오 이전에 빛은 천상에 있고, 땅에 가득 차 어두운 곳을 밝혀주는 곳이었지만 조금씩 빛에 대한 신비감이 사라집니다.

아이작 뉴튼은 빛을 연구하다가 거울을 이용하여 만든 40배 배율을 가진 망원경을 계기로 왕립학회 회원으로 선출될 정도로 빛에 대해 알려고 많은 노력을 합니다.

심지어 색이 나타나는 것을 알기 위해 뜨개바늘을 눈과 뼈 사이로 집어넣어 최대한 눈 뒤쪽까지 집어넣는 위험한 짓도 합니다.

이 색을 연구한 역사는 그리스 시대부터 시작됩니다.

엠페도클레스는 눈에서 빛이 나오기 때문에 우리가 사물을 볼 수 있다고 생각했습니다.

아리스토텔레스는 사물 안에 색이 들어 있어 빛이 없어도 존재하는 것이라고 생각했습니다.

유클리드는 빛이 직선으로 진행한다는 것을 알아냈습니다.

알하첸은 물체가 빛을 반사한다는 사실을 알아냅니다.

데카르트는 색이란 빛이 물체에 닿았을 때 변형되어 생긴 것이라고 한 것처럼 시대에 따라 색에 대한 생각이 달랐습니다.

뉴튼은 한 가지 실험을 통해 모든 사람들이 빛에 기본 성질을 잘 못 이해하고 있다는 것을 알아냅니다. 이 실험은 1665년 로버트 훅은 빛을 이용한 현미경을 통해 눈에 보이지 않는 작은 것들의 세계를 보여준 책에서부터 시작됩니다.

그러나 뉴튼은 데카르트의 빛 실험에 관심을 가지게 됩니다.

프리즘에 빛줄기를 통과시켜 5센티미터 떨어진 종이 위에서 빨간색 점과 파란색 점 두 개가 나타나 있었습니다.

뉴튼은 데카르트보다 먼 6.6미터 떨어진 벽에 빛을 쏘아 나타난 스펙트럼의 길쭉한 모양에 더 큰 관심을 가지게 됩니다.

또한, 색이 프리즘을 통과해서 생기는 것인지 프리즘을 통과하기 전 빛 자체에 있는 것인지에 대해 의문을 가지게 됩니다.

그래서, 뉴튼 스스로 ‘결정적 실험’이라고 이름을 붙인 두 개의 프리즘을 이용한 실험을 합니다. 빛 한 줄기는 첫 번째 프리즘에서의 굴절률이나 두 번째 프리즘에서의 굴절률이 같습니다. 프리즘 때문이라면 두 번 프리즘을 통과한 색은 굴절률이 달라야 합니다.

하지만 첫 번째 프리즘에서 굴절한 파란색의 각도는 두 번째 프리즘에서도 똑같았습니다.

결국 색은 바로 빛 속에 있다는 것을 알게 됩니다.

빛의 본질에 더 가까이 다가가기 위해 전기와 자기에 대해 알아야 됩니다.

1825년 마이클 패러데이는 전자기 유도 현상에 대한 강연을 합니다.

이 강연을 통해 제임스 클럭 맥스웰은 전기와 자기의 관계인 전자기파를 알아냅니다.

이 당시 맥스웰이 계산한 전자기파의 속도는 빛의 속도와 같은 결과가 나왔습니다.

결국, 빛과 전자기파는 같은 것이라는 것을 알게 됩니다.

뉴튼이 연구한 스펙트럼은 빛의 색에 따라 파장이 다르기 때문에 나타난 현상이었습니다.

코스모스의 역사와 규모는 빛으로 기록됩니다.

이번 이야기의 주요 내용은 빛의 성질을 알고자 노력한 과학자들의 이야기입니다.

중국의 전국시대 묵자라는 철학자부터 이야기는 시작됩니다.

묵자는 암상자를 이용하여 최초의 카메라의 원리를 알아냈습니다.

그러나 그가 세상을 떠난 몇 백년 후 중국을 최초로 통일한 진시황의 분서갱유로 수많은 철학자들의 서적을 불태웁니다.

역시 과학은 표현의 자유라는 빛이 필요합니다.

이라크의 바스라에서 이본 알-하이삼이라는 이슬람 천문학자는 어두운 천막에 빛이 한 줄기만 나오게 만들어 빛이 직선으로 움직임을 알아냅니다.

이 원리를 이용하여 암상자를 만들기도 합니다.

그러나 암상자는 낮처럼 밝을 때만 상을 맺을 수 있으며 밤하늘의 별을 보기 위해서는 더 많은 빛을 모을 수 있는 장치가 필요합니다.

이 문제는 1609년 갈릴레이가 천체 망원경을 발명함으로써 해결되었습니다.

아이작 뉴튼은 빛에 대해서도 연구를 했습니다.

프리즘을 이용하여 빛을 분산시켜 봄으로써 빛은 무지개 색의 혼합물이라는 것을 알아내었고, 이것을 라틴어로 유령을 뜻하는 스펙트럼이라 불렀습니다.

그 뒤를 이어 윌리엄 허셜은 색과 온도의 관계를 알아보기 위한 실험을 했습니다.

그 당시 프리즘의 붉은색 빛 바깥쪽은 햇빛이 비치지 않는 곳으로 생각했습니다.

허셜은 그 부분을 통제 표본으로 설정하고 붉은색 빛과 푸른색 빛의 온도를 비교했습니다.

그 결과 통제 표본으로 설정한 부분의 온도가 가장 높게 변했고, 이 보이지 않는 광선을 적외선으로 명명하게 됩니다.

이번 이야기의 마지막 과학자인 요제프 프라운호퍼는 뛰어난 광학기기 설계자입니다.

그는 프리즘이 생성하는 스펙트럼을 더욱 선명하게 볼 수 있는 방법을 연구합니다.

이 부분에서 음파와 광파를 비교하며 프리즘의 원리에 대해 설명합니다.

음파는 파장에 따라 음이 달라지지만 광파는 파장에 따라 색이 달라집니다.

따라서, 파장이 다른 각각의 빛은 프리즘 안에서 다른 속도로 움직입니다.

파장이 짧은 보라색 빛은 붉은색 빛보다 속도가 느려지고 속도 차이에 의해 색들이 분리됩니다.

프라운호퍼는 스펙트럼에서 수직의 검은 선들을 발견합니다.

이것은 특정한 파장을 흡수할 때 나타나는 것으로 태양 대기의 원자들이 흡수하여 생긴 것입니다.

스펙트럼에서 나타나는 검은 선을 통해 별의 구성원소들을 알 수 있게 된 것입니다.

결국, 스펙트럼선은 우리가 볼 수 있는 코스모스가 모두 같은 원소로 구성되어 있음을 알게 해 주었습니다.

우리는 프라운호퍼 덕분에 다른 세계의 대기와 수백만 광년 떨어진 은하계가 어떤 물질로 이뤄졌는지를 알 수 있습니다.

우리 주변에는 가시광선 이외에도 X선, 감마선, 적외선, 라디오파 등 많은 빛이 있습니다.

이러한 빛들은 우리에게 우주의 다양한 모습을 보여주고 있습니다.

묵자에서부터 프라운호퍼까지 이어진 빛에 대한 연구는 우리가 우주에 대해 알 수 있는 단서를 제공했습니다.

“보이는 것이 전부는 아닙니다. 감각은 우리를 속일 수 있죠. 별들도 마찬가지입니다. 과학이 발견한 코스모스는 상상 이상으로 신비롭습니다.”라는 나레이션으로 시작합니다.

이 나레이션에서 이번 다큐멘터리의 제목인 ‘밤하늘의 유령’은 별을 의미한다는 것을 유추할 수 있습니다.

개인적으로는 이번 다큐멘터리는 추상적으로 설명하는 부분이 많아서 다큐 자체가 유령처럼 느껴집니다.

이번 회의 주인공은 ‘코스모스’를 누구보다 깊이 들여다봤던 사람이자 망원경이 타임머신이라는 것을 처음 이해한 과학자 윌리엄 허셜입니다.

윌리엄 허셜은 최초로 천왕성을 발견한 영국의 천문학자이며 포토그래피, 네거티브, 포지티드의 명칭을 제안하기도 했습니다.

왜 별이 밤하늘의 유령일까요? 바로 별빛을 본다는 것은 먼 과거를 보는 것이기 때문입니다.

그 이유를 설명하자면 가장 가까이에 있는 별인 태양은 지구로부터 1억 5천만 킬로미터라는 매우 먼 거리에 있습니다. 이 거리는 빛의 속력으로도 8분이나 걸려야 도착할 수 있는 거리입니다. 이 말은 결국 우리가 보는 태양 빛은 8분 전 과거의 태양에서 출발한 빛이라는 것이라는 것에서부터 점차 거리가 먼 별, 즉 점차 오래된 별빛을 소개하며 최종적으로 134억 년 전에 보낸 우주의 1세대 별들이 보낸 빛을 보여줍니다. 이 별은 과연 지금도 그 자리에 있을까요?

결국 존재하지 않지만 볼 수 있는 물체인 유령이라고 할 수 있지 않을까요?

윌리엄 허셜은 또한 뉴턴이 발견한 중력이 행성의 운동을 유지해주는 것뿐만 아니라 별들의 운동 역시 서로 회전하는 운동을 유지해준다는 것을 알게 됩니다.

빛의 물리적 성질을 연구하기 위한 과학자들은 많습니다.

그 중 아인슈타인은 빛의 속도에 대해 생각합니다. 어떤 물질도 빛의 속도로 이동하거나 그보다 빨리 이동할 수 없습니다. 심지어 빨리 달리고 있는 오토바이에서 발생하는 빛도 광속으로 이동합니다. 논리적으로는 광속의 99.9%까지 가능하며 이 경우 생체시간까지 느려지게 됩니다. 빛의 물리적 성질 대해 더 자세히 알고 싶으신 분에게 EBS 다큐프라임 ‘빛의 물리학’을 추천합니다.

마지막으로 암흑성 즉, 블랙홀에 대해 설명합니다.

블랙홀을 설명하기에 앞서 블랙홀의 존재를 처음 제안한 존 미첼에 대해 소개합니다.

블랙홀은 별의 중력이 지구 중력의 수백만 배가 되어 빛조차 나가지 못하는 항성입니다.

가시 광선으로는 관측할 수 없으며 X선을 이용하면 1억 도가 넘는 가스 원반을 관측할 수 있습니다.

블랙홀은 대체로 작은 별과 함께 쌍성계를 이룹니다. 블랙홀 주변의 큰 별의 대기 물질이 응축원반으로 빨려들어 가면 ‘사건 지평선’인 빛이 탈출할 수 없는 블랙홀의 경계부분으로 빨려 들어갑니다.

사건 지평선으로 빨려 들어가면 누구도 되돌아올 수 없는 미지의 세계로 들어섭니다.

블랙홀이 우주의 터널일 가능성이 매우 높기 때문에 우주의 다른 시간과 공간을 체험할 수도 있습니다. 빛보다 빨리 이동할 수 없다는 상대성 이론의 첫 번째 법칙을 피한 것입니다.

공간이 뒤틀어지면 공간과 연결된 시간도 뒤틀어지게 됩니다.

진행자가 고등학생인 시절의 과거로 돌아가 칼 세이건과의 추억을 회상하며 끝맺습니다.

다큐 코스모스 다큐멘터리 시리즈 중 내용에 가장 적합한 제목이 3부의 제목이 아닌가 생각합니다.

이번 내용은 인류가 탄생하면서 자신들이 이해하지 못해 두려워하는 자연 현상을 과학적 지식을 습득하며 그 두려움을 해소하는 과정을 혜성을 이용했습니다. 특히 혜성을 밝혀내는 데 큰 역할을 한 과학자들을 소개하며 그 내용을 전달하고 있습니다.

인간이 다른 동물에 비해 가장 큰 강점은 지능입니다.

인간은 지능을 통해 일정하게 반복하고 있는 자연의 패턴을 알아냅니다.

규칙적인 별들의 움직임으로 계절의 변화를 알아내어 달력을 만들기도 합니다.

그러나 갑작스럽게 출현하여 하늘의 질서를 어지럽히는 혜성만큼은 고대인들에게 가장 두려운 존재였습니다.

그래서 각 나라의 문화에 따라 다르지만 대체로 전쟁이나 전염병 같은 좋지 않은 징조로 생각했습니다.

물론 현대 과학은 혜성이 오르트 구름에서부터 온다는 것을 네덜란드 천문학자 얀 오르트로 인해 알게 되었습니다.

그렇다면 혜성 역시 자연의 규칙적인 현상 중 하나라는 것을 알아냈을까요?

이것을 밝혀낸 에드먼드 헬리를 중심으로 다음 이야기를 이어갑니다.

이 부분은 아이작 뉴턴과 에드먼드 헬리 그리고 로버트 훅, 이 세 사람이 얽힌 이야기와 이들이 남긴 훌륭한 업적들도 적절하게 버무려 소개하면서 재미있게 표현했습니다.

이 이야기의 주인공은 헬리 혜성의 주기를 알아낸 에드먼드 헬리입니다.

에드먼드 헬리가 소년 시절일 때까지도 혜성은 인간에게 두려운 존재였습니다.

그러나 이 소년만큼에게는 혜성의 출현이 호기심을 자극하는 데 충분했었습니다.

20대에 남반구 별자리표를 완성하기도 했습니다.

이 시기쯤 태양계 행성들의 공전에 대해 설명할 수 있는 케플러 법칙이 발표되었습니다.

그러나 케플러 법칙은 행성들의 운동은 설명할 수 있었지만 왜 그렇게 운동하는지는 알 수 없었습니다.

헬리는 이것을 알기 위해 용수철의 탄성에 대한 법칙을 밝혀낸 로버트 훅에게 자문을 구했지만, 훅은 증명할 수 있다는 허세만 부릴 뿐 설명하지 못합니다.

훅의 변명에 질린 헬리는 아이작 뉴턴을 찾아가게 됩니다.

드디어 두 과학자의 역사적인 만남을 하게 됩니다.

뉴턴은 당연하게도 자신이 알아낸 중력을 이용하여 헬리에게 알려줍니다.

헬리는 뉴턴의 훌륭한 업적들을 자비를 들여 '자연 철학의 수학적 원리'라고 불리는 '프린키피아'라는 책을 출판하게 됩니다.

이로써 뉴턴의 천재성이 세상에 알려지게 됩니다.

이것을 인연으로 헬리는 뉴턴의 상담사 역할도 하는 좋은 친구가 됩니다.

에드먼드 헬리는 뉴턴의 친구이며 자신 역시 뛰어난 과학자입니다.

지구자기장을 알아내고, 뛰어난 사업가이며 잠수정 설계를 하는 등 훌륭한 업적을 남깁니다.

특히 주변 사람들에게 피해를 주기 싫어하는 성격 탓에 본인이 직접 실험을 했다고 합니다.

이러한 업적보다는 뉴턴이 알아낸 원리를 이용하여 헬리 혜성의 주기가 76년이라는 것을 알아냅니다.

그 당시 과학이 아직까지 할 수 없었던 예측을 하는 큰 업적을 남깁니다.

이것을 통해 이번 시리즈의 제목처럼 혜성이 두려움을 주는 미지의 존재가 아닌 자연의 일부임을 알게 되었습니다.

헬리의 행동이 결국 지식이 쌓여 인간의 두려움을 극복할 수 있는 시작이 되었습니다.