빅뱅 이후『최초의 3분』읽기-1(비판적 고찰)

스티븐 와인버그(Steven Weinberg)는 『최초의 3분』에서 빅뱅 초기에 일어난 

우주물질의 생성 과정을 설명하고 있다. 와인버그는 그의 설명을 ‘표준모델’이라고 

하면서, 이전의 빅뱅이론보다 우주의 내용물이 훨씬 상세하게 보충되었다고 한다. 

와인버그에 의하면 태초에 있었던 한 폭발은 “일정한 중심에서 시작해 퍼져
나가면서 점점 주위의 공기를 휘말아들이는” 것이었다. 그것은 “지상
에서의 폭발이 아니고 어디서나 동시에 일어나서 처음부터 전공간을 
채우고, 물질의 입자가 서로 멀어져 가는 폭발이었다.”353 그러나 와
인버그는 공간의 문제에 대해서 “초기우주의 논의에서 공간이 유한
한가 무한한가는 거의 문제가 되지 않는다”고 말하고 있다. 그러나 여
기에서 와인버그가 말하는 공기는 빅뱅때는 아직 없었고, 공간의 개
념에는 많은 오류가 내포되어 있다. 

 

어쨌든 와인버그에 의하면 빅뱅 이후 최초의 단계는 인간이 상상할 수 없을 

정도의 초고온 상태였고, 초기에는 전자와 양전자, 뉴트리노와 광자가 대략 

같은 수로 만들어졌다가 소멸되기를 계속하고 있었다. 이 시기의 물질적 특징은

대부분 아직 명확하게 이해되지 않은 과학적 추측을 기반으로 한다. 그 이
후 우주 발전 단계의 변화는 우리가 알고 있는 고에너지 물리학의 범
위 안에서 설명된다. 이 시기에 양성자, 전자, 중성자가 형성되었고, 
뒤이어 원자핵과 수소와 헬륨원자가 나타났다. 별들이 만들어졌다가 
다시 폭발했다. 이 무렵에 방출되었던 우주배경복사가 아직도 남아
있다. 그러나 와인버그는 이 책을 “실제로 있었던 일처럼 쓰면서도 일
말의 비현실성을 느끼게 됨을 부인할 수 없다”고 고백한다.

  
와인버그의 표준모델은 ‘어느 주어진 시점에서 관측자들에게 모든 
전형적인 은하는 어느 방향이나 똑같이 보여야 한다’는 “우주원리” 
에 기초하고 있다. 그러나 그는 우주원리에 단서를 달아놓는다. 첫째
는 작은 규모에서는 명백하게 참이 아니다. 둘째는 ‘속도를 더하는 법
칙’이 아인슈타인의 특수상대성이론을 위반해서는 안 된다.356 그러
나 그는 우주의 팽창에 대한 여러 가지 설명을 한 뒤에 “팽창은 어떤 
우주적 반발력으로 인한 것이 아니라 과거의 폭발력에서 남은 속도의 
효과”357라고 말한다. 그러나 이 말은 와인버그가 가속팽창이 발견되
기 전에 말한 것으로 오류이다. 암흑물질의 척력이 팽창의 원인이라
는 사실이 밝혀졌기 때문이다. 

 

어쨌든 여기서 중요한 문제는 초대칭성에 관련한 것이다.
양자물리학에서 초대칭성은 빅뱅에서 생겨난 초기 우주물질이 대
칭성의 붕괴에 의한 쌍소멸을 극복하고 초짝(super partner)을 만나 

보통물질로 살아남았음을 말하는 것이다. 초대칭성 법칙에 의하면 페
르미온(쿼크와 렙톤)은 보손을 초짝으로 가지고 있고, 보손은 페르미
온을 초짝으로 가지고 있다. 페르미온과 보손 입자들은 초대칭적 결
합에 의하여 핵합성(nucleosynthesis)이 일어났으며, 수소원자와 헬륨
원자로 바뀌었다. 이것들에 중력이 작용하면서 안개처럼 또는 구름
처럼 뭉치고, 별들이 되었다가 다시 폭발하고, 이 과정에서 수소와 
헬륨보다 무거운 원자들이 만들어졌다. 초대칭 이론은 1974년에 오
스트리아의 율리우스 베스(Julian Wess)와 이탈리아의 브루노 추미노
(Bruno Zumino)가 공동 발표한 ‘베스-추미노 모형’이 가장 잘 알려져 
있다. 그러나 와인버그에 의하면 현재까지의 초대칭 이론은 완전하
지 않고, 그의 표준모델이 빅뱅 초기에 물질이 생겨나는 과정을 완전
히 설명할 수 있어야 좀 더 상세한 이론이 나올 것으로 본다. 

와인버그에 의하면 우리가 알 수 있는 가장 이른 시점인 빅뱅 발생 
이후 100분의 1초가 지났을 때 우주 온도는 1,000억 K였다. 그때 우
주는 물질과 복사의 수프로 채워져 있었고, 각 입자들은 서로 충돌하
고 있었다. 입자들은 10억 개의 광자(또는 전자나 뉴트리노)들마다 대략 
하나 꼴의 양성자 또는 중성자들이 있었다. 이것들과 반입자들이 서
로 충돌하면서 쌍소멸이 일어나기도 하고, 또는 양성자에서 중성자
로의 변환과 그 역변환이 빠르게 일어났을 것이다. 이 핵자들은 아직 
핵으로 뭉쳐지지 않았다. 이때 우주의 둘레는 약 4광년으로 추산된
다. 1.09초가 지나자 우주의 온도는 100억 K로 내려왔다. 온도가 떨
어지면서 전자와 양전자는 복사로부터 재생산되는 것보다 더 빠르게 
소멸되고 있었다. 이제 양성자-중성자의 구성비는 76%-24%로 바뀌
었다. 

3분 2초가 지나자 우주의 온도는 10억 K로 떨어졌다. 우주는 이제 
보통의 헬륨은 물론 트리튬과 헬륨3도 있을 만큼 식었다. 100초마다 
남아 있는 중성자의 10%가 양성자로 변환되었다. 핵합성은 9억 K의 
온도에서 핵자당 10억 개의 광자들로 시작되었을 것이다. 이때 핵자
들의 구성비는 양성자 대 중성자 87% : 13%이었을 것이다.358 34분40
초가 경과된 후 우주의 온도는 3억 K가 되었다. 전자들과 양전자들은 
이제 완전히 소멸되었고, 약간의 과잉전자들(10억에 대해 하나 꼴)만 남
아서 양성자의 전자를 상쇄하였다. 우주의 에너지는 69%의 광자와 
31%의 반뉴트리노를 포함하는 뉴트리노의 형태로 존재했다. 이 에너
지밀도로 말미암아 우주는 약 1시간 15분의 특성 팽창시간을 갖는다. 
핵자들은 이제 자유양성자가 아니면 헬륨핵이 되었고, 헬륨의 무게
비율은 22-28%였다. 아직 안정된 원자들이 생성되기에는 너무 뜨거
웠다. 우주는 계속 팽창하면서 냉각될 것이다. 

우주가 팽창하는 속도는 빅뱅에 의한 척력(斥力)과 우주물질의 중
력(만유인력)에 달려있다. 우주가 팽창하면서 물질과 에너지의 밀도도 
떨어졌다. 우주의 온도는 시계의 눈금처럼 작용했다. 70만년이 지나
서 우주 온도가 3,000K가 되었다. 이때 양성자와 전자의 결합으로 
수소원자와 헬륨원자가 생겨났다. 물질과 복사가 평형상태를 벗어나 
분리됨으로써 입자 구름이 걷히고 투명해졌다. 수소원자와 헬륨원
자들로 별들이 만들어지기 시작했다. 와인버그는 이러한 설명이 현
재의 우주 배경복사 온도가 약 3K라는 사실에 기초하고 있다고 말한
다. 이어서 그는 “우리는 열린 그리고 영원히 팽창하는 우주 안에 살
고 있다는 결론”을 내린다. 그리고 그는 코페르니쿠스 인공위성이 
성간물질에서 발견한 100만당 20의 중수소의 존재에 한 가지 의문을 
제기한다. 그는 “아직 아무도 생각하지 못한 어떤 비우주적인 현상
에 의해서 이러한 중수소의 흔적이 생산되었을 가능성이 있다”고 
말했다. 

와인버그에 의하면 첫 화면(빅뱅 이후 100분의 1초)보다 0.0008초 전
에는 무한대의 온도와 밀도의 상태였다 이것이 진정한 최초이
나, 우리는 무지 때문에 베일에 가려진 최초를 알지 못하고 있다. 그
는 빅뱅의 최고온도는 약 2조 K였다고 추산했다. 100분의 1초 이내에 
1,000억도로 떨어지는 동안 모든 하드론(hardron)은 그 구성요소인 쿼
크들로 쪼개져 있었다. 쿼크들은 ‘점근적 자유성’을 특징으로 하는 강
력에 묶이기 시작했다. 최고 온도에서도 ‘점근적 자유성’을 파괴시킬 
수는 없었던 것으로 보인다. 그러므로 이때의 초과 에너지는 “결국에
는 진공에서 새로운 쿼크와 반쿼크의 쌍”을 만들어내는데 쓰였다
(필자 주: 이는 현재 입자가속기에서 발견되는 현상이다). 

와인버그는 이후 ‘약력의 상호작용’(weak interaction)에 의해 상전이
(相轉移, phase transition)fmfg)를 겪었을 수도 있다고 말했다. 와인버
그는 1967년에, 압두스 살람은 1968년에, 약력과 전자기력의 통일 이
론을 제안했다. 이것은 높은 에너지에서는 약력의 상호작용과 전자
기력이 하나로 통합되고, 낮은 에너지에서는 약력과 전자기력이 분
리된다는 이론이다. 이어서 강력, 약력, 전자기력을 하나로 묶는 수
학적 기술이 가능하게 되어 ‘게이지 이론’으로 불리는 양자이론이 나
오게 되었다. 이 이론에서 초대칭 이론이 도입되었다. 일반적으로 
대칭은 정확하게 꼭 같은 모양으로 나누어질 수 있는 물체에게 적용
되는 말이다. 2차원적인 기하학에서는 원이나 정방형 도형이 그 대
표적 예이다. 3차원적인 고전물리학에서는 구(球)나 뿔 원통을 예로 
든다. 그러나 양자물리학에서 초대칭성의 개념은 일반적인 대칭성
의 개념에다 시간까지 포함한 4차원에서 생각한다. 물질은 쌍생성과 
쌍소멸이라는 대칭적인 방식으로 입자와 반입자들이 생겨났다가 소
멸한다. 빅뱅 이후 물질과 반물질의 대칭성(쌍생성 쌍소멸)이 그대로 
유지되었다면, 물질은 아무리 많이 생겨나도 어느 순간 사라지고 우
주는 존재하지 못했을 것이다. 그럼에도 우주는 존재한다. 그 이유
는 빅뱅 초기에 대칭성이 붕괴하는 중에 초대칭성이 발생되었기 때
문이다. 

와인버그는 그와 압두스 살람이 제안했던 ‘게이지 이론’들이 약
력, 전자기력, 강력, 그리고 아마도 중력을 포함하는 모든 자연의 힘
을 이해하는 통일된 기초를 제공할 것이라고 믿고 있다. 이러한 견해
는 1971년 네델란드의 제라르뒤스 토프트(Gerardus ’tHooft, 1946- )와 
한국계 미국인 벤자민 리(Benjamin Lee, 한국명 이휘소, 1935-1977)에 의
하여 증명되었다. 이 이론은 약 3,000조 K(3×1015K)의 임계온도(critical 
temperature)에서 일종의 결빙(結氷)과 같은 상전이(相轉移)를 보여준다. 
그러나 이러한 상전이는 얼음에서 보는 것과 같이 여러 유형의 불규
칙한 흠집 결정들이 생겨날 수 있다. 여기서 와인버그는 이런 의문
을 제기한다. 그렇다면 우리는 “약작용과 전자기적 상호작용의 대
칭이 특정한 방식으로 깨진 그러한 영역들 중의 하나에 살고 있는 
것일까?”

와인버그는 중력의 상호작용이 초기 우주에는 별다른 영향을 끼치
지 않았다고 본다. 그러나 우주 첫 1초의 10³²K의 초고온에서 열평형
에 있을 때 중력은 다른 어떤 힘들과도 같은 정도로 강했을 것이다. 
이때는 모든 재료가 녹아 풀어진 수프와 같은 상태였다. 중력 현상은 
전자기 현상처럼 잘 알려진 정적 원격작용의 형태는 물론이고 파동의 
형태로도 나타날 수 있다. 전자기장의 진동은 비가시적인 빛의 복사
에 의해 전달된다. 중력장의 진동인 중력파(gravitational wave)도 복사
의 형태라고 알려져 있지만, 아주 일찍 우주의 열평형에서 벗어났을 
것이다. 그러므로 우주 배경복사보다 약간 낮은 약 1K의 온도를 가진 
중력복사가 우주를 채우고 있을 것으로 보인다.366 그러나 중력복사
는 다른 물질과 매우 약한 상호작용을 하므로 아직까지 검출하지 못

했고, 가까운 미래에 성공할 가능성도 희박해 보인다.  와인버그는 이
제까지 논의한 우주의 시초는 이전에 있었던 우주의 수축 시대의 종
말에서 다시 시자된 것일 수도 있다는 견해를 밝히고 이렇게 설명하
고 있다. 

(1) 시초가 있었다는 것, 그리고 시간 자체가 그 순간 이전에는 아
무 의미를 갖지 않는다는 것은 적어도 논리적으로는 가능하다. 비록 
진리인지 아닌지는 몰라도.
(2) 절대온도 0K(-273.16°C)는 불가능할 뿐만 아니라 의미도 없다. 
366 Ibid., 201.
제3부·과학적 유신론 - 정말 신(神)이 존재하시네!         393
마찬가지로 절대 0시의 의미는, 그 이전에는 원리적으로 어떤 인과의 
연쇄도 추적할 수 없는 과거의 한 순간이다. 
(3) 우주의 실제 역사와 그 이론적 구조가 나란히 갈 수 있는 가능
성에 만족한다. 왜냐하면 여러 입자들의 다양한 상호작용들의 밑바
닥을 간단한 통일 게이지장이론으로 들여다보는 법을 알게 되었기 때
문이다. 
(4) 현재의 우주는 대단히 차갑기 때문에 여러 입자들과 상호작용
들 사이의 대칭들이 일종의 결빙에 의해 감추어져 있다. 아주 초기의 
우주에서 초고열에 의하여 나타났던 이 대칭들이 현재는 일상의 현상
에서 나타나지 않는다. 그렇지만 게이지장이론들에서 수학적 표현을 
통해서 나타난다. 

그리고 와인버그는 우주의 미래에 대해서 얼마 동안 팽창할 것이
지만, 그 후의 운명에 대해서는 표준모델이 우주의 밀도가 일정한 임
계값보다 크냐, 작으냐에 따라서 결정되는 조건적 예언을 준다고 말
한다. 첫째, 우주의 밀도가 임계밀도보다 작다면 우주는 영원히 팽창
할 것이다. 둘째, 우주의 밀도가 임계밀도보다 크다면 우주는 마침내 
팽창을 멈추고 가속적인 수축이 뒤따를 것이다. 수축은 이제까지 설
명한 팽창과는 역방향으로 진행할 것이다. 셋째, 우주의 수축이 빅뱅 
이전까지 되돌릴 수 있을까? 그렇다면 우주는 일종의 ‘튕김’(bounce)
을 받아 새로운 팽창과 수축을 반복적으로 순환할 수도 있을 것이다. 
여기까지 초기 우주를 검토한 와인버그는 “어떤 방법으로든 태초부
터 언젠가 태어나도록 되어 있었다는 믿음을 인간이 갖게 되는 것은 
저항할 수 없는 듯하다”고 고백한다. 와인버그에 의하면 과학자들은 
“그들이 얻은 자료의 의미를 캐내느라 끝없는 시간을 보내고” 있는 사
람들이다.367 이 말은 과학적 무신론자들에게나, 과학적 유신론자들
에게 공통으로 적용되는 말일 것이다. 그러나 와인버그는 뒤에 “우
주의 역사는 곧 자연법칙을 눈으로 보여주는 것”이며, “자연에 대한 
우리의 설명을 추적해보면, 이 법칙들은 ‘양자장 이론quantum field 
theory’이라는 형태”를 취한다고 말했다.