제5장 필름을 거꾸로 돌리면

44번째 밤: 점검표로 보낸 하루

마흔넷째 날, 누르는 거의 하루 종일 점검표와 함께 보냈습니다. 일주일 뒤 누르와 토마스는 우주 유영을 나가, 정거장 뼈대 바깥쪽의 낡은 부품 하나를 갈아 끼울 예정이었습니다. 우주 유영은 보통 여섯 시간에서 일곱 시간쯤 걸리며, 그 거의 모든 순간이 미리 계획됩니다. 오늘은 준비하는 날이었습니다. 우주복 두 벌을 점검하고, 배터리를 충전하고, 무전기를 시험하고, 필요한 공구를 하나도 빠짐없이 늘어놓았습니다.

우주복은 사실 사람 모양을 한 작은 우주선입니다. 안전한 압력으로 공기를 담아 두고, 입은 사람이 내쉬는 이산화탄소를 없애며, 안에 받쳐 입는 옷의 가는 관 속으로 물을 흘려 몸을 시원하게 유지하고, 강렬한 햇빛과 그늘의 깊은 추위로부터 몸을 지켜 줍니다. 누르와 토마스는 부분마다 천천히 확인해 나갔습니다. 장갑에 아주 작은 흠집이라도 있는지 살폈습니다. 헬멧 조명을 시험했습니다. 어떤 것도 우주 공간으로 떠내려가지 않도록 공구마다 테더라고 부르는 짧은 줄을 달았습니다.

몸에 관한 규칙도 있었습니다. 우주복은 정거장보다 낮은 압력에서 작동하기 때문에, 승무원들은 밖에 나가기 전에 오랫동안 순수한 산소를 들이마셔 혈액 속의 질소를 일부 빼냅니다. 이 단계를 거치지 않으면 몸속에 거품이 생길 수 있습니다. 탄산수 병을 열 때 생기는 거품과 비슷합니다. 지상 팀들은 이 과정의 모든 단계를 점검표에 적어 두었습니다. 토마스가 한 줄씩 소리 내어 읽으면, 누르가 그대로 한 다음 "완료"라고 말했고, 토마스는 다음 줄로 넘어갔습니다.

오후에는 정거장 안에서 연습하기 위해 우주복을 입었습니다. 우주복을 입는 데는 시간이 오래 걸리고 다른 사람의 손이 하나 더 필요하기 때문에, 아데가 두 사람을 차례로 도와 호스를 연결하고 헬멧 고리를 제자리에 잠가 주었습니다. 우주복 안에 들어가자 세상이 조용해졌고, 들리는 소리는 팬이 웅웅거리는 소리와 무전기 속 목소리뿐이었습니다. 누르는 뻣뻣한 장갑 낀 손가락으로 공구 손잡이를 다루는 연습을 했고, 토마스는 해치를 열고, 테더를 확인하고, 손잡이를 따라 밖으로 나가는 순서를 연습했습니다. 지상의 목소리가 단계마다 따라오며 질문을 하고 대답 하나하나를 확인했습니다. 마침내 다시 우주복을 벗었을 때, 두 사람 모두 땀에 젖고 배가 고팠습니다.

저녁 무렵 두 벌의 우주복은 준비를 마치고, 에어로크라고 부르는 작은 방에 키 큰 하얀 사람 둘처럼 걸려 있었습니다. 누르는 기분 좋게 피곤했습니다. 실수가 끼어들 틈이 없는 꼼꼼한 일로 하루를 보낸 뒤에 느끼는 그런 피로였습니다. 잠들기 전에 누르는 다음 날 계획을 읽고, 우주 유영 계획을 끝에서부터 처음까지 한 번 더 읽었습니다. 토마스가 가르쳐 준 습관이었습니다. 어떤 절차를 앞에서부터 익혔다면, 이번에는 거꾸로 훑어보면서 각 단계가 바로 앞 단계에 어떻게 기대고 있는지 보라는 것이었습니다.

점검표를 거꾸로 읽다 보니 그날 밤의 이야기가 떠올랐습니다. 지난번 어느 밤에 누르는 사미에게 은하들이 서로 멀어지고 있다고 말해 주었습니다. 오늘 밤에는 천문학자들이 그다음에 한 일을 해 볼 생각이었습니다. 필름을 거꾸로 돌려, 그것이 어디로 이어지는지 보는 것입니다.

되감으면 무슨 일이 일어날까

수십억 년에 걸쳐 기록한 우주의 필름이 있고, 그것을 거꾸로 튼다고 상상해 보세요. 앞으로 트는 필름에서는 은하들 사이의 공간이 늘어나면서 은하들이 서서히 멀어집니다. 거꾸로 트는 필름에서는 은하들이 서서히 모여듭니다. 더 멀리 되감을수록 더 가까워집니다. 지금은 수억 광년씩 떨어져 있는 은하 무리들도 먼 과거에는 이웃과 훨씬 가까이 있었을 것입니다.

계속 되감으면 다른 일도 일어납니다. 은하 자체는 별과 가스와 먼지로 이루어져 있습니다. 필름이 거꾸로 돌아가면 이 모든 물질이 점점 더 좁은 공간으로 밀려듭니다. 그리고 물질은 압축되면 뜨거워집니다. 세게 펌프질하면 따뜻해지는 자전거 펌프나, 타이어에 공기를 빨리 넣으면 안의 공기가 따뜻해지는 것을 보면 알 수 있습니다. 거꾸로 돌리는 우주의 필름에서는 압축이 펌프로는 어림도 없는 수준까지 이어집니다. 우주는 점점 더 뜨거워집니다.

되감는 도중 어느 시점에 이르면 너무 뜨거워져서 별과 은하가 아예 존재할 수 없게 됩니다. 그보다 더 이전에는 원자조차 존재할 수 없을 만큼 뜨거워집니다. 모든 것이 아주 작은 입자들과 빛이 뒤섞여 빛나는 혼합물이 되고, 태양의 중심보다 훨씬 뜨겁습니다. 필름을 약 138억 년 전까지 되감으면, 우주는 너무나 뜨겁고 밀도가 높아서 지금의 물리 법칙으로는 더 이상 자신 있게 설명할 수 없게 됩니다. 우리가 아는 필름은 거기서 시작합니다.

이것이 뜨거운 시작이라는 생각의 바탕에 있는 기본적인 추론입니다. 시작이 어땠을지 짐작하는 데서 나온 것이 아닙니다. 오늘날 우리가 보는 것, 곧 팽창을 알려진 물리 법칙을 이용해 거꾸로 꼼꼼하게 따라가는 데서 나온 것입니다. 각 단계는 확인할 수 있습니다. 이 추론은 오늘날 실제로 찾아낼 수 있는 것을 예측할까요? 다음 밤들에서 그렇다는 것을 보게 될 것입니다. 하지만 허블의 발견 뒤 몇 해 동안은 이것이 아직 분명하지 않았고, 많은 과학자가 시작이라는 생각을 아주 불편하게 여겼습니다.

되감기를 어디까지 믿을 수 있는지에도 한계가 있습니다. 과학자들이 지구의 실험실과 큰 기계에서 만들어 내거나 잴 수 있는 온도와 밀도에서는 물리 법칙이 잘 검증되어 있어서, 그런 조건을 거쳐 필름을 되감는 것은 꽤 안전합니다. 그 너머로 가면 추론은 덜 확실해지고, 맨 처음에 이르면 완전히 무너집니다. 그래서 시작의 이야기는 우리가 검증할 수 있는 조건에 해당하는 부분에서는 가장 큰 확신을 갖고, 첫 순간에 다가갈수록 점점 더 조심스럽게 이야기됩니다. 나중의 밤들에서 우리는 이 단계들을 하나씩 만나게 될 것입니다.

원시 원자

되감기를 처음으로 진지하게 받아들인 사람은 조르주 르메트르였습니다. 1927년에 이미 우주가 팽창하고 있다고 제안했던, 사제이자 물리학 교사인 그 사람입니다. 1931년에 그는 한 걸음 더 나아갔습니다. 우주가 팽창하고 있다면 먼 과거에는 아주 작고 밀도가 높았을 것이라고 그는 썼습니다. 그는 우주가 극도로 밀도 높은 하나의 상태에서 시작되었다고 제안하고, 그것을 '원시 원자'라고 불렀습니다. 그는 이 첫 상태가 아주 큰 원자가 작은 조각들로 쪼개지듯 부서졌고, 그 조각들로부터 우주가 자라났다고 상상했습니다.

르메트르가 그린 세부 내용은 오늘날 받아들여지는 것과 꼭 같지는 않았습니다. 그에게는 나중에 등장한 입자와 원자에 관한 지식이 없었고, 첫 상태에 대한 그의 그림은 현대의 그림과 달랐습니다. 하지만 그의 핵심 생각은 옳았습니다. 우주에는 역사가 있으며, 그 역사의 시작에서 우주는 오늘날과 전혀 다른, 밀도가 아주 높은 상태에 있었다는 것입니다. 팽창이 시작을 가리킨다고 분명하게 말한 사람은 그가 처음이었습니다.

르메트르가 어떤 사람이었는지 눈여겨볼 만합니다. 그는 과학자이자 교사로도 일한 사제였습니다. 당시 일부 사람들은 시작이라는 그의 생각이 종교에서 나온 것인지도 모른다고 여겼습니다. 르메트르 자신은 둘을 구분하려고 조심했습니다. 그는 우주의 시작을 증거로 판단해야 할 물리학의 질문으로 보았고, 그것을 어떤 믿음을 증명하거나 반박하는 데 쓰지 않았습니다. 오늘날 이런 질문을 생각하는 누구에게나 좋은 본보기입니다. 과학은 우주가 어떻게 변해 왔는지 설명할 수 있습니다. 의미와 신앙의 질문은 다른 종류의 질문이며, 사람마다 자기 나름의 방식으로 다가갑니다.

처음에는 많은 과학자가 시작이라는 생각을 좋아하지 않았습니다. 시작 없이 언제나 존재해 온 우주가 그들에게는 더 단순하고 자연스러워 보였습니다. 허블의 초기 측정으로 계산한 우주의 나이가 너무 짧다고, 지질학자들이 잰 지구의 나이보다도 짧다고 반대하는 사람들도 있었습니다. 그 문제는 허블의 거리가 너무 작았던 데서 생긴 것이었고, 거리가 바로잡히자 사라졌습니다. 하지만 몇 해 동안은 그 문제 때문에 시작이라는 생각이 의심스러워 보였습니다.

시작이 없는 우주

1948년, 한 무리의 과학자들이 경쟁하는 생각을 내놓았습니다. 그들은 은하들이 서로 멀어지고 있다는 것은 받아들였습니다. 하지만 우주에는 시작이 없었고 끝도 없을 것이라고 주장했습니다. 은하들이 퍼져 나가는 동안, 그 사이의 빈 공간에서 새로운 물질이 아주 천천히 생겨난다는 것이었습니다. 너무 느려서 아무도 직접 감지할 수 없을 만큼, 어쩌면 엄청나게 긴 시간 동안 여기저기서 원자 하나씩 생겨나는 정도로 말입니다. 이 새로운 물질로부터 새로운 은하가 생겨나 빈틈을 메웁니다. 이 그림에서 우주는 평균적으로 보면 언제나 똑같은 모습입니다. 이것을 정상 우주론이라고 불렀습니다.

정상 우주론은 어리석은 생각이 아니었습니다. 영리하고, 꼼꼼하게 다듬어졌으며, 분명한 예측을 내놓았습니다. 좋은 과학적 생각이라면 바로 그래야 합니다. 지지자들은 이 이론에 수수께끼 같은 첫 순간이 필요 없다는 점을 좋아했습니다. 가장 잘 알려진 지지자 가운데 한 사람은 프레드 호일이었습니다. 그는 천문학자이면서 인기 있는 작가였고, 라디오에서 생기 넘치게 말하는 사람이기도 했습니다. 나중의 어느 밤에 우리는 그를 다시 만나게 될 것입니다. 그는 별 속에서 원소가 어떻게 만들어지는지 이해하는 데도 크게 이바지했기 때문입니다.

경쟁하는 생각에 그 유명한 이름을 붙인 사람이 바로 호일이었습니다. 1949년의 한 라디오 강연에서 그는 뜨거운 시작이라는 생각을 '빅뱅'이라고 표현했습니다. 그가 자기와 생각이 다른 이론을 놀리려고 그 이름을 썼다고 말하는 사람이 많습니다. 호일 자신은 나중에, 청취자들에게 생생한 그림을 보여 주고 싶었을 뿐이라고 말했습니다. 그의 의도가 무엇이었든 그 이름은 굳어졌고, 지금은 과학자들까지 포함해 어디에서나, 그가 틀린 것으로 밝혀지기를 바랐던 바로 그 생각을 가리키는 데 쓰입니다.

그리하여 1950년대 초에는 우주에 대한 진지한 그림이 두 가지 있었습니다. 하나에서는 우주가 뜨겁고 밀도 높은 상태에서 시작되어 그 뒤로 계속 변해 왔습니다. 다른 하나에서는 우주에 시작이 없고 늘 같은 모습입니다. 둘 다 허블의 팽창과 맞아떨어졌습니다. 둘 가운데 하나를 고르려면 과학자들에게는 무언가가 더 필요했습니다. 한쪽 그림은 예측하지만 다른 쪽 그림은 예측하지 않는 단서였습니다.

돌이켜 보면 이 이야기 속 사람들을 이긴 사람과 진 사람으로 나누기 쉽습니다. 하지만 과학은 실제로 그렇게 움직이지 않습니다. 정상 우주론은 뜨거운 시작을 지지하는 사람들이 생각을 더 날카롭게 다듬고 더 열심히 증거를 찾도록 만들었습니다. 정상 우주론 지지자들이 던진 질문은 쓸모 있는 연구로 이어졌고, 원소에 관한 호일 자신의 위대한 연구도 그중 하나였습니다. 꼼꼼하게 논증된 경쟁 이론은 적이 아닙니다. 다른 모두가 피하고 싶어 하는 어려운 질문을 던져 주는 동료 같은 것입니다. 어느 팀에나 있는, 늘 "그런데 확인은 해 봤어요?" 하고 묻는 동료처럼 말입니다.

증거로 매듭짓다

두 그림은 과거에 대해 서로 다른 예측을 내놓았습니다. 정상 우주론의 그림에서는 우주가 늘 같은 모습이었으므로, 오래전의 모습으로 보이는 아주 먼 은하들도 가까운 은하들과 비슷하게 보여야 합니다. 뜨거운 시작의 그림에서는 우주가 시간에 따라 변해 왔으므로, 멀리 있는 초기 우주는 오늘날의 우주와 다르게 보여야 합니다.

한 가지 검증은 1940년대 이후 빠르게 성장한 전파 천문학에서 나왔습니다. 전파 망원경은 강한 전파를 내는 은하를 감지할 수 있습니다. 1950년대와 1960년대 초에 전파 천문학자들이 이런 전파원을 세어 보니, 가까운 곳보다 먼 곳, 곧 오래전에 더 많이 있는 것 같았습니다. 과거의 우주는 오늘날의 우주와 같은 모습이 아니었던 것입니다. 정상 우주론 지지자들은 이 숫자를 어떻게 읽어야 하는지를 두고 반론을 폈지만, 이것은 정상 우주론의 그림에 문제가 되었습니다.

1963년에는 또 다른 발견이 그 문제를 키웠습니다. 천문학자들이 극도로 밝고 극도로 멀리 있는 새로운 종류의 천체를 찾아냈고, 그것은 퀘이사라고 불리게 되었습니다. 오늘날 우리는 퀘이사가 먼 은하의 눈부신 중심부이며, 그곳에서 엄청난 양의 가스가 거대한 블랙홀로 떨어지고 있다는 것을 압니다. 논쟁에서 중요했던 것은 퀘이사가 발견되는 장소였습니다. 퀘이사는 아주 먼 곳, 곧 오래전에서 보이지만, 우리 가까이에는 그런 종류의 퀘이사가 없습니다. 오래전의 우주에는 퀘이사가 있었고, 오늘날의 우주에는 없습니다. 이번에도 과거는 현재와 다르게 보였습니다.

뜨거운 시작의 그림은 훨씬 더 눈에 띄는 예측도 내놓았습니다. 젊은 우주가 아주 뜨거웠다면, 용광로 안처럼 빛나는 빛으로 가득 차 있었을 것입니다. 우주가 팽창하고 식는 동안 그 빛은 사라지지 않았을 것입니다. 늘어나고 약해지기는 했겠지만, 지금도 모든 공간을 채우며 모든 방향에서 오고 있어야 합니다. 1948년에 몇몇 물리학자가 이 남은 빛을 예측했습니다. 누군가 그것을 찾아낸다면, 정상 우주론의 그림으로는 설명하기가 아주 어려울 것이었습니다.

예측이 나온 뒤 15년이 넘도록 아무도 그것을 본격적으로 찾아 나서지 않았습니다. 당시의 기구는 감도가 조금 모자랐고, 많은 과학자가 그 예측을 그리 진지하게 받아들이지 않았습니다. 그러다 1965년, 안테나의 실제적인 문제를 해결하려던 두 엔지니어가 거의 우연히 그것을 찾아냈습니다. 우주에서 가장 오래된 빛이라는 그 발견이 이 책의 다음 밤 이야기입니다.

이 논쟁이 어떻게 매듭지어졌는지 눈여겨보세요. 누가 가장 영리한 말을 했는지, 누가 가장 유명한 지지자를 두었는지로 매듭지어지지 않았습니다. 두 생각이 서로 다른 예측을 내놓았고, 사람들이 직접 나가서 쟀기 때문에 매듭지어졌습니다. 이것은 어쩌면 시작에 관한 이야기 전체에서 가장 중요한 교훈일 것입니다. 과학은 의견을 겨루는 시합이 아닙니다. 우주 자신이 결정하도록 하는 방법입니다.

잠들기 전에

누르는 불을 끄기 전에 사미에게 썼습니다. "오늘 밤 이야기: 은하들이 지금 서로 멀어지고 있다면 과거에는 더 가까웠고, 더 거슬러 올라가면 모든 게 빽빽하게 모여 있었고 아주 뜨거웠어. 물리학을 가르치던 한 사제는 그 첫 상태를 원시 원자라고 불렀어. 경쟁하던 생각은 우주에 시작 같은 건 아예 없었다고 했어. 빅뱅이라는 이름은 그걸 믿지 않던 사람이 붙였고. 논쟁은 증거로 매듭지어졌는데, 그 얘기는 다음번에 해 줄게."

사미는 그날 밤 쉬는 시간에 답장을 보냈습니다. 자기 배송 센터에서는 배송에 문제가 생기면 운전사들이 늘 누구 잘못인지를 두고 다투는데, 관리자는 언제나 같은 말을 한다고 했습니다. "그만 다투고 배송 추적부터 확인해." 사미는 천문학자들도 같은 일을 한 것 같다고 생각했습니다. 누르는 미소를 지으며 맞장구를 쳤습니다. 그러고는 다시 우주 유영을 떠올렸고, 어떤 일에서든 짐작하는 대신 확인하는 것에 얼마나 많은 것이 달려 있는지 생각했습니다.

누르가 잠들기 전, 토마스가 수면 칸의 벽을 살며시 두드려 잘 자라는 인사를 건넸습니다. 그는 예전에 함께 일한 엔지니어가 점검표란 나보다 먼저 실수했던 모든 사람과 나누는 대화라고 말하곤 했다는 이야기를 했습니다. 누르는 그 말이 마음에 들었습니다. 어떤 의미에서 과학의 역사 전체가 그런 점검표라고 누르는 생각했습니다. 틀렸다가, 그것을 알아차리고, 배운 것을 물려준 사람들이 쓴 점검표 말입니다.

오늘 저녁 잠깐 시간이 있다면, 여러분의 근무일 가운데 거꾸로 짚어 봄으로써 더 잘 이해하게 된 일을 떠올려 보세요. 원인까지 거슬러 올라가 찾아낸 실수나, 끝에서부터 계획한 일 같은 것 말입니다. 그런 생각의 방식이 바로 천문학자들이 우주를 상대로 한 일입니다. 그들은 오늘날 볼 수 있는 팽창을 가지고, 그 전에 무엇이 있었어야 하는지를 끈기 있게 물었습니다.

흔한 오해

많은 사람이 우주는 거대한 빈 공간에 떠 있는 아주 작은 점으로 시작해서, 어두운 방 한가운데의 밝은 점처럼, 바깥으로 자라나 그 방을 채웠다고 상상합니다. 뜨거운 시작이라는 생각이 말하는 것은 그런 것이 아닙니다. 우리가 아는 한, 방 같은 것은 없었습니다. 초기 우주의 바깥에서 채워지기를 기다리는 빈 공간은 없었습니다. 초기 우주는 모든 곳이 뜨겁고 밀도가 높았으며, 그 뒤로 늘어나 온 것은 공간 그 자체입니다. 우주가 오늘날 무한하다면, 그럴 가능성도 있는데, 아마 그때도 무한했을 것이고 다만 밀도가 훨씬 높았을 것입니다. 아주 작았던 것은 그 뒤에 우리가 볼 수 있는 우주가 된 부분입니다.

또 많은 사람이 빅뱅이라는 이름을 글자 그대로 받아들여, 중심과 소리가 있는 요란한 폭발을 떠올립니다. 하지만 보통 말하는 의미의 '뱅' 같은 소리는 없었습니다. 소리가 전해지려면 공기나 다른 물질이 필요한데, 그 소리를 들을 사람도 없었고 그 소리를 들을 수 있는 바깥도 없었습니다. 지난번 밤에 부푸는 빵 속 건포도가 보여 주었듯이, 중심도 없었습니다. 그 이름은 다른 생각을 더 좋아한 사람의 라디오 강연에서 나왔습니다. 쓸모 있는 이름표이고 이 책에서도 쓰고 있지만, 그 이름이 시작을 설명하는 정도는 별명이 한 사람을 설명하는 정도와 비슷합니다.

세 번째 흔한 오해는 빅뱅 이론이 우주의 시작을 일으킨 원인을 설명한다는 것입니다. 그렇지 않습니다. 이 이론은 우주가 아주 뜨겁고 밀도 높은 초기 상태에서 오늘날 우리가 보는 우주로 어떻게 변해 왔는지를 설명하며, 그것을 아주 잘 설명합니다. 하지만 맨 첫 순간에 대해서는, 그리고 무언가가 있었다면 그 이전에 무엇이 있었는지에 대해서는, 이 이론이 믿을 만하게 말해 주는 것이 없습니다. 지금의 물리 법칙은 그곳에 적용하려고 하면 작동을 멈춥니다. 과학자들은 이 부분은 아직 알려지지 않았다고 솔직하게 말합니다. 그들이 검증할 수 있는 것은 그 뒤에 일어난 일이며, 첫 번째 큰 검증은 1965년 안테나 속의 희미한 '쉿' 하는 잡음에서 나왔습니다. 다음 밤의 이야기는 거기서 시작됩니다.