조지 스무트 "우주의 설계도"에 관하여

저는 어떻게 하면 약간이나마 여러분들이 세상을 바라보는 시각을 바꾸고 자연속에 담겨진 계획적인 측면을 보여줄 수 있을까 고민했습니다. 이제부터 슬라이드를 가지고 우주의 시작과 우주 탐사라고 불리는 것에 대하여 이야기하겠습니다. 그것은 창조의 흔적을 관측하고 태초에 무슨 일이 일어났는가를 추측하고 이해하기 위한 것입니다.

여러분들께 이런 질문을 드려 보겠습니다. 주위를 둘러보세요. 무엇이 보이시나요? 디자이너가 설계하고 사람들의 노력으로 창조된 공간을 보게 되죠. 하지만 여러분이 보고있는 것들의 실체는 이미 존재하고 있던 물질들이 임의의 형태로 가공된 상태입니다. 그럼 이런 의문을 갖게 되죠. -- 그 물질들은 어디서 온 것일까요? 그 물질들은 가공하기 전에 어떻게 그런 상태를 갖게 된 것일까요? 이것은 연속성에 관한 문제이고, 또한 저의 주된 관심사인 어떻게 우주가 형성되었는지의 문제입니다. 우주의 기원과 진화는 어떤 과정을 거쳤고 어떻게 이 모든 물질들이 생성될 수 있었을까요?

그럼 이제 허블우주망원경의 초심우주(Ultra Deep Field) 사진을 보여드리겠습니다. 사진 속에는 암흑속에 수많은 물체가 빛나는 것을 볼 수 있습니다. 4개의 빛나는 물체는 별이고 보시는대로 작은 플러스 기호 형태를 하고 있습니다. 이것과 이것은 별이고 나머지는 다 은하이죠. 여기를 보시면 수천개의 은하를 어렵지않게 볼 수 있습니다. 특히 우리 은하와 닮아있는 이 은하를 보고 있노라면 마치 거기서 예술대학의 컨퍼런스가 개최되고 있으며 지적생명체들이 설계방법을 고민하고 있고 또 거기에 우주학자가 몇명쯤 있어서 우주가 어떻게 생겨났는가를 생각하고 그중에는 우리 은하를 보고 여기서 일어나는 일을 알고 싶어하는 누군가가 있을 것 같다는 생각이 듭니다.

하지만 다른 은하들도 엄청나게 많습니다. 가까운 어떤 것들은 태양과 같은 색을 띄고 있고 멀리 있는것들은 조금 더 푸른 빛을 띄고 있습니다. 아마도 여러분은 이런 의문을 갖게 되겠죠. 도대체 얼마나 많은 은하가 있는걸까요? 이건 그저 하늘의 일부분을 보여줬을 뿐입니다. 여기엔 겨우 1000개의 은하밖에 없습니다. 허블우주망원경으로 관측가능한 은하는 우주 전체를 관측할 시간만 있다면 대략 천억개 정도 될거라고 봅니다. 엄청난 숫자지요. 우리은하에 있는 항성의 숫자도 대충 그정도 됩니다.

하지만 이런 사진을 보면 어째서인지 몰라도 항성보다 은하 쪽이 많습니다. 따라서 이러한 의문을 가질 수 밖에 없습니다. 어떤 디자인과 창조적인 프로세스가 우주를 이런 식으로 만들어 놓았는가 하는 것입니다. 저는 그게 매우 복잡하다는 것을 알려 드리려고 합니다. 우리는 시행착오를 겪으면서 나아가고 있는거죠. 이 연구에서 도움이 됐던 것이 하나 있습니다. 사실, 우주는 너무나 넓어서 어떤 의미에서는 타임머신이라고도 볼 수 있습니다. 저희는 우주를 여러 층으로 된 구체로 묘사했는데요. 지구에서 관측을 하고 있기 때문에 지구를 구체의 중심에 놓아 두었습니다. 달은 빛의 속도로 2초 거리에 있어서 달의 사진을 찍으면 2초전의 달이 찍히게 됩니다. 2초는 사실 현재나 다름없는거죠. 태양은 8분전입니다. 이건 폭발하는 플레어로부터 도망쳐야 할 때 외에는 큰 문제가 되지는 않습니다. 위협이 있을 때 조금이나마 미리 경고를 할 수는 있겠네요.

하지만 목성의 경우 빛의 속도로 40분 걸립니다. 이건 문제가 있죠. 화성과 통신을 하는것도 큰일입니다. 빛이 왕복하는데 긴 시간이 필요하기 때문이죠. 게다가 가장 가까운 40-50개의 별들 까지는 10년정도 걸립니다. 사진을 찍어도 10년전의 모습을 보는거죠. 은하 중심의 경우에는 몇 천년 전의 모습을 보게 됩니다. 가장 가까운 안드로메다 은하는 200만년 전의 모습입니다. 지구에서 200만년 전이라고 하면 인간이 나타나기 전이기 때문에 인간의 흔적이라곤 없을 때 입니다. 이건 여러분께 우주의 크기에 대한 감각을 알려 드리려는 겁니다. 우리들은 허블우주망원경을 사용하여 수억년에서 수십억년에 이르는 시간을 보고 있습니다.

더 먼 곳을 보는 방법을 알아낼 수 있다면 - 저는 그런 것들을 많이 연구해왔습니다. - 항성과 은하가 생겨나기 전의 모습, 지금과 달리 뜨겁고 밀도가 높았던 시기의 우주의 과거 모습을 볼 수도 있을 것입니다. 그런 순서대로 나열하고 있는 것이고요, 이것은 다른 이미지를 나타내고 있습니다. 한가운데 보이는 것이 우리가 속해 있는 은하입니다. 주변을 가까운 은하들이 감싸고 있습니다. 구체는 서로 다른 시간의 스케일을 표시합니다. 이 뒤에 있는 것은 더 최근에 발견한 은하입니다.

전체 모습을 아시겠나요? 시간의 탄생은 재미있습니다. 바로 지구밖에 펼쳐져 있죠. 거기에다 우주에는 우리들이 볼 수 없는 부분이 있습니다. 너무나 밀도가 높고 뜨거워서 빛이 나오지 않는것이죠. 태양의 중심을 보는것이 불가능한 것과 마찬가지입니다. 태양의 내부에서 일어나고 있는 일을 알기 위해선 다른 방법이 필요합니다. 하지만 우리는 태양의 겉모습은 볼 수 있습니다. 우주도 그러한 방식으로 보는 것이 가능합니다. 바깥을 둘러싼 부분에서 모델이 되는 부분을 볼 수 있습니다. 이건 빅뱅으로부터 생겨난 복사에너지입니다. 그건 놀라울 정도로 똑같은 모습을 하고 있죠. 우주는 거의 완벽한 구체입니다. 거기 아주 조그만 변화가 있었는데 이 그림에서 극단적으로 확대시켜 보여주고 있습니다. 시간이 흐름에 따라 이러한 작은 차이가 불규칙한 은하와 최초의 항성들이 되고 보다 발전된 형태의 은하를 거쳐 최종적으로 태양계가 생겨났습니다.

거대한 디자인 작업이죠. 이제 어떤 식으로 이루어져 왔는지 한번 보죠. 몇개의 인공위성들이 이러한 것들을 측정해 왔습니다. 1989년에 쏘아 올려진 코비(COBE) 인공위성이 이러한 변화를 발견하였습니다. 2000년에는 W맵(WMAP) 인공위성이 쏘아 올려졌고 보다 선명한 사진을 찍을 수 있게 되었습니다. 올해말에는 - 이건 끝내주게 비밀스런 위성인데 디자인이 상당히 멋집니다. - 플랭크(Planck) 인공위성이 쏘아올려질 것이고 이 위성은 상당히 정확한 지도를 만들 것입니다. 이러한 식으로 우주의 시작을 이해하기 위해 작업을 해 나가고 있는 것입니다.

우주에 있는 이러한 변화들은 시공간의 구조와 우주의 구성요소 그리고 우주의 시작에 관한 비밀을 알려 줄 것입니다. 여기 이 그림을 보시면, 꽤 화려하죠. 이제 우주의 시작으로 돌아가 보겠습니다. 무언가 알 수 없는 프로세스가 발단이 되어 우주가 시작되고 일정기간의 팽창기를 거쳐 우주가 냉각되고 투명하게 된 시점에 이르렀습니다. 그리고 암흑시대 이후, 최초의 항성이 빛을 발합니다. 거기서부터 은하, 그리고 은하단이 형성됩니다. 그 사이에 어딘가에서 태양계가 형성되어 지금과 같은 형태로 성장했습니다. 경이적인 모습이죠. 이 쓰레기통 밑바닥 같은 부분은 팽창기 시공간의 구조자체의 변화를 나타낸 것입니다. 정말로 기묘한 모델이죠. 여기엔 어떠한 증거가 있는걸까요?

이 결과 생겨난 자연계의 패턴을 몇가지 보여드리겠습니다. 저는 시공간이야말로 우주의 본질이며 은하와 별은 바다의 거품과 같은것이라고 생각합니다. 이건 흥미로운 파도는 어디에 있고 또 무엇이 일어났는가를 나타내는 것입니다. 이것은 '슬로안 디지털 천체 탐사계획'에서 관측한 100만개의 은하의 위치입니다. 하나하나의 점이 은하의 위치를 나타내고 있습니다. 연구에 따르면 하늘을 향해 망원경을 대고, 사진을 찍어 거기서 항성들은 제외하고 은하에만 주목하여 그 거리를 추정하고 지도를 만들면 이러한 방사형 지도가 만들어집니다. 우주의 커다란 구조인 '그레이트 월(Great Wall)'이 보입니다. 한편으로는 빈 공간에 있는 부분과 어두운 부분도 있습니다. 이건 망원경이 충분히 민감하지 않아서이죠.

이제 3D로 한번 보죠. 어떤것인가 하면 지구의 자전에 맞춰 부채꼴 모양으로 우주를 촬영합니다. 여기엔 우리은하에 가려져 보이지 않는 장소와 망원경의 성능상 보이지 않는 부분도 있습니다. 다음 영상에서는 3D로 빙글빙글 돌려서 보여주고 있습니다. 우주가 부채 모양으로 비춰져 있는것이 보이시나요? 하나하나의 점이 은하를 나타냅니다. 비교적 우리은하로부터 가까운 곳에서 아까 봤던 그레이트 월 이 보입니다. 복잡한 구조도 있고 빈 공간도 있습니다. 은하가 없는 장소도 있고 몇천개의 은하가 밀집한 곳도 보입니다. 흥미로운 패턴이 있는것도 같지만 그걸 찾기엔 데이터가 아직 부족합니다. 단지 100만개의 은하에 대한 데이터밖에 없기 때문이죠. 하늘에 떠 있는 100만개의 공을 보는것 같은 모습입니다. 이제 무슨일을 하는가 하면, 이것과 비슷한 조사방법으로 2도시야 은하 적색편이 관측(Two-degree Field of View Galaxy Redshift Survey)이라는 것이 있습니다.

이제 100만광년을 날아가 봅시다. 각 시간별로 은하가 있죠. 이 위치에 은하가 있습니다. 우리는 적색편이와 다른것들을 이용하여 은하의 종류와 색을 기록해 나가는 것입니다. 이것은 실제 관측결과를 나타내고 있는 것입니다. 은하의 한가운데 있을때는 패턴을 보기 힘들게 됩니다. 인생의 한 가운데 있는것 같은 것입니다. 관객들의 한 가운데 있으면 그 패턴을 알기 힘든것 같은 것입니다. 외부로 나가서 한번 둘러 보죠. 일단 조사방법의 구조를 알수 있습니다. 그리고 은하의 구조가 보이기 시작합니다. 이것은 외부에 있기 때문에 보이는 것입니다. 여기 그레이트 월이 우뚝 솟아 있는 것이 보입니다.

빈 공간이 있는것도 보입니다. 꽤나 복잡한 구조이죠. 대체 어떻게 이렇게 됐을까요? 자기자신이 우주 디자이너라고 생각해보십시요. 어떻게 은하를 이런 모양으로 만드시겠습니까? 그냥 제멋대로 내버려둔것만은 아닙니다. 좀더 복잡한 프로세스가 있는것입니다. 어떻게 그것을 만들어낸 것일까요? 드디어 컨퍼런스 주제인 '경건한 작업(Serious Play)'을 생각해볼 시간입니다. 우리들은 신의 역할을 진지하게 수행하지 않으면 안됩니다. 사람들의 생활을 바꾸는 것은 물론, 우주를 만드는 것에 대해서도 그 책임을 져야 한다면 어떻게 하시겠습니까? 어떤 기술을 쓰시겠습니까? 어떤일을 하시겠습니까?

이제 우리들이 생각하는 우주의 존재에 대한 대규모 시뮬레이션 결과를 보여드리겠습니다. 이건 인간이 필사적으로 연구해 왔지만 자연은 처음부터 알고 있었던 놀이와 디자인의 원칙을 사용하고 있는 것입니다. 매우 단순한 재료와 규칙으로부터 시작했습니다만 복잡해지기 위해서는 재료의 양이 충분해야만 합니다. 거기에 몇가지의 임의성과 변화를 더했습니다. 이제 여러가지 형태가 나타납니다.

이제부터 보여드릴것은 크기에 대응한 물질들의 분포입니다. 확대해보죠. 적절한 우주로 만들기 위해서는 재료를 하나 더 추가해야 합니다. 암흑물질이라고 부르는 것입니다. 저와 이 무대와 같은 보통의 물질과는 다른 빛과의 상호작용을 하지 않는 물질입니다. 암흑물질은 빛에 대하여 투과성을 가집니다만 여기에서는 흰색으로 표현하겠습니다. 지도에서 하얗게 보이는 부분은 암흑물질입니다. 눈에 보이지 않는 물질이라고 불러야만 합니다만 마치 우리들 눈에 보이는 것처럼 나타낸 것입니다. 노란 색을 띈 것들은 별과 은하가 되는 보통의 물질입니다.

이제 동영상을 보여드리겠습니다. 확대해보겠습니다. 이 패턴에 주목해 주십시요. 좀 더 확대해보겠습니다. 필라멘트 구조와 빈 공간이 보이죠? 수많은 필라멘트 구조들이 모여 매듭과 같이 되면 초은하단이 만들어집니다. 지금 확대하고 있는 부분에는 좁은 범위에 10만에서 100만의 은하가 있습니다. 우리는 완전 시골에 살고 있는거죠. 우리들은 태양계의 중심에 있지 않습니다. 은하의 중심에 있는것도 아니죠. 그리고 우리 은하는 은하집단의 중심에 있지도 않습니다.

계속 확대해보겠습니다. 10만개 이상의 은하가 있는 장소입니다. 이 지역에는 약 100만개의 은하가 있습니다. 좀더 확대해보죠. 제가 크기를 말하는걸 잊었네요. 1파섹은 3.26광년입니다. 1기가 파섹은 30억광년정도 됩니다. 빛이 그 거리를 가는데 30억년이 걸린다는 것입니다. 이 두 점 사이의 거리를 생각해봅시다. 이것은 우리과 안드로메다 은하의 거리입니다. 여기 보이는 작은 얼룩은 은하입니다.

다시 넓혀보면 구조를 볼 수 있게 됩니다. 멀리서 보면 규칙이 잘 보이는데 수많은 불규칙한 짙고 옅은 부분으로 되어 있습니다. 구성부품은 단순합니다. 최초에는 매우 단순한 유체가 있었습니다. 보통의 물질과 암흑물질도 있습니다. 광자와 중성미자도 있는데 초기를 제외하면 큰 비중을 차지하지는 않습니다. 단순한 유체가 시간이 흘러 이러한 복잡한 구조로 발전하게 됩니다. 처음 이 지도를 보셨을때는 별로 대단하다고 생각하지 않으셨을 겁니다. 여기서 보이는것은 눈에 보이는 우주의 1% 정도입니다. 그렇다고 해도 몇십억개의 은하, 즉 노드(node)를 보고 있습니다. 하지만 이것들이 주요한 구조는 아닙니다. 눈에 보이지 않는 암흑물질이 뼈대를 만드는 작용을 하여 모든것이 이어지고 모여진 것입니다.

무언가의 안에 있으면서 그 전체모습을 파악하는것은 상당히 어렵다는것을 아시겠죠. 이것도 같은 결과인데요. 필라멘트가 보이시죠. 밝은 부분은 눈에 보이지 않는 물질이고 노란색은 은하나 항성입니다. 쭉 둘러보면 필라멘트끼리 엮여 있는 부분이 있습니다. 거대한 은하단도 있습니다. 거대한 은하단이 있는곳으로 가 보면 어떤식으로 보이는지 알 수 있습니다. 안쪽에서는 그다지 복잡하게 보이지는 않죠? 축척을 올려서 볼때 비로소 매우 복잡한 디자인임을 알 수 있습니다. 어떤 방법을 통해 여기까지 발전해왔습니다.

이제 알고자 하는 것은, 이것을 만드는건 얼마나 힘든 일인가 또 이 우주를 만드려고 한다면 얼마나 많은 건축팀이 필요할까 입니다. 그것이 중요한 것입니다. 자 보시죠. 필라멘트들이 어떤 식으로 또 몇개가 모여 초은하단이 되는가를 볼 수 있게 되었습니다. 하지만 실제로 이렇게 보이는것은 아니라는걸 아셔야 합니다. 일단 이렇게 빠르게 움직일수가 없습니다. 모두 부서져버리고 말죠. 그냥 여기서는 간단한 렌더링과 그래픽 이미지를 사용한 것입니다. 만약 수십억년동안 여행한다면 또 혹시라도 보이지 않는 물질을 보게 된다면 이렇게 보이겠죠.

이런 것입니다. 어떤 식으로 우주를 단순한 방법으로 정리할 것인가이죠. 우리는 눈에 보이는 우주전체와 또 허블우주망원경으로 보이는 모든것들과 다른 도구들로 보이는 것들 이 모든 것들이 한때 원자 1개보다도 작은 공간에 들어가 있었다는것도 알게 되었습니다. 시작은 작은 원자구조 단위의 변화였습니다만 엄청난 비율로 확대되었습니다. 이러한 변화들이 천문학적인 크기로 넓혀져 나갔고 최종적으로는 우주배경복사가 되었습니다. 그리고 배경복사의 변화가 은하와 은하단의 구조까지 만들어진 방법을 알 필요가 있습니다.

이제 작은 시뮬레이션을 보여드리죠. 이 시뮬레이션은 1000개의 CPU로 한달동안 계산하여 겨우 지금과 같이 보여줄 수 있도록 만든 것입니다. 다음의 그림은 데스크탑 컴퓨터로 이틀동안 만든 것입니다. 우주에 작은 움직임이 있었던 때부터 시작합니다. 이번엔 4분의 1크기입니다. 그리고 네트워크가 생기고 우주의 거미줄같은 구조가 형성되는것을 알 수 있습니다. 이것은 단순한 모델입니다. 보통의 물질은 없고 암흑물질만 있습니다. 암흑물질이 덩어리가 되고 보통의 물질들은 이것을 뒤쫓아 가게 됩니다. 그런 것입니다. 처음엔 다 똑같았습니다. 변화는 단지 10만분의 1정도입니다. 군데군데 1만분의 1 정도의 움직임이 생겨 몇십억년동안 중력이 가해졌습니다.

밀도가 높은곳은 물질을 끌어당기고 점점 더 많은 물질들을 끌어당기게 되었습니다. 그러나 우주의 거리는 너무나도 넓어서 시간의 스케일도 크기 때문에 이것을 형성하는데는 긴 시간이 걸립니다. 팽창을 통해 우주가 지금의 대략 반 정도의 크기가 될때까지 형성을 계속합니다. 이 단계에서 우주는 이상할 정도로 팽창을 가속하고 보다 큰 구조의 형성은 멈추게 됩니다. 여기서 보이는 구조의 크기가 한계이고 이미 형성되었던 것들만이 점점 그 모습을 만들어가고 있는것입니다.

이 시뮬레이션은 데스크탑 컴퓨터로 이틀이 걸렸습니다. 아까 보여드린 시뮬레이션은 1000개의 CPU로 30일이 걸립니다. 이제 우리는 본질적으로 물질로 가득한 눈물보다도 작은 것부터 시작한 우주의 창조를 어떻게 진지하게 수행해야 하는가를 알고 있습니다. 우리는 대부분 아무것도 없는 곳에서 어디에나 있는 모든것을 만들었습니다. 이건 극히 작고 거의 완벽했지만, 10만분의 1단위로 작은 변화가 있었고 미세한 그 변화가 우리들의 눈에 보이는 재미있는 패턴과 디자인을 만들어내고 있습니다. 결국 그것이 은하와 항성을 만든 것입니다.

우리들에게는 모델이 있고 계산도 가능하고 그것을 사용하여 우리들이 생각하는 우주의 모습을 디자인하는 것이 가능합니다. 그 디자인은 우리들이 원래 상상하고 있던 것을 크게 초월하고 있는것입니다. 이것은 제가 15년전부터 해온 작업인데요. 코비 위성을 사용하여 지도를 작성하였습니다. 대규모의 변화들이 있었고 그것은 몇 단계로 나뉘어 있는것을 알게 되었습니다. 그 다음 WMAP 위성을 이용해서 훨씬 고해상도의 분석능력을 얻었습니다. 마찬가지로 대규모 구조 외에 소규모 구조도 볼 수 있게 되었습니다. 오른쪽 아래에 있는것은, 혹시 위성의 방향을 거꾸로 하여 지구를 그린다면 어떻게 될 것인가를 나타낸 이미지입니다. 주요 대륙들을 볼 수 있습니다.

이제 발사하려는 Planck 위성에 기대하고 있는것은 지구상의 복잡한 패턴을 보듯이 높은 분해능으로 우주를 관측하는것입니다. 또한 선명한 경계선과 비선형의 프로세스의 존재도 알 수 있습니다. 예를들어 지질학에서는 판의 이동이라고 하는 비선형의 효과가 있고 이것은 지도만 봐도 알 수 있습니다. 초기우주의 지도에서도 그 레벨에 도달하고 있습니다. 뭔가를 움직이고 변화시키는 비선형 효과의 유무는 순간의 시작에서 생겨난 시공간 그 자체가 어떻게 존재했는가에 대한 힌트가 됩니다. 자 그런 여기까지가 제가 말씀드리고자 했던 내용입니다. 저는 디자인과 만물을 보는 방법에 대하여 다른 관점을 전해드리고 싶었던 것입니다. 감사합니다. (박수)