교과서와 기원문제(13) 수소와 헬륨의 분포 비율이 빅뱅의 증거인가?
노휘성(과학교사), ACT뉴스 2016년 10월
거창하게도 빅뱅은 우주, 그야말로 우리가 접하고 있는 모든 것인 이 실제 세계의 탄생을 다루는 이론이다. 그마만큼, 이 이론이 얼마나 많은 것들을 설명해내야 할지 짐작할 수 있다. 우주의 가장 기본 물리적 요소인 시공간과 물질 그리고 물질들 사이에 작용하고 있는 힘의 형성을 설명해내야 함은 물론이다. 물론 이 세상이 물리적 요소로만 구성되는 것도 아니다. 하지만, 기본적인 물리 요소들만 따져본다해도 과학적으로 시간이 무엇인지, 공간이 무엇인지 알고 있는가? 과학자들은 아직 그 정의를 명확히 내리지 못한다. 그러므로 어떻게 존재하는지는 더욱 설명할 수 없다. 힘의 기원은 잘 설명하고 있을까? 강력, 약력, 전자기력, 중력 이 네가지 힘의 통합을 연구하는 것이 물리학의 한 분야이기는 하지만, 각각의 힘이 어떻게 형성되었는지는 아직 미지의 영역이다.
그렇다면, 빅뱅이론은 우주에 존재하는 물질들의 기원에 대해서는 타당한 설명을 제공하고 있을까? 우주론자들은 빅뱅 모델이 우주를 구성하고 있는 물질 중 대부분(99%)을 차지하고 있는 수소와 헬륨의 비율을 실제와 일치하게 예측해냈다고 말한다. 그리고 이 점을 빅뱅이론의 매우 성공적인 근거로서 제시하여 왔다.
현재 우주에서 수소와 헬륨의 비율은 3:1 정도로, 각각 우주 전체 물질의 75%, 25% 가량을 차지한다고 보고 있다. 그런데, 이 비율이 빅뱅 이후 핵합성(nucleosynthesis)과정으로 형성되었을 것으로 예측되는 수소와 헬륨의 비율과 일치하기 때문에 빅뱅이 물질계를 잘 설명하는 이론이라는 것이다. 그러한 이론과 실제와의 일치는 어떠한 과정으로 도출된 것일까? 빅뱅지지자인 로렌 크라우스의 설명을 들어보자.
우주에서 관측되는 가벼운 원소들(수소, 헬륨, 리튬)의 풍부한 양을 매우 멋지게 설명해 내는 바로 그 계산은 우주에 존재해야 하는 보통 물질인 양성자와 중성자가 얼마나 있는지 즉 더 많아야 하는지 또는 적어야 하는지를 말해준다… 빅뱅에 의해 생성된 양성자와 중성자의 초기 밀도는 관측된 수소, 헬륨 그리고 리튬의 양에 맞춰서 결정된 것으로서, 우리가 별과 가스 등에서 볼 수 있는 물질의 양의 두 배 정도로 계산된다.(밑줄 역자 삽입)[1]
크라우스의 설명에서 우리는 빅뱅이론이 독립적으로 양성자와 중성자의 양을 계산해 낸 것이 아니라, 현재 우주에서 관측된 가벼운 원소들(수소, 헬륨, 리튬)의 양을 대입하여 계산해낸 것임을 알 수 있다. 빅뱅이 맞다는 전제 하에 관측된 비율을 도입해서 물질의 양을 계산한 후 실제 분포와 이론의 예측이 일치한다고 주장한다면, 이는 분명 순환논리이다. 더군다나 이렇게 계산해낸 양성자와 중성자의 양이 전자기파로 감지할 수 있는 물질의 양의 두배에 해당하기 때문에 나머지 절반의 물질들(관측되지 않는 물질들)이 숨어있는 상태로 존재할 것이라고 한다. 그럼에도 불구하고, 과학 교과서는 다음과 같은 서술을 통해 빅뱅 모델을 우주의 물질 분포에 대해 정확한 예측을 해낸 이론으로 가르치고 있다.
이처럼 우주를 구성하는 물질에서 각 원소가 가지고 있는 고유한 흡수 스펙트럼의 강도를 비교하여 알아낸 수소와 헬륨의 질량 비율은 대부분의 별에서 약 3:1로 나타난다. 이 비율은 빅뱅에서 예측하는 3:1의 값과 일치한다. 이러한 결론으로 우주 기원에 대한 빅뱅 이론은 확고한 지지를 얻었다.[2]
그러나 허벌트 박사(Ph.D. in physics)는 ‘이 성공적인 계산은 관측된 양에 일치시키기 위해 빅뱅 모델에 짜맞춰 넣은 것이기 때문에 빅뱅이론이 주장하듯 가벼운 원소의 양을 성공적으로 예측해냈다는 평가는 시기상조인 것 같다’[3]고 말하고 있다. 이처럼 빅뱅이라는 우주 기원 모델을 확고한 이론으로 보호하려고 하는 시도들이 반 세기가 넘게 진행되어 왔다. 좋은 이론은 실제에 대해 예측성이 높아야 하지만, 빅뱅이론은 예측성이 높아 보이도록 만들어 왔다고 말하는 것이 더 정확한 표현일 것이다. 일반인들에게 알려진 것처럼 우주의 물리적 기원을 거뜬히 설명하는 모델이 아닌 것이다.
전도자는 묻는다. “어떤 사람이 지혜 있는 사람인가? 사물의 이치를 아는 사람이 누구인가?”(전 8:1a) 그리고 권면한다. “육체가 왔던 흙으로 돌아가고, 숨이 그것을 주신 하나님께로 돌아가기 전에, 네 창조주를 기억하여라”(전 12:7) 우리의 영혼이 물질로 이루어진 육체와 분리가 되는 날이 오기 전에 물질 영역과 비물질 영역 모두의 창조자요, 구원자이신 하나님 안에서 궁극에 대한 답을 찾아야 할 것이다.
[1] Krauss, L. M. 2012. A Universe from Nothing. New York: Free Press, 24-25
[2] 안태인 외 11인, 고등학교 과학, 금성출판사, p.32, 2011
[3] Hebert, J. 2013. Dark Matter, Sparticles, and the Big Bang. Acts & Facts. 42 (9); 17-19
