제8장 원자가 생기기 전

84번째 밤: 비상 훈련

84일째의 경보는 예정된 것이었지만, 승무원들은 정확히 몇 분에 울릴지 몰랐습니다. 지상에서는 오후 중 언젠가 비상 훈련이 있을 것이라고만 알려 주었습니다. 그게 전부였습니다. 누르가 운동용 자전거를 반쯤 타고 있을 때, 크고 끊김 없는 경보음이 정거장 전체에 울렸고, 이어서 토마스가 이것은 훈련이라고 차분한 목소리로 알렸습니다.

모두가 무엇을 해야 하는지 알고 있었습니다. 지상에서 여러 번 연습했기 때문입니다. 누르는 자전거에서 신발 고정 장치를 풀고, 비상 마스크가 보관된 곳으로 몸을 밀어 날아가 마스크를 얼굴에 썼습니다. 아데는 이미 그곳에 와 있었습니다. 토마스가 비상 절차의 첫 단계들을 읽었고, 두 사람은 저마다 맡은 부분으로 답했습니다. 그들은 수치를 확인하고, 정해진 해치들을 정해진 순서대로 닫고, 실제 비상 상황이라면 가야 할 곳, 곧 자신들을 지구로 데려다줄 우주선 가까이로 옮겨 갔습니다.

지상에서는 모든 것을 지켜보며 시간을 쟀습니다. 한 시간쯤 지나 훈련이 끝났고, 승무원들은 지상과 함께 무엇이 잘되었고 무엇을 더 빠르게 할 수 있는지 짧게 이야기를 나누었습니다. 해치 하나를 닫는 데 예정보다 오래 걸렸습니다. 점검표 한 쪽의 순서가 잘못되어 있었습니다. 이런 작은 것들은 기록해 두었습니다. 그것이 정말 중요해지는 날이 오기 전에 고쳐 둘 수 있도록 말입니다.

누르는 늘 훈련이야말로 어느 일에서나 가장 평범한 부분 가운데 하나라고 생각해 왔습니다. 지구의 사무실과 공장, 학교와 병원에서도 사람들은 경보가 울리면 건물에서 대피하는 연습을 합니다. 계단을 걸어 내려가 주차장이나 마당에 모이고, 누군가 인원을 세는 동안 기다립니다. 대개는 조금 우스꽝스럽게 느껴집니다. 하지만 훈련의 목적은 올바른 단계들을 아주 익숙하게 만들어서, 정말 나쁜 날이 왔을 때 아무도 그것을 생각할 필요가 없게 하는 것입니다.

훈련은 성공적이었지만, 그날 밤 누르는 잠들지 못했습니다. 꼭 두려움 때문은 아니었습니다. 몸이 끝내 오지 않은 무언가에 대비했던 그런 느낌이었습니다. 누르는 작은 칸의 벽에 묶인 침낭 속에 누워 팬이 웅웅거리는 소리를 들었습니다. 머릿속은 자꾸만 절차를 한 단계씩 되짚어 갔습니다. 그러다 누르의 머리는 거슬러 올라가기를 좋아했기 때문에, 훈련을 지나고 하루를 지나 더 멀리, 이 밤들 동안 생각해 온 질문들까지 거슬러 올라갔습니다.

그날 저녁 일찍 사미가 메시지를 보냈습니다. 누르가 금방 답할 수 없는 질문이었습니다. "시간을 계속 거슬러 올라가서 처음 몇 분보다 더 앞으로 가면 뭐가 있어? 그리고 더 이상 아무도 모르는 지점이 있어?" 잠 못 드는 밤에 어울리는 좋은 질문이었습니다. 솔직한 답에는 두 부분이 있습니다. 거슬러 올라가면 우리가 아는 어떤 세상보다 더 이상하고 더 단순한 세상이 나옵니다. 그리고 그렇습니다. 아무도 모르는 지점이 있습니다.

더 거슬러 올라가기

지난번 밤에 우리는 양성자와 중성자가 결합해 헬륨을 만든 처음 몇 분을 보았습니다. 그 전에는 우주가 더 뜨거웠고, 양성자와 중성자는 자유롭게 돌아다녔습니다. 오늘 밤에는 다시 더 거슬러 올라갑니다. 더 거슬러 올라갈수록 모든 것이 더 뜨겁고 밀도가 높아집니다. 그리고 온도가 올라가면, 우리가 보통 단단하고 변하지 않는다고 여기는 것들이 분해되기 시작합니다.

이렇게 그려 볼 수 있습니다. 냄비 속의 얼음을 떠올려 보세요. 가열하면 물이 됩니다. 더 가열하면 물은 수증기가 됩니다. 같은 분자들이 있지만, 온도마다 다르게 행동합니다. 이제 그 수증기를 부엌에서는 상상도 할 수 없을 만큼 가열한다고 생각해 보세요. 물 분자는 수소와 산소 원자로 쪼개집니다. 더 가열하면 전자가 원자에서 떨어져 나갑니다. 그보다 더 가열하면 원자핵마저 양성자와 중성자로 쪼개집니다. 초기 우주는 팽창하고 식으면서 이 모든 단계를 반대 방향으로, 가장 뜨거운 단계에서 가장 차가운 단계로 거쳐 왔습니다.

그러니 처음 몇 분에서부터 필름을 거꾸로 돌리면, 우주가 엄청난 속도로 움직이는 자유로운 양성자, 중성자, 전자, 빛으로 이루어진 걸쭉한 수프였던 때에 이릅니다. 그보다 더 이전으로 가면 양성자와 중성자조차 아직 존재하지 않던 때에 이릅니다. 양성자와 중성자는 쿼크라고 부르는 더 작은 조각들로 이루어져 있습니다. 양성자는 쿼크 세 개의 작은 무리이며, 아주 강한 힘으로 묶여 있어서 오늘날의 우주에서는 쿼크가 홀로 발견되는 일이 결코 없습니다.

전자는 다릅니다. 지금까지 잴 수 있었던 범위 안에서 전자는 더 작은 조각으로 이루어져 있지 않습니다. 쿼크와 마찬가지로 자연의 진짜 기본 입자 가운데 하나인 것으로 보입니다. 그래서 보통 물질을 이루는 가장 작은 벽돌의 목록은 놀랄 만큼 짧습니다. 양성자와 중성자를 만드는 두 종류의 쿼크, 그리고 전자입니다.

우주가 극도로 젊었을 때는 너무 뜨거워서 쿼크가 양성자와 중성자 안에 갇혀 있지 않았습니다. 쿼크들은 그 사이에서 강한 힘을 전하는 입자들과 함께 일종의 뜨겁고 밀도 높은 혼합물 속을 자유롭게 움직였습니다. 그러다 우주가 생긴 지 약 100만분의 1초가 되었을 때, 쿼크가 셋씩 모일 수 있을 만큼 충분히 식었습니다. 양성자와 중성자가 생겨났습니다. 그때부터 그것들이 처음 몇 분 동안 쓰일 벽돌이 되었습니다.

100만분의 1초라고 하면 아무것도 아닌 것처럼 들립니다. 눈 한 번 깜빡이는 것보다 훨씬 짧습니다. 하지만 젊은 우주에서는 그렇게 짧은 시간에도 아주 많은 일이 일어났습니다. 모든 일이 너무나 빨리 일어났기 때문입니다. 물리학자들은 초기 우주를 보통의 초가 아니라 얼마나 식었는지로 재야 한다고 말하기도 합니다. 온도가 한 단계씩 내려갈 때마다 새로운 질서가 생겨났고, 수프는 천천히 우리 세상의 조각들로 바뀌어 갔습니다.

초기의 열기를 담은 작은 방울

그렇게 짧고 그렇게 뜨거운 시간을 어떻게 연구할 수 있을까요? 답의 일부는 과학자들이 지구에서 그 작은 방울을 다시 만들어 낼 수 있다는 것입니다. 입자 가속기라고 부르는 큰 기계 안에서, 무거운 원자의 중심부를 거의 빛의 속도까지 가속한 다음 서로 충돌시킵니다. 1초의 아주 작은 일부 동안, 먼지 한 톨보다 훨씬 작은 공간에서 그 충돌은 아주 젊은 우주와 같은 온도를 만들어 냅니다.

그 작은 방울 속에서, 충돌하는 원자들의 양성자와 중성자는 잠깐 쿼크로 녹아내리고 뜨거운 혼합물이 생겨납니다. 그러고는 거의 곧바로 식어서 보통의 입자로 되돌아가며, 그 입자들은 충돌 지점을 둘러싼 검출기로 날아갑니다. 무엇이 나오는지 연구함으로써 과학자들은 그 뜨거운 혼합물이 어떻게 행동하는지 알아낼 수 있습니다. 이렇게 해서 지구의 한 일터인 실험실이 처음 100만분의 1초를 들여다보는 작은 창이 됩니다.

이런 실험들은 놀라움을 안겨 주었습니다. 많은 물리학자가 쿼크의 뜨거운 혼합물이 묽은 기체처럼 행동할 것이라고 예상했습니다. 그런데 실제로는 오히려 액체처럼 행동했고, 끈적임이 거의 전혀 없이 물이나 지구의 다른 어떤 액체보다 매끄럽게 흐르는 액체였습니다. 이것은 생각만으로는 아무도 짐작할 수 없었을 젊은 우주에 관한 무언가를 알려 줍니다. 실험이 왜 중요한지를 잘 일깨워 줍니다.

이런 기계는 사람이 지금까지 만든 가장 큰 기구 가운데 하나입니다. 수천 명의 엔지니어와 기술자, 과학자가 밤낮으로 교대하며 그 기계에서 일합니다. 어떤 사람은 케이블을 점검합니다. 어떤 사람은 측정값을 분류하는 컴퓨터 프로그램을 짭니다. 어떤 사람은 밤새 화면을 지켜보다가 무언가 이상해 보이면 도움을 청합니다. 정거장과 마찬가지로 이런 기계도 평범한 일을 꼼꼼하게 해내는 많은 사람이 움직이며, 그 일들이 모여 시간의 시작에까지 손을 뻗습니다.

이것이 무엇을 뜻하고 무엇을 뜻하지 않는지 분명히 해 두는 것이 중요합니다. 이 기계들은 새로운 우주를 만들어 내지 않으며, 그런 식으로 위험하지도 않습니다. 아주 작은 공간에서 아주 짧은 순간 동안 초기 우주와 같은 온도를 만들어 낼 뿐입니다. 물리 법칙은 여기서나 거기서나 같기 때문에, 그 작은 공간에서 일어나는 일은 초기 우주가 그 온도에서 어떻게 행동했는지를 알려 줍니다. 더 거슬러 올라가려 할수록 더 높은 온도가 필요하며, 어느 지점에 이르면 그 온도는 어떤 기계로도 결코 닿을 수 없을 만큼 높아집니다.

양성자와 중성자가 생겨난 때까지, 그리고 그보다 조금 더 이른 때까지는 과학자들이 큰 줄거리에 대해 꽤 확신하고 있습니다. 그 시기의 온도는 이런 방법으로 검증할 수 있기 때문입니다. 그보다 앞으로 가면 이야기는 점점 덜 확실해집니다. 물리학자들은 더 이른 시기에 대해서도 좋은 생각들을 갖고 있으며, 검증할 수 있는 범위까지는 같은 법칙을 씁니다. 하지만 맨 처음에 가까워질수록 발밑의 땅은 덜 단단해집니다.

거울 입자를 찾아낸 사람들

오늘 밤 이야기에서 가장 이상한 부분 가운데 하나는 반물질입니다. 공상 과학 영화에나 나올 것처럼 들리지만 실제로 있으며, 그 발견은 과학이 때로 어떻게 움직이는지를 잘 보여 줍니다. 1930년 무렵 한 물리학자가 아주 빠르게 움직이는 전자의 행동을 설명하는 방정식을 연구하고 있었습니다. 그 방정식은 뜻밖의 무언가를 말하는 것 같았습니다. 무게는 같지만 전기는 반대인, 전자의 쌍둥이를 허용하는 것처럼 보였던 것입니다.

처음에 많은 물리학자는 이것을 어떻게 받아들여야 할지 몰랐습니다. 어쩌면 수학의 이상한 특징일 뿐인지도 몰랐습니다. 그러다 1932년, 우주에서 날아오는 입자들이 남긴 궤적을 사진으로 찍던 한 젊은 연구자가 엉뚱한 방향으로 휘어진 궤적을 보았습니다. 전자와 비슷하지만 양의 전기를 띤 입자였습니다. 쌍둥이는 실제로 있었습니다. 그 입자에는 양전자라는 이름이 붙었습니다. 나중에 과학자들은 모든 종류의 입자에 이런 거울 쌍둥이가 있다는 것을 알아냈습니다. 이 쌍둥이들을 통틀어 반물질이라고 부릅니다.

반물질은 물리학자들만의 이야기가 아닙니다. 오늘날 반물질은 실험실에서 만들어지며, 어떤 병원에서는 근무일마다 반물질을 씁니다. 한 종류의 의료 검사에서는 몸속에서 양전자를 내놓는 특수한 물질을 아주 조금, 세심하게 조절된 양만큼 환자에게 투여합니다. 양전자가 보통의 전자와 만나면 둘은 사라지면서 작은 에너지의 번쩍임으로 바뀌고, 환자를 둘러싼 기계가 그 번쩍임을 감지합니다. 의사들은 이런 검사로 몸의 각 부분이 어떻게 일하고 있는지 봅니다. 오늘 밤 어딘가에서도 야간 근무 중인 간호사나 기사가 바로 그런 검사를 준비하고 있을지 모릅니다.

그 사라지는 재주가 오늘 밤 수수께끼의 열쇠입니다. 입자가 반물질 쌍둥이를 만나면 둘 다 사라지고 에너지만 남습니다. 그리고 뜨거운 젊은 우주에서는 입자와 그 쌍둥이가 끊임없이 에너지로부터 만들어지고 다시 없어지고 있었습니다. 물질과 반물질이 정확히 같은 양이었다면, 우주가 식으면서 그것들은 만나서 서로를 완전히 없앴을 것입니다. 빛 말고는 아무것도 남지 않았을 것입니다. 별도, 행성도, 사람도 없었을 것입니다.

하지만 무언가가 남았습니다. 우리가 아직 이해하지 못하는 이유로, 물질이 아주 조금 더 많았습니다. 대략 10억 쌍마다 입자 하나가 더 있었던 것입니다. 거대한 만남이 끝났을 때 쌍들은 빛으로 바뀌었고, 작은 여분이 남았습니다. 오늘날 우리가 보는 모든 것, 모든 별과 모든 은하가 그 작은 나머지로 만들어져 있습니다. 우주가 왜 반물질보다 물질을 조금 더 만들었는지는 물리학의 큰 미해결 질문 가운데 하나입니다. 과학자들이 답을 찾고 있지만, 아직 아무도 모릅니다.

오늘날의 물리학이 멈추는 곳

이제 사미의 질문의 두 번째 부분에 이르렀습니다. 더 이상 아무도 모르는 지점이 있을까요? 그렇습니다, 있습니다. 필름을 계속 거꾸로 돌려 처음 100만분의 1초를 지나면, 우주는 우리가 아는 어떤 한계도 없이 더 뜨겁고 더 밀도가 높아집니다. 어느 지점에 이르면 너무 뜨겁고 너무 밀도가 높아져서, 자연에 대한 우리의 가장 좋은 두 설명이 더 이상 서로 맞아떨어지지 않게 됩니다.

이 설명 가운데 첫 번째는 아인슈타인의 중력 이론입니다. 이 이론은 행성, 별, 은하 같은 큰 것들이 어떻게 움직이는지, 그리고 공간 자체가 어떻게 늘어날 수 있는지 설명합니다. 두 번째는 원자와 쿼크 같은 아주 작은 것들의 세계를 설명하는 이론으로, 물리학자들은 이것을 양자 이론이라고 부릅니다. 두 이론 모두 자기 영역에서는 아주 잘 들어맞습니다. 둘 다 여러 번 검증되었습니다. 하지만 우주 전체가 거리로는 극도로 작고 에너지로는 극도로 무거웠던 맨 첫 순간에는 두 이론이 동시에 필요할 것입니다. 그리고 그곳에서 통하는 하나의 이론으로 둘을 합칠 방법은 아직 아무도 찾지 못했습니다.

이 문제는 이렇게 그려 볼 수 있습니다. 아주 좋은 지도 두 장을 떠올려 보세요. 하나는 나라 전체를 산과 강까지 보여 주지만, 마을보다 작은 것은 나와 있지 않습니다. 다른 하나는 길 하나를 집 한 채 한 채까지 보여 주지만, 그 너머는 아무것도 없습니다. 두 지도 모두 저마다의 목적에는 훌륭합니다. 하지만 엄청나게 크면서도 아주 작은 세부로 가득한 곳을 지나가야 한다면, 어느 지도도 혼자서는 충분하지 않으며, 둘을 합친 지도는 아직 아무도 그리지 못했습니다.

그래서 맨 첫 순간에서는 오늘날의 물리학이 작동을 멈춥니다. 그 순간은 너무나 짧아서 그것을 가리킬 보통의 낱말이 없습니다. 100만분의 1초보다 훨씬 짧고, 어떤 시계로도 결코 잴 수 없는 그 무엇보다 짧습니다. 그때 무슨 일이 있었는지, 그리고 '그때'라는 말에 의미가 있기는 한지도 알려져 있지 않습니다. 언젠가 그것을 설명할 수 있을지도 모르는 새로운 이론을 연구하는 과학자들이 있습니다. 그들의 생각 가운데 일부는 흥미롭지만, 아직 증거로 확인된 것은 하나도 없습니다.

이것을 분명하게 말해 두는 것이 중요합니다. 흔히 잘못 이야기되기 때문입니다. 빅뱅 이론은 맨 첫 순간을 설명하지 않습니다. 그 뒤에 일어난 일을 설명합니다. 뜨겁고 밀도 높은 젊은 우주가 어떻게 팽창하고 식었는지, 어떻게 최초의 원소를 만들고 가장 오래된 빛을 풀어놓았으며 나중에 별과 은하를 이루었는지 말입니다. 이야기의 그 부분은 여러 종류의 증거가 뒷받침합니다. 첫 순간 그 자체, 그리고 그 전에 무엇이 있었느냐는 질문은 여전히 우리가 아는 것 너머에 있습니다.

여기에 부끄러울 것은 없습니다. 좋은 지도는 자기가 어디서 끝나는지 정직하게 보여 줍니다. 옛 뱃사람들의 지도는 아직 탐험하지 못한 곳을 빈칸으로 남겨 두기도 했습니다. 그 빈칸은 실패가 아니었습니다. 초대였습니다. 마찬가지로 우주의 맨 처음에 있는 빈칸은 과학 전체에서 가장 흥미로운 곳 가운데 하나이며, 많은 사람이 그 빈칸을 조금이라도 채우려고 끈기 있게 일하고 있습니다.

사미에게 보내는 메시지

어두운 바다 위 어딘가에서 누르는 마침내 잠이 오는 것을 느꼈습니다. 잠들기 전에 누르는 태블릿을 집어, 지금쯤 쉬는 시간을 보내고 있을 사미에게 썼습니다. "더 이상 아무도 모르는 지점이 있냐고 물었지. 있어. 처음 100만분의 1초보다 더 앞으로 갈수록 점점 덜 확실해지고, 맨 첫 순간에 대해서는 아무도 전혀 몰라. 가장 뛰어난 과학자들조차. 모르는 건 괜찮은 거야."

사미는 조금 뒤에 답했습니다. 자기 관리자도 모든 걸 아는 건 아닌데 아는 척을 한다면서, 과학자들이 더 좋다고 했습니다. 누르는 칸의 어둠 속에서 미소를 지었습니다. 그러고는 태블릿을 끄고, 팬이 웅웅거리는 소리에 실려 잠이 들었습니다.

일을 마친 어떤 밤에는 여러분의 머릿속도 이미 끝난 하루를 되짚으며 쉬지 않고 돌아갈지 모릅니다. 그런 밤에는 우주에조차 아무도 완전히 이해하지 못하는 시작이 있다는 것을 떠올리면 묘한 위안이 됩니다. 모든 질문이 아침이 오기 전에 답을 얻어야 하는 것은 아닙니다. 어떤 질문은 평생 부드럽게 품고 다녀도 여전히 좋은 길동무가 됩니다.

흔한 오해

많은 사람이 과학자들은 우주의 맨 첫 찰나인 '0초'에 무슨 일이 있었는지 정확히 안다고 생각합니다. 그렇지 않습니다. 오늘 밤 보았듯이 우리의 가장 좋은 이론들은 맨 첫 순간에서 작동을 멈추며, 그곳에서 통하는 이론은 아직 아무도 찾지 못했습니다. 과학자들은 1초의 아주 작은 일부가 지난 뒤부터 일어난 일은 자신 있게 설명할 수 있고, 시간이 뒤로 갈수록 더 확신합니다. 하지만 첫 찰나 그 자체는 여전히 알려져 있지 않으며, 정직한 과학자들은 그렇다고 말합니다.

또 많은 사람이 반물질은 공상 과학이 지어낸 것에 불과하다고 생각합니다. 반물질은 실제로 있습니다. 과학자들은 실험실에서 반물질을 조금씩 만들고, 반물질 입자는 우주에서 자연스럽게 날아오기도 하며, 어떤 병원 검사에서는 매일 반물질을 씁니다. 사실인 것은 오늘날의 우주에서 반물질이 아주 드물다는 점입니다. 거의 모든 반물질이 오래전에 물질과 만나 사라졌기 때문입니다. 그래서 우리는 일상생활에서 반물질을 만날 일이 없으며, 그래서 물질의 작은 여분이 그토록 중요한 수수께끼인 것입니다.

마지막으로, 많은 사람이 '우주가 아주 작았다'는 말을 우주가 더 크고 텅 빈 공간 안에 놓인 빛나는 공 같은 작은 물체였다는 뜻으로 상상합니다. 과학자들이 말하는 뜻은 그것이 아닙니다. 우주가 놓일 바깥 공간은 없었습니다. 과학자들이 우주가 작았다고 말할 때는, 그 안에 있는 모든 것 사이의 거리가 오늘날보다 훨씬 짧았고, 모든 것이 아주 빽빽하게 모여 있었으며 아주 뜨거웠다는 뜻입니다. 우주는 공간 속으로 팽창한 것이 아닙니다. 공간 자체가 늘어난 것입니다. 다음 밤에는 다시 앞으로 나아가, 가장 오래된 빛 이후 우주가 최초의 별들을 기다리던 조용하고 어두운 시기로 가 보겠습니다.