제7장 처음 몇 분

70번째 밤: 물 만드는 기계

70일째는 정비하는 날이었습니다. 지상에서 아침마다 올려 보내는 일정표에는 누르의 주된 일이 소박한 이름으로 적혀 있었습니다. 물 재생 장치의 필터 교체. 우주 정거장에서 물은 낭비하기에는 너무 귀합니다. 지구에서 올려 보내기에는 무겁기 때문에, 정거장은 모을 수 있는 물을 거의 한 방울도 빠짐없이 모아서 몇 번이고 다시 깨끗하게 만듭니다. 승무원들이 내쉬는 수증기와 피부에서 나오는 땀은 공기에서 거두어들입니다. 씻은 물도 모읍니다. 소변까지 모아서 깨끗하게 만든 다음 다시 마실 물로 바꿉니다.

누르는 지상에서 그 기계의 복제품으로 이 일을 여러 번 훈련했습니다. 정거장에서는 이 일에 오전 시간의 대부분이 걸렸습니다. 정해진 순서대로 밸브를 잠그고, 압력 수치를 확인하고, 패널을 열어 낡은 필터를 밀어 꺼냈습니다. 느슨한 부품은 모두 묶어 두거나 주머니에 넣어 두었습니다. 아데가 점검표를 들고 가까이 떠 있으면서 누르가 하기 전에 단계마다 소리 내어 읽었고, 누르는 그 단계를 그대로 따라 말했습니다. 지상에서라면 느려 보일 수도 있습니다. 궤도에서는 이렇게 해서 실수를 피합니다.

새 필터를 끼우자 기계가 자체 시험을 돌렸습니다. 작은 불빛들이 한 줄로 하나씩 초록색으로 바뀌었습니다. 지상 팀들도 자기들 화면에서 같은 수치를 지켜보며 모든 것이 정상으로 보인다고 확인해 주었습니다. 누르는 일지에 시각을 적고, 낡은 필터를 주머니에 넣었습니다. 나중에 화물선에 실어 내보낼 것이었습니다.

점심때 누르는 정거장의 급수 장치에서 마실 물 팩을 채워 불빛에 비춰 보았습니다. 물은 완벽하게 맑았습니다. 아무 맛도 나지 않았는데, 좋은 물이라면 바로 그런 맛이어야 합니다. 토마스는 누군가 물 만드는 기계를 고칠 때마다 그러듯이 자기 물 팩을 들어 올리며, 어제의 커피가 오늘의 커피가 되었다고 말했습니다. 아데는 밥을 먹으면서 떠올리고 싶은 문장은 아니라고 했습니다.

그날 저녁 사미는 밤새 슈퍼마켓에서 생수 상자를 내렸다며, 아무도 자기한테 물을 두 번 마시라고 하지 않아서 다행이라고 썼습니다. 누르는 어떤 의미에서는 지구의 모든 사람이 수십억 년 동안 구름과 강과 식물과 동물이 이미 써 온 물을 마시고 있는 거라고 알려 주었습니다. 그러고는 더 거슬러 올라가, 물 자체가 어디에서 왔는지 생각했습니다. 물 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 하나로 이루어져 있습니다. 산소에는 산소 나름의 이야기가 있고, 그것은 나중의 어느 밤에 듣게 될 것입니다. 하지만 물 한 방울 한 방울 속의 수소는 훨씬 더 오래되었습니다. 그것은 우주의 처음 몇 분에서 왔습니다.

가장 작은 벽돌

지난번 밤에 우리는 우주가 약 38만 살이었을 때 풀려난 가장 오래된 빛을 만났습니다. 오늘 밤에는 훨씬 더 거슬러 올라가, 우주가 겨우 몇 분밖에 되지 않았던 때로 갑니다. 그때 무슨 일이 있었는지 이해하려면 원자가 무엇으로 이루어져 있는지 조금 알아야 합니다. 낱말은 낯설지 몰라도 생각은 간단합니다. 기계를 고치기 전에 그 부품부터 익히는 것과 같습니다.

모든 원자에는 원자핵이라고 부르는 아주 작은 중심이 있습니다. 원자핵 둘레에는 전자라고 부르는 더 작은 입자들이 있습니다. 원자핵 자체는 두 종류의 입자로 이루어져 있습니다. 양성자는 양의 전기를 띱니다. 중성자는 전기를 전혀 띠지 않으며, 그 이름도 거기서 왔습니다. 양성자와 중성자는 무게가 거의 같고, 둘 다 전자보다 훨씬 무겁습니다.

원자핵이 얼마나 작은지 그려 보기는 어렵습니다. 선생님들이 자주 쓰는 비유가 하나 있습니다. 원자 하나를 큰 경기장만 하게 키운다면, 원자핵은 경기장 한가운데에 놓인 작은 완두콩 한 알만 할 것입니다. 전자들은 저 멀리 관중석 어딘가에 있을 것입니다. 원자의 무게는 거의 다 한가운데의 그 작은 완두콩에 들어 있습니다.

원자핵 속 양성자의 수가 그 원자의 종류를 정합니다. 양성자가 하나인 원자는 수소입니다. 양성자가 둘인 원자는 헬륨입니다. 양성자가 여섯인 원자는 탄소이고, 여덟인 원자는 산소입니다. 이런 기본적인 원자의 종류 하나하나를 원소라고 부릅니다. 중성자는 무게를 더하고 원자핵을 붙잡아 두는 데 도움을 주지만, 원소의 종류를 바꾸지는 않습니다.

가장 단순한 원자핵은 양성자 하나만 있는 것입니다. 그것이 보통의 수소 원자핵입니다. 헬륨 원자핵은 더 복잡합니다. 양성자 두 개와 중성자 두 개가 단단히 뭉쳐 있습니다. 헬륨 원자핵을 만들려면 양성자와 중성자를 아주 가까이, 원자핵 안의 아주 강한 힘이 그것들을 붙잡을 수 있을 만큼 가까이 가져와야 합니다. 보통의 조건에서는 이런 일이 거의 일어나지 않습니다. 양성자끼리는 전기 때문에 서로 밀어내기 때문입니다. 그것들을 억지로 붙이려면 엄청난 열과 압력이 필요합니다.

우주의 첫 순간들에는 아직 원자도 원자핵도 없었습니다. 자유로운 양성자, 자유로운 중성자, 전자, 빛, 그리고 다른 아주 작은 입자들이 모두 아주 빠르게 움직이는 뜨거운 혼합물만 있었습니다. 무엇이 서로 달라붙기에는 너무나 뜨거웠습니다. 양성자와 중성자가 결합할 때마다 열기가 거의 곧바로 그것들을 다시 떼어 놓았습니다. 우주는 너무 뜨거워서 어떤 반죽도 부풀 수 없는 부엌 같았습니다. 무엇이든 섞는 순간 타 버렸기 때문입니다.

짧게 열린 건설의 창

우주는 팽창하면서 식었습니다. 몇 분이 지나자 마침내 양성자와 중성자가 결합한 채로 있을 수 있는 온도에 이르렀습니다. 그 온도는 오늘날 태양의 중심보다 여전히 훨씬 뜨거웠지만, 더 이상 너무 뜨겁지는 않았습니다. 잠깐 동안 우주 전체가 가벼운 원자핵을 만들 수 있는 곳이 되었습니다. 양성자와 중성자가 짝을 지어 결합했고, 그 짝들이 결합해 헬륨 원자핵이 되었으며, 조금 더 무거운 원소인 리튬도 아주 적은 양이 만들어졌습니다.

이 창은 오래 열려 있지 않았습니다. 우주는 계속 팽창하며 식었습니다. 대략 처음 20분 남짓 안에 온도와 밀도가 너무 많이 떨어져서 건설이 멈추었습니다. 이제 입자들은 너무 흩어져 있고 너무 느려서, 충분한 힘으로 만날 수 없었습니다. 그때까지 만들어진 것이 우주가 쓸 수 있는 재료의 전부였습니다. 그 뒤 최초의 별들이 빛나기 시작할 때까지 수백만 년도 훨씬 넘는 긴 세월 동안, 새로운 원소는 전혀 만들어지지 않았습니다.

우주가 몇 분밖에 되지 않았을 때의 온도를 어떻게 알 수 있는지 궁금할 수도 있습니다. 그 추론은 들리는 것보다 간단합니다. 천문학자들은 오늘날 우주가 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지, 가장 오래된 빛이 오늘날 얼마나 따뜻한지 알고 있습니다. 우주가 더 작았을 때는 같은 빛이 더 좁은 공간에 밀려 있었으므로, 단순하고 잘 이해된 방식에 따라 더 뜨거웠습니다. 이 규칙들로 필름을 거꾸로 돌리면, 물리학자들은 처음 몇 분까지 거슬러 올라가며 우주가 순간마다 얼마나 뜨거웠는지 계산할 수 있습니다.

시간이 짧았던 데에는 또 다른 이유가 있었습니다. 원자핵 바깥에 홀로 있는 중성자는 오래가지 못합니다. 자유로운 중성자는 평균적으로 15분쯤이면 양성자로 바뀝니다. 그래서 중성자는 그동안 내내 조금씩 사라지고 있었습니다. 살아남을 수 있는 중성자는 헬륨 원자핵 속에 들어간 것뿐이었습니다. 효모의 힘이 서서히 떨어지는 빵집에 비유할 수 있습니다. 제빵사는 효모를 서둘러 써야 합니다. 그렇지 않으면 효모는 힘을 잃고 맙니다.

건설이 멈추었을 때 중성자는 양성자보다 훨씬 적었습니다. 대략 말하면 양성자 일곱 개에 중성자 하나꼴이었습니다. 그 숫자가 결과를 정합니다. 입자 열여섯 개, 곧 중성자 두 개와 양성자 열네 개를 떠올려 보세요. 중성자 두 개가 양성자 두 개와 결합하면 헬륨 원자핵 하나가 되는데, 모두 합쳐 입자 네 개입니다. 나머지 양성자 열두 개는 홀로 남아 수소 원자핵 열두 개가 됩니다. 그러니 무게로 따지면 열여섯 가운데 넷, 곧 4분의 1이 헬륨입니다. 나머지 4분의 3은 수소입니다.

이것이 처음 몇 분에 대한 예측입니다. 질량으로 따져 약 4분의 3은 수소, 약 4분의 1은 헬륨이고, 조금 더 무거운 종류의 수소와 리튬이 아주 조금 섞여 있다는 것입니다. 수십만 년 뒤 우주가 더 식고 전자가 이 원자핵들 둘레에 자리를 잡자, 최초의 원자들이 생겨났습니다. 그것이 빛나는 안개, 곧 걷히면서 가장 오래된 빛을 풀어놓은 그 안개를 이루던 원자들이었습니다.

만나게 된 두 이야기

여기에는 두 이야기의 아름다운 만남이 있습니다. 첫 번째는 예측의 이야기입니다. 1948년, 지난번 밤에 만난 조지 가모프와 랄프 알퍼, 로버트 허먼은 뜨겁고 밀도 높은 젊은 우주가 처음 몇 분 동안 어떻게 가벼운 원자핵을 만들 수 있었는지 계산해 냈습니다. 그 뒤 몇 해에 걸쳐 다른 물리학자들이 양성자와 중성자가 어떻게 행동하는지에 대한 더 나은 측정값을 써서 계산을 다듬었습니다. 세부 내용을 바로잡는 데는 여러 해가 걸렸지만, 핵심 결과는 그대로였습니다. 젊은 우주는 대부분 수소를, 그리고 4분의 1쯤의 헬륨을 만들었어야 한다는 것입니다.

두 번째 이야기는 그보다 더 일찍, 세실리아 페인이라는 젊은 여성과 함께 시작되었습니다. 1920년대에 페인은 한 천문대에서 일하며 별빛을 연구하는 학생이었습니다. 은하들이 멀어지는 이야기를 한 밤에 보았듯이, 빛은 검은 선이 들어 있는 색 띠인 스펙트럼으로 펼칠 수 있습니다. 원소마다 자기만의 선 무늬를 남깁니다. 오랫동안 천문학자들은 태양의 스펙트럼에 철과 다른 많은 원소의 선이 나타나므로, 태양도 지구와 대체로 같은 것들로 이루어져 있을 것이라고 여겼습니다.

페인은 물리학의 새로운 생각들을 이용해, 별의 온도가 선 무늬를 어떻게 바꾸는지 이해했습니다. 그것을 감안하자 그녀는 놀라운 결론에 이르렀습니다. 별은 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져 있다는 것이었습니다. 더 무거운 원소들도 있지만 아주 적은 양뿐이었습니다. 페인은 1925년에 이 연구를 마쳤습니다. 당시에는 이 생각이 너무나 있을 법하지 않아 보여서, 존경받는 한 선배 천문학자가 그 결과는 아마 진짜가 아닐 것이라고 쓰도록 페인을 설득했습니다. 몇 해 뒤 바로 그 선배 천문학자를 포함한 다른 천문학자들이 다른 길로 같은 결론에 이르렀습니다. 페인이 옳았던 것입니다.

페인이 놓인 처지를 잠깐 생각해 볼 만합니다. 그녀는 젊었고, 그런 일을 하도록 허락받는 여성이 드문 분야의 여성이었으며, 그녀의 결과는 거의 모든 사람이 믿던 것과 어긋났습니다. 그 자리에 있었다면 많은 사람이 그 생각을 접었을 것입니다. 페인은 연구를 포기하지 않았습니다. 꼼꼼했고, 연구를 발표했으며, 그 증거는 다른 사람들이 확인할 수 있도록 남아 있었습니다. 그녀의 결과는 지금 천문학의 토대 가운데 하나입니다.

두 이야기를 함께 놓으면 놀라운 것이 드러납니다. 물리학자들은 처음 몇 분이 무엇을 만들었어야 하는지 물었습니다. 천문학자들은 별과 가스 구름이 실제로 무엇으로 이루어져 있는지 쟀습니다. 두 답은 같은 것을 가리킵니다. 대부분 수소이고 4분의 1쯤이 헬륨인 우주입니다. 천문학자들이 나중에 생긴 별들의 영향을 가장 적게 받은 가장 오래된 가스 구름과 가장 오래된 별을 재 보면, 그 양은 예측과 잘 맞아떨어집니다.

가장 강력한 단서 가운데 하나

첫날 밤에 이 책은 우주에 뜨겁고 밀도 높은 시작이 있었다는 세 가지 주요 단서를 들었습니다. 첫째는 은하들이 서로 멀어지고 있다는 것이었습니다. 둘째는 가장 오래된 빛이었습니다. 셋째가 오늘 밤의 이야기, 곧 가장 가벼운 원소들의 양입니다. 이 세 번째 단서가 특히 강력한 것은 숫자로 하는 검증이기 때문입니다. '한때 뜨거웠다'고만 말하는 이론은 여러 결과에 들어맞을 수 있습니다. '헬륨이 절반도 10분의 1도 아니고 약 4분의 1'이라고 말하는 이론은 확인할 수 있고, 틀렸다고 판명될 수도 있었습니다.

그 이론은 틀리지 않았습니다. 천문학자들이 어디를 보든, 오래된 별에서도 은하 사이의 가스에서도, 헬륨은 거의 딱 맞는 양만큼 있습니다. 무거운 수소의 흔적도 예측과 맞아떨어집니다. 그리고 이런 가벼운 원소들에서 나오는 숫자는 완전히 따로, 가장 오래된 빛의 무늬에서 나오는 숫자와도 일치합니다. 아주 다른 기구로 이루어진 아주 다른 두 종류의 측정이 젊은 우주에 대해 같은 이야기를 들려주는 것입니다.

지구 위에서 할 수 있는 검증도 있습니다. 가벼운 원자핵이 만들어지는 정도는 일정한 온도에서 양성자와 중성자가 얼마나 쉽게 결합하는지에 달려 있습니다. 그 비율은 짐작한 것이 아닙니다. 실험실에서 기계로 양성자와 다른 입자들을 서로 쏘아 부딪치게 하고 무엇이 나오는지 세어서 잰 것입니다. 처음 몇 분에 대한 계산에는 그렇게 잰 숫자가 쓰입니다. 이런 의미에서 지구의 작은 실험실과 젊은 우주 전체는 같은 규칙을 따르고 있습니다.

솔직하게 말해 둘 수수께끼가 하나 있습니다. 천문학자들이 아주 오래된 일부 별에서 찾아내는 리튬의 양은 처음 몇 분에 대한 계산이 예측하는 것보다 적습니다. 과학자들은 그 이유를 아직 연구하고 있습니다. 어쩌면 그 오래된 별들 속의 무언가가 리튬의 일부를 서서히 없앴을지도 모릅니다. 어쩌면 계산의 어떤 부분을 고쳐야 할지도 모릅니다. 이 수수께끼는 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 하지만 큰 일치 속의 작은 수수께끼이며, 처음 몇 분에 대한 큰 그림을 바꾸지는 않습니다.

처음 몇 분이 무엇을 만들지 않았는지도 알아 둘 만합니다. 처음 몇 분은 리튬보다 무거운 것은 거의 아무것도 만들지 않았습니다. 탄소도, 산소도, 철도, 금도 없었습니다. 처음 몇 분을 지나 나온 우주는 아주 단순했습니다. 수소와 헬륨, 그 가까운 친척 약간, 그리고 그 밖에는 아무것도 없었습니다. 여러분이 들이마시는 산소와 모든 생명체 속의 탄소를 포함한 다른 모든 원소는 나중에 만들어져야 했습니다. 그 일은 별들이 해냈고, 별들의 이야기는 나중의 밤들에 속합니다.

그러니 물 한 잔을 손에 들 때, 여러분은 아주 다른 두 역사를 들고 있는 것입니다. 그 속의 산소는 시작보다 한참 뒤에 별 속에서 만들어졌습니다. 하지만 수소, 곧 수소 원자 둘과 산소 원자 하나 가운데 '둘'에 해당하는 수소는 약 138억 년 전 처음 몇 분 동안 만들어졌습니다. 그 수소는 구름 속에, 별 속에, 혜성과 바다와 빗방울 속에 있었습니다. 지금은 여러분의 잔 속에 있습니다.

잠들기 전에

잠들기 전에 누르는 깨끗한 급수 장치에서 물 팩을 하나 더 채워 창가에서 천천히 마셨습니다. 아래의 지구는 낮이었습니다. 하얀 구름이 흩어진 바다의 파란빛과 해안의 가장자리가 보였습니다. 저 많은 물, 하고 누르는 생각했습니다. 그리고 그 한 방울 한 방울 속에 똑같은 오래된 수소가 수십억 년을 기다려 왔다고.

누르는 사미에게 썼습니다. "오늘 밤 네가 내린 물은 아주 오래된 거야. 그 속의 수소는 우주가 생기고 처음 20분 안에 만들어졌어. 네 상자들은 생각보다 무거웠던 거지." 사미는 그건 이미 허리가 알려 줬다고, 고맙다고 답장을 보냈습니다. 그러고는 다음 병은 조금 다르게 보일 것 같다고 덧붙였습니다.

누르가 글을 쓰는 것을 본 아데가 오늘 밤에는 동생에게 무슨 이야기를 하느냐고 물었습니다. 누르가 설명하자 아데는 잠시 말이 없다가, 물 만드는 기계의 설명서를 한 쪽도 빠짐없이 읽었지만 그 물이 오래되었다고는 한 번도 생각해 본 적이 없다고 말했습니다. 토마스는 그게 전문가들의 문제라고 했습니다. 무언가를 너무 잘 알아서 그것에 놀라는 법을 잊어버린다는 것입니다.

내일이든 오늘 밤이든, 여러분도 하루 일을 마치고 물 한 잔을 따를지 모릅니다. 매번 우주를 생각할 필요는 없습니다. 하지만 한 번쯤은 마시기 전에 잠깐 잔을 들고 있어 보아도 좋겠습니다. 여러분의 손안에 있는 것은 시간이 거의 시작될 무렵에 만들어진 것이며, 여러분에게 닿기까지 아주 먼 길을 왔습니다.

흔한 오해

많은 사람이 모든 원소가 빅뱅 때 만들어졌다고 생각합니다. 빅뱅이 모든 것의 시작이니 자연스러운 생각처럼 보입니다. 하지만 처음 몇 분은 가장 가벼운 원소들만 만들었습니다. 수소와 헬륨, 그리고 아주 적은 양의 리튬입니다. 탄소, 산소, 철, 금 같은 더 무거운 원소는 훨씬 나중에 별 속에서, 그리고 일부 별이 생을 마칠 때 일어나는 격렬한 사건 속에서 만들어졌습니다. 우주는 단순하게 시작해서 시간이 흐르며 풍성해졌습니다.

또 많은 사람이 헬륨을 드문 원소라고 생각합니다. 지구에서 대부분의 사람은 헬륨을 파티 풍선으로만 알고, 헬륨이 가끔 모자라기도 하기 때문입니다. 사실 헬륨은 우주에서 수소 다음으로 흔한 원소입니다. 헬륨이 지구에서 드문 데는 다른 이유가 있습니다. 헬륨은 아주 가볍고 다른 원소와 결합하지 않기 때문에, 공기 속의 헬륨은 서서히 우주 공간으로 빠져나갑니다. 사람들이 지구에서 모으는 헬륨은 대부분 땅속 깊은 곳에서 나오는데, 그곳에서는 바위 속 몇몇 종류의 원자가 쪼개지면서 헬륨이 서서히 만들어집니다. 바깥 우주에는 헬륨이 어디에나 있습니다.

마지막으로, 많은 사람이 처음 몇 분은 순전히 짐작일 뿐이라고 상상합니다. 그것을 본 사람이 아무도 없기 때문입니다. 아무도 지켜보지 않은 것은 사실이고, 다음 밤에 보겠지만 맨 처음 순간들에 관한 몇몇 질문이 아직 열려 있는 것도 사실입니다. 하지만 이야기의 이 부분은 모든 부분 가운데 가장 잘 검증된 부분 가운데 하나입니다. 지구의 실험실에서 꼼꼼하게 측정되는 것과 같은 물리학을 쓰고, 숫자로 된 분명한 예측을 내놓으며, 그 예측은 천문학자들이 하늘에서 재는 것과 일치합니다. 다음 밤에는 양성자와 중성자조차 존재하지 않던 때로 더 거슬러 올라갈 것이며, 그곳에서는 우리 발밑의 땅이 훨씬 덜 단단해질 것입니다.