물리학과 첨단기술 JUNE 20 20 51
내 속의 또 다른 나
김 영 균
저자 약력 김영균 교수는 고려대학교 물리학과를 졸업(이학 사)하고 한국과학기술원 물리학과에서 이학박사 학위를 받은 후, 현재 광주교육대학교 과학교육과 교수로 재직 중으로 물리학회 물리학과 첨단기술 편집위원을 맡고 있다.(ygkim@gnue.ac.kr) 프리랜서 통역사로 일하기 위해 캐나 다에서 북부 이탈리아로 이사 온 다이앤 플레처는 집에서 샤워를 하던 도중 의식 을 잃고 욕실바닥에 쓰러졌다. 일산화탄 소 중독이었다. 온수 가열기의 배기구가 잘못 설치된 탓이었다. 다행히 목숨을 건 졌지만, 그녀는 뇌에 손상을 입었고 시각 (視覺)에 문제가 생겼다. 눈앞에 물건을 보여주어도 그것이 무엇인지 알아보지 못했다. 말하자면 장님이 된 것이었다. 그런데 다이앤을 검사하던 신경심리학자 데이비드 밀너는 다이앤의 놀라운 점을 하나 발견했다. 밀너 박사가 연필을 들고 이것이 무엇이냐고 묻자, 혼란스러워 하 던 다이앤은 “이리 줘보세요. 무엇인지 보게.”라고 말하며, 빠르고 정확하게 그 의 손에서 연필을 뺏어갔다. 장님이라고 는 생각할 수 없는 능숙함이었다. 흥미를 느낀 밀너 박사는 다이앤에게 이번에는 수직으로 가늘게 뚫린 구멍(우편물 투입 구)을 보여주며 그것이 수직인지 수평인 지 물었다. 그녀는 모르겠다고 대답했다. 하지만 편지를 구멍에 넣어보라고 하자, 다이앤은 잠시 망설이다가 편지를 받아 들고, (구멍의 방향이 어떤 방향인지 말 하지도 못하면서) 능숙한 동작으로 편지 를 구멍에 집어넣었다. 마치 “그녀 속에 있는 무의식적인 [하지만 완벽하게 깨어 있으며 복잡하고 숙련된 동작을 수행할 수 있는] 좀비가 그녀의 행동을 안내하고 있는 것 같았다.” 도대체 다이앤의 몸속 에서는 무슨 일이 벌어지고 있는 것일 까? 빌라야누르 라마찬드란 박사와 같은 신경과학자들에 따르면, “안구(眼球)에서 오는 메시지는 시신경을 지나 두 개의 경로로 나뉘게 된다. 하나는 발생학적으 로 오래된 경로이고, 다른 하나는 인간을 포함한 영장류에서 매우 발달된 새로운 경로이다.” 이 ‘새로운’ 경로는 다시 두 개의 흐름으로 갈라지는데, (두정엽에서 끝나는) ‘어떻게’ 경로(how pathway)는 주로 시각적으로 유도되는 운동과 관련 되어 있고, (측두엽으로 이어지는) ‘무엇’ 경로(what pathway)는 사물을 인식하는 것과 관련이 있다. 다이앤의 경우, ‘무엇’ 경로가 선택적으로 제거되었지만 ‘어떻게’ 경로는 손상을 입지 않았다. “그 결과, 손을 뻗어서 정확하게 연필을 쥘 수 있 었고 편지를 올바른 각도로 돌려 볼 수 없는 구멍에 집어넣을 수 있었던 것이 다.” 그녀의 무의식적 “‘좀비’는 아직 큰 손상을 입지 않은 어떻게 경로에 대응하 고”, 의식적인 “‘사람’은 심하게 손상을 입은 무엇 경로에 대응”하는 셈이다. “다 이앤 같은 환자들을 대상으로 한 실험과 관찰은, 우리도 모르는 사이에 자신의 일 을 하고 있는 다른 존재가 우리 안에 있 음을 암시한다.” 오스트리아의 신경과 의사였던 지그문 트 프로이트(Sigmund Freud, 1856~ 1939)는 의식적 마음은 그저 허울일 뿐 이며, 두뇌에서 실제로 진행되는 일의 대 부분은 우리가 전혀 의식하지 못한다는 점을 ‘발견’했다. “그에 따르면, 우리가 ‘무엇을 장악하고 있다’는 인간적 생각은 환상에 불과하다. 우리가 삶에서 행하는 모든 일은 무의식적인 감정, 욕구, 동기 등에 의해 지배된다. 의식이라는 것은 우 리의 행위를 사후적으로 세련되게 정당 화시켜주는 빙산의 일각과 같은 것이다.” 흥미롭게도, 천문학자들과 물리학자들은 우리 우주의 대부분은 (아직) 정체를 알 지 못하는 물질과 에너지로 이루어져 있 으며, 우리가 볼 수 있는 수많은 별과 은하들, 그리고 우리가 정체를 알고 있는 물질들은 그야말로 빙산의 일각에 불과 하다는 것을 알게 되었다. 우리의 의식이 무의식의 영향을 받는 것처럼, ‘눈에 보 이는’ 별과 은하들도 ‘눈에 보이지 않는’ 물질과 에너지에 의해 심대한 영향을 받 는다. 사실, 있는지도 몰랐던 이른바 암 흑물질과 암흑에너지의 존재를 알게 된 것도 별과 은하들의 ‘이상 증상’을 통해 서였다. 마치 프로이트가 환자의 히스테 리 증상을 통해서 무의식을 발견했던 것 처럼. 암흑물질 분야의 선구자 중의 한 명인 천문학자 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)는 1898년 불가리아에서 태어났다. 아버지 는 스위스 사람이었고, 어머니는 체코 혈 통이었다. 어린 츠비키가 스위스에서 교 육받기를 원했던 그의 부모는 그를 여섯 살에 조부모가 살고 있는 스위스로 보냈 다. 츠비키는 1916년에 취리히 연방공과 대학교(ETH)에 입학했고, 당시 새로운 과학이었던 양자역학을 결정(結晶, crys- tals)에 적용하는 연구로 1922년에 박사 학위를 취득했다. 양자역학을 미국으로 들 여오고 싶어 했던 록펠러 재단(Rockefeller Foundation)은 츠비키에게 미국에서 연 구할 기회를 주었다. 재단 측 사람들이 미국의 어디로 가고 싶은지 묻자, 스키와 등산을 좋아했던 츠비키는 ‘산이 있는 곳’이라고 대답했다. 결국 캘리포니아 주 패서디나(Pasadena)에 있는 캘리포니아 공과대학(Caltech)으로 가게 되었다. 전물리학과 첨단기술 JUNE 20 20 52 해지는 말에 따르면, 1925년에 패서디나 에 도착한 츠비키는 (전자의 전하를 측정 하는 기름방울 실험 등의 업적으로 1923 년도 노벨상을 수상한) 칼텍의 로버트 밀리 칸(Robert Andrews Millikan, 1868~ 1953) 교수에게 등산할 만한 산이 어디 있는지 물어 보았다. 밀리칸은 1700미터 가 넘는 윌슨 산(Mount Wilson)을 가리 키며 “저기 보이죠?”라고 말했다. 츠비키 는 “네, 작은 언덕 몇 개가 보이네요.”라 며 투덜거렸다. 밀리칸은 츠비키가 원자와 결정들의 양자역학적 구조에 관한 이론적인 연구 를 하기를 바랐지만, 츠비키는 점점 천문 학에 관심을 기울이기 시작했다.(다른 전 언에 따르면, 츠비키가 ‘위대한 학자라면 새로운 연구 분야라도 몇 년 안에 좋은 아이디어를 낼 수 있어야 한다’고 큰소리 치자, 밀리칸이 ‘그러면 천문학을 해보라’ 고 권유했다고 한다.) 그도 그럴 것이 패 서디나에는 직경 2.5 m에 달하는 세계에 서 가장 큰 망원경을 가진 윌슨 산 천문 대가 있었다. 그곳에서 천문학자 에드윈 허블(Edwin Powell Hubble, 1889~1953) 은 1923년에 안드로메다 성운을 개개의 별들로 분해해 볼 수 있었고, 나선 팔에 서 몇 개의 세페이드 변광성(Cepheid variables)을 발견했다. 세페이드 변광성 은 밝기가 주기적으로 변하는데, 변광성 의 변광주기와 절대광도(절대밝기) 사이 의 관계가 이미 알려져 있었다. 이 관계 를 이용하면 변광주기를 측정해 절대광 도를 알 수 있다. 그러면 (광원이 멀리 있을수록 어둡게 보이므로) 변광성의 겉 보기 광도를 측정해 변광성까지의 거리 를 결정할 수 있게 된다. 세페이드 변광 성이 이른바 (절대광도를 알고 있는) ‘표 준 촛불(standard candle)’의 역할을 하 는 것이다. 허블은 이 방법을 이용해 안 드로메다 성운까지의 거리를 계산할 수 있었다. 결과는 놀라웠다. 안드로메다 성 운은 우리 은하로부터 멀리 떨어진 독립 된 은하라는 것이 처음으로 밝혀졌다. 마 찬가지로 수천 개의 비슷한 성운들도 우 리 은하와 같은 또 다른 은하들이었다. 이런 은하들이 모든 방향으로 광활한 우 주를 채우고 있다는 것을 발견한 것이다. 또한, 1929년에 허블은 외부 은하들의 적색편이(redshift)가 우리 은하로부터의 거리에 대략 비례한다는 것을 발견했다. 빛이 별의 뜨거운 표면에서 방출되어 외 부의 찬 대기를 통과할 때, (특정한 화학 적 원소들에 의해) 특정 파장들에 대한 선택적 흡수(selective absorption)가 일 어난다. 따라서 별의 스펙트럼에는 많은 검은 흡수선들이 나타난다. 움직이는 별 의 스펙트럼에서 나타나는 검은 흡수선 들은 태양 스펙트럼의 정상 위치에서 빨 간 색(긴 파장)이나 파란 색(짧은 파장) 쪽으로 약간 이동하게 된다. 이것은 움직 이는 파원에서 방출되는 파동의 파장은 정지해 있는 파원의 경우에 비해 길어지 거나 짧아지는 도플러 효과(Doppler effect) 때문이다. 파원이 관측자로부터 멀어지면 파장이 길어지고, 가까워지면 파장이 짧아진다.(멀어지는 기차 소리는 낮게 들리고, 다가오는 기차 소리는 높게 들린다.) 그런데 (“안드로메다은하 같은 몇 개의 이웃을 제외하고”) 다른 은하들 의 스펙트럼은 일반적으로 파장이 긴, 빨 간 색 쪽으로 이동하는 것이 관측된다. 즉, 우리로부터 멀어지는 것이다. 이러한 은하들의 적색편이가 우리 은하로부터의 거리에 비례한다는 허블의 발견은 우주 가 팽창하고 있다는 아주 놀라운 사실을 알려준다. 이런 분위기 속에서 츠비키는 자신의 천문학 연구를 수행해 나갔다. 뛰어난 관측천문학자 발터 바데(Walter Baade, 1893~1960)가 1931년, 함부르 크와 괴팅겐에서 패서디나로 왔다. 서로 성격은 많이 달랐지만, 츠비키와 바데는 둘 다 독일어가 모국어였고 서로의 재능 을 존경했다. 그들은 함께 천문학 문제들 을 논의하기 시작했다. 당시 천문학자들 은 급격히 이전 밝기보다 10,000배쯤 밝 게 타올랐다가 한 달 정도 후에 서서히 어두워져 다시 원래 밝기로 되돌아가는 신성(新星, nova)에 대해 알고 있었다. 츠비키와 바데는 1885년에 안드로메다 성운의 중심 근처에서 밝은 ‘신성’이 나 타났었다는 사실을 기억해냈다. 안드로메 다성운 자체의 밝기와 맞먹는 정도의 밝 기였다. 지구에서 관측된 겉보기 밝기는 우리 은하에서 발견되는 보통의 신성과 대략 비슷한 정도였지만, 허블의 관측대 로 안드로메다성운이 우리 은하로부터 아주 멀리 떨어진 외부 은하라면, 그 신 성은 보통의 신성일 수가 없었다. 보통의 신성보다 훨씬 많은 빛을 내는 신성이어 야만 했다. 츠비키와 바데는 안드로메다 성운의 그 신성이 얼마나 많은 빛을 내 야 하는지 계산해 보았다. 결과는 매우 놀랄 만한 것이었다. 그 신성은 밝게 타 오르는 동안 우리 태양보다 무려 1억 배 (현대의 더 정확한 계산으로는 100억 배) 더 많은 빛을 내야만 했다. 극단적인 것을 좋아했던 츠비키는 그것을 초신성 (supernova)이라 명명했다. 무엇이 짧은 시간 동안 이렇게 어마어 마한 에너지를 방출하는 초신성을 만드 는 것일까? 츠비키와 바데는 영국의 물 리학자 제임스 채드윅(James Chadwick, 1891~1974)이 1932년에 발견한 중성자 (neutron)가 문제 해결의 실마리가 될 수 있을 것이라 생각했다. 그들은 1934 년의 논문에서 “초신성이 한 평범한 별 의, 주로 중성자로 이루어져 있는 중성자 별(neutron star)로의 전이(transition)를 나타낸다는 관점을 제기”했다. 별의 중심 핵(core)이 수축하면서 중심핵 안에 있는 물질은 중성자들로 변한다. “중성자들은 보통의 원자핵들과 전자들보다 훨씬 더
물리학과 첨단기술 JUNE 20 20 53 가깝게 빽빽이 채워질 수 있으므로” 중 성자별은 (대략 10여 km 정도의) 아주 작은 반지름과 (원자핵의 밀도와 맞먹는) 극단적으로 높은 밀도를 갖게 된다. 중성 자별이 되면서 풀려나는 막대한 에너지 는 초신성의 폭발 에너지가 될 것이다. 츠비키와 바데가 도입했던 중성자별이라 는 개념은 사실 다른 사람들에게 무시당 하기도 했지만, 1967년에 고도로 자기화 되고(magnetized) 빠르게 자전하는 중성 자별인 펄사(pulsar)가 발견되면서 실험 적으로 검증되었다. 츠비키와 바데는 우주로부터 지구로 쏟아져 내려오는 높은 에너지의 입자들 인 우주선(cosmic rays)이 초신성 폭발 로부터 유래한다고 (부분적으로는 옳게) 주장하기도 했다. 또한, 츠비키는 초신성 에 대해 더 알아내기 위해 새로운 초신 성을 직접 찾아보기로 했다. 그는 팔로마 산 천문대에 1936년 18인치 슈미트 망 원경을 설치하도록 칼텍을 설득했으며, 평생 동안 120여 개의 초신성을 찾아냈 다. 그리고 초신성들을 여러 유형별로 분 류하는 분류체계를 만드는 데 기여하기 도 했다. 츠비키는 초신성이 수십억 광년 의 거리까지 우주를 조사할 수 있도록 만들어 줄 것이라 믿었다. 실제로, 이른 바 Ia형 초신성은 아주 먼 우주를 탐색 할 수 있는 새로운 표준촛불(standard candle)이 되었다. Ia형 초신성의 경우, 백색왜성이 근접한 다른 별의 물질을 흡 수하다가 백색왜성의 질량이 태양의 1.4 배 정도에 이르는 순간 초신성 폭발이 일어난다. 폭발하는 순간 모두 같은 질량 을 가지므로, 모든 Ia형 초신성들은 거의 같은 절대밝기를 갖는다. 1990년대 후 반, 과학자들은 먼 우주에 있는 Ia형 초 신성들이 예상보다 어두워 보인다는 것 을 발견했다. 이 관측 데이터는 우주가 가속팽창하고 있다는 매우 놀라운 사실 을 말해주며, 우리 우주에 암흑에너지가 존재한다는 것을 암시한다. 결과적으로 츠비키가 암흑에너지를 발견하는 데 기 여를 한 셈이다. 하지만 그것은 츠비키가 죽고 나서 한참의 시간이 흐른 후의 일 이었다. (다음에 계속) 참고문헌 [1] V. S. 라마찬드란, <라마찬드란 박사의 두 뇌실험실>, 바다출판사.
[2] S. M. Maurer, “Idea Man”, Beamline 31(1) (2001).
[3] 배리 파커, <보이지 않는 물질과 우주의 운 명>, 전파과학사.
[4] K. Winkler, Swiss American Historical Society Review 50(2), 23 (2014). [5] 스티븐 와인버그, <최초의 3분>, 양문. [6] 킵 S. 손, <블랙홀과 시간여행>, 반니. [7] W. Baade and F. Zwicky, On Super-
Novae, Proceedings of the National Academy of Sciences 20(5), 254 (1934).
[8] W. Baade and F. Zwicky, Cosmic Rays from Super-novae, Proceedings of the National Academy of Sciences 20(5), 259 (1934).
