중력을 알려면 '질량'부터
랭커스터대학교(Lancaster University) 천체물리학 교수인 브룩 시몬스(Brooke Simmons)가 <The Conversation>에 게재한 글에 따르면 중력은 두 질량 사이의 힘입니다. 때문에 중력은 질량이 있는 모든 곳에 존재합니다. 따라서 중력이 언제부터 존재하기 시작했는지 알기 위해서는 질량이 무엇이고 언제 시작됐는지 이해할 필요가 있습니다.
질량은 물질이 얼마만큼 있는지 측정하기 위해 사용합니다. 과학자들은 물질이라는 용어를 별, 행성, 바다, 바위, 분자, 원자, 그리고 원자를 구성하는 전자와 양성자와 같은 입자, 심지어는 전자와 양성자를 구성하는 입자를 묘사하기 위해 사용합니다. 일상 생활에서 마주치는 거의 모든 것을 '물질'로 간주합니다. 책, 머그잔 속의 커피 등 어떤 것도 말입니다. 물론 예외도 있습니다. 빛과 소리는 물질이 아닙니다. 빛은 물질이 전혀 없는 텅 빈 우주를 통과합니다.
최초의 질량 나타난 시기
그렇다면 최초의 질량은 언제 나타났을까요? 빅뱅 우주론에 입각해 살펴보면 최초의 질량은 137억년 전 우주 자체의 탄생 직후 아주 작은 입자의 형태로 만들어진 것으로 보입니다.
ESA의 자료에 따르면 물질의 생성은 우주가 탄생한 이후 너무 빨리 발생했습니다. 눈 깜박일 시간보다 짧은 찰나에 즉각 약 100만 개 이상의 입자가 만들어졌습니다. 우주가 팽창하고 냉각되면서 에너지는 물질과 반물질의 입자로 변했습니다. 이 상반된 두 종류의 입자들은 서로를 대부분 파괴했습니다. 그러나 어떤 물질은 살아남아 양자와 중성자로 불리는, 보다 안정된 입자가 형성되기 시작했습니다. 이는 우주가 탄생하고 1초 남짓한 시간에 이뤄졌습니다.
이후 3분 동안 기온이 10억℃ 아래로 떨어지면서 양성자와 중성자가 함께 모여 수소와 헬륨의 핵을 형성할 만큼 차가워졌습니다. 그리고 그 순간부터 중력이 작용해 물질을 끌어당기기 시작합니다. 원자와 분자를 촘촘한 구름으로 모아서 결국 별과 은하, 행성을 만듭니다.
질량 생긴 직후 중력 생겼다
중력은 질량이 만들어진 직후 생겨났을 겁니다. 중력이 얼마나 강하게 작용하는지는 두 물체의 질량과 거리에 따라 달라집니다. 뉴턴이 발견한 만유인력 법칙에 따르면 질량이 m1, m2인 두 물체가 거리 r 만큼 떨어져 있을 때 둘 사이에는 다음과 같은 크기의 인력이 작용합니다. 뉴턴의 이 법칙을 이용하면 공전하는 행성, 날아가는 야구공 등의 궤적을 계산할 수 있다고 합니다.
물론 자연에는 중력 외에도 많은 힘이 존재합니다. 책 <우리가 절대 알 수 없는 것들에 대해>에 따르면 사과를 나무에서 떨어지게 하는 중력 외에도 중력과 원자핵 안에서 양성자와 중성자를 단단히 결합시키는 강한 핵력(강력), 방사능 붕괴를 포함해 모든 종류의 붕괴 현상에 관여하는 약한 핵력(약력), 그리고 전기나 자기를 가진 물체가 서로 잡아당기거나 미는 힘인 전자기력이 존재합니다.
다른 힘 역시 물질에 대해 작용합니다. 다른 힘들과 비교했을 때 실제로 중력은 특별히 강한 힘은 아닙니다.
하지만 중력은 질량이 모인 모든 곳에서 발견되기 때문에 기본적으로 어디에나 항상 존재합니다. 중력은 지구에서 이웃님이 땅에 발을 딛고 서있게 해줄 뿐만 아니라 지구가 태양 주위를 돌게 하고, 태양이 은하 궤도를 따라 돌 수 있도록 해줍니다. 중력은 우주와 함께 존재해왔고, 아마도 계속 존재할 겁니다.
책 <우리가 절대 알 수 없는 것들에 대해>에서는 뉴턴이 중력을 발견한 이야기에서부터 물질을 이루는 궁극적인 구성 성분은 무엇인지, 양자세계의 한계는 무엇인지를 다룹니다. 이 책의 저자 마르쿠스 듀 소토이는 옥스퍼드대학교 수학과 교수이자 영국 왕립학회 회원입니다.
그는 지식의 경계를 탐사하며 과학자들이 이미 알아낸 지식을 거쳐 현대 과학에 도달합니다. 과거 과학자들이 너무 어렵다는 이유로 후대의 과학자들이 떠넘겼던 문제가 나올 땐 잠시 발걸음을 멈추고 그 문제가 해결된 과정을 자세히 살펴봅니다.
저자에 따르면 이를 통해 '해결 불가능'으로 분류된 난제를 새로운 각도에서 바라볼 수 있다고 하는데요. '우리가 절대로 알 수 없는 것이 정말로 존재할까?' 답을 알고 싶다면 이 책을 따라 지식의 맹점을 찾아보세요.
##참고자료##
- 마커스 드 사토이, <우리가 절대 알 수 없는 것들에 대해>, 반니(2019)
