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아, 여러분, 안녕하세요! 오늘 좀 뭔가 심오한 이야기를 해볼까 해요. 바로 천문학에 대한 믿음, 뭐랄까, 천문학이 주는 어떤 영적인 감동 같은 거에 대한 이야기죠.
학교에서 '당연하다'고 배웠던 것들이 있잖아요? 그런데 우주를 공부하기 시작하면 그 '당연함'이 점점 희미해져요. 진짜 신기하죠? 저도 어릴 때 동쪽 LA에서 자라서 밤하늘이 빛 공해 때문에 별로 안 보였거든요. 그러다가 고등학교 친구들이랑 모하비 사막으로 캠핑을 갔는데, 와... 그때 진짜 깜짝 놀랐어요.
밤하늘이 완전 칠흑같이 깜깜하고, 별들이 막 보석처럼 반짝반짝 빛나는 거예요. 마치 손을 뻗으면 잡힐 것처럼 가까이 있는 것 같고. 은하수가 진짜 막 끓어오르는 강물처럼 보이더라구요.
정말 맑은 밤하늘은 단순히 우주의 웅장함에 압도당하게 만드는 게 아니에요. 우리 마음속 깊은 곳에서 뭔가 꿈틀거리게 만들어요. 뭔가 존재할지도 모르는 미지의 세계에 대한 궁금증, 뭐 그런 거랄까?
그래서 천문학이 모든 과학 중에서 가장 감성적이고 영적인 분야라고 말하는 사람들도 있는 것 같아요. 플라톤도 그의 책 '국가'에서 "모든 사람은 천문학이 영혼을 위로 끌어올리고 이 세상에서 다른 세상으로 우리를 인도한다는 것을 알아야 한다"고 썼잖아요.
천문학은 정말 오래된 학문이에요. 기원전 3500년경의 메소포타미아 문명에서도 점성술이랑 같이 천문학을 했다고 하니까요. 고대 사제들이 밤하늘을 보면서 종교적, 농업적, 사회적으로 중요한 징조를 찾았다는 거죠.
근데 천문학은 좀 특이한 과학이기도 해요. 어쩌면 진짜 과학이 아닐 수도 있다는 생각도 들어요. 왜냐하면, 물리학이나 화학, 생물학 같은 다른 과학 분야와는 달리, 천문학은 우리가 완전히 통제할 수 없는, 손이 닿지 않는 것들을 연구하거든요. 풀리나 원자, 세포처럼 별이나 행성을 마음대로 조종할 수 없잖아요. 그러니까, 제대로 된 통제된 실험을 하기가 어려운 거죠. 과학에서 실험이 얼마나 중요한데!
대부분의 경우, 할 수 있는 건 멀리 떨어진 천체에서 오는 빛을 분석해서, 거기에서 최대한 많은 정보를 얻어내는 것뿐이에요. 영국의 과학자 윌리엄 브래그 경이 "빛은 우주의 소식을 우리에게 가져다준다"라고 했잖아요. 태양과 별에서 오는 빛은 그들의 존재, 위치, 움직임, 구성 등등, 우리가 궁금해하는 많은 것들을 알려주죠.
하지만, 그 빛에서 얻을 수 있는 정보는 한계가 있어요. 특히, 우주의 95%가 우리 눈에 보이지 않는다는 증거가 있다는 걸 생각하면 더욱 그렇죠.
네, 맞아요. 우주의 95%가 암흑 물질, 암흑 에너지, 그리고 다른 숨겨진 현상들의 형태로 우리에게 숨겨져 있는 것 같아요. 걔네들은 빛을 전혀 내지 않거든요. 완전히 안 보이는 거죠.
그래서 천문학자들은 거의 '어둠 속에서' 연구를 해야 하는 거예요. 말 그대로요! 그들은 믿음에 의존해야 해요. 이상적으로는 높은 지능과 영성을 바탕으로 한 '깨달은 믿음'으로, 우리 눈에 보이지 않는 우주에 대한 추측들을 믿고 옹호해야 하는 거죠.
더럼 대학교의 천체 물리학자 리처드 매시가 "암흑 물질은 초자연적인 것은 아니지만, 그 불가사의한 행동은 확실히 그런 생각을 떠오르게 한다"고 말했잖아요.
암흑 에너지도 마찬가지예요. 암흑 에너지는 우주가 점점 더 빠른 속도로 팽창하게 만드는 보이지 않는 '무언가'를 가리키는 이름이에요. 하지만 우리는 그게 뭔지 전혀 몰라요.
미국의 천체 물리학자 사울 펄무터는 "암흑 에너지는 암흑 물질보다 훨씬 더 기이한 것이다"라고 말했죠. 펄무터는 1998년에 동료 두 명과 함께 우주의 가속 팽창을 발견해서 2011년 노벨 물리학상을 받았어요.
도대체 암흑 물질은 뭐고, 암흑 에너지는 뭘까요? 천문학자들이 씨름하고 있는 심오한 수수께끼는 그것뿐만이 아니에요. 우주는 얼마나 클까? 우주는 얼마나 오래됐을까? 우주는 어떻게 시작됐을까? 외계 생명체는 존재할까? 이런 질문들이 있잖아요.
마지막 질문은 행성 천문학 분야에 속해요. 행성이 어떻게 형성되고, 지구만이 생명체가 존재하는 유일한 행성인지 연구하는 분야죠.
나머지 세 가지 질문은 우주론 분야에 속해요. 제가 대학원 시절에 푹 빠졌던 분야죠. 우주론자들은 큰 그림, 즉 전체 우주의 모습과 그것이 어떻게 지금의 모습이 되었는지에 집중해요.
이제부터 알게 되겠지만, 우주론은 과학적 방법과 인간의 정신을 한계 이상으로 시험해요. 우주론은 기존의 통제된 실험을 훨씬 뛰어넘는, 우리가 볼 수도 상상할 수도 없는, 논리와 지능을 훨씬 뛰어넘는 영역에서 작동하거든요. 오직 우리의 보이지 않지만, 날카로운 영성으로만 접근할 수 있는 영역이죠.
제 생각에는, 그것보다 더 흥미진진한 건 없을 것 같아요. 오리건 대학교의 물리학자이자 우주론자인 그레고리 보순은 "물리 우주론은 입자 이론, 일반 상대성 이론, 천문 관측의 복잡한 조합이지만, 여전히 신비주의와 상상의 여지가 있다"고 말했잖아요. 우주론의 미스터리는 너무 심오해서 "우주의 기원과 구조 진화에 대한 명확하고 선호되는 모델이 아직 없다"는 거죠.
그럼 이제 몇 가지 질문들을 좀 더 자세히 살펴볼까요?
우주는 얼마나 클까요? 옛날 우주론자들은 우주의 크기에 대해 의견이 분분했어요. 어떤 사람들은 우주가 무한히 크다고 했고, 어떤 사람들은 한계가 있다고 했죠.
요즘에는 강력한 망원경과 기발한 방법들이 있어서 우주의 크기를 어느 정도 정확하게 측정할 수 있게 됐어요. 그중 하나가 '우주 거리 사다리'라는 방법인데, 사다리처럼 단계별로 거리를 추정하는 기발한 기술을 사용해서 우주 멀리까지 측정하는 거죠.
우주 거리 사다리는 동료 우주론자들의 독창성과 재치에 대한 찬사라고 할 수 있어요. 우리가 하늘의 빛에서 얻을 수 있는 얼마 안 되는 정보를 엄청나게 스마트하게 활용하거든요.
하지만, 사다리가 아무리 기발해도, 각 기술이 완전히 신뢰할 만한 건 아니에요. 각 거리 측정 기술, 즉 각 사다리 단계는 그 이전 단계의 정확성에 달려 있거든요. 그래서 어떤 기술이라도 실패하면 그 이후의 모든 것이 흔들리는 거죠. 속담을 바꿔 말하면, 우주 거리 사다리는 가장 약한 단계만큼만 강한 거예요.
우주 거리 사다리를 통해서 우리가 알게 된 건, 현재 관측 가능한 우주는 약 920억 광년이라는 거예요. 어마어마하죠?
실제 우주는 그것보다 훨씬 더 클 거예요. 하지만, 우주의 가장 바깥쪽 영역은 우리에게서 너무 빨리 멀어지고 있어서 그 빛이 우리에게 영원히 도달하지 못할 거예요. 마치 만화 '로드 러너'에서 와일리 코요테가 영원히 잡을 수 없는 것처럼 말이죠.
우주의 가장 바깥쪽 영역을 볼 수 없기 때문에, 우주 거리 사다리를 사용해서 실제 우주의 궁극적인 크기를 측정하는 건 불가능해요. 하지만, 일반 상대성 이론 덕분에 관측 가능한 우주의 임계 밀도를 기준으로 추측을 할 수는 있어요.
만약 우주가 과체중이라면, 즉 총 질량-에너지 밀도가 임계 밀도를 초과하면, 우주의 크기는 유한해요. 우주론자들은 이런 우주를 '닫힌 우주'라고 불러요. 언젠가는 비만 때문에 스스로 붕괴할 운명이죠.
만약 우주가 목표 체중이거나 그 이하라면, 즉 총 질량-에너지 밀도가 임계 밀도와 같거나 그보다 낮으면, 우주의 크기는 무한해요. 이런 우주를 각각 '평탄한 우주' 또는 '열린 우주'라고 불러요. 두 경우 모두, 우주는 계속 팽창하고 희석되고 차갑고 죽은 무(無)로 변해가는 거죠.
믿기 어렵겠지만, 우리 우주는 정확히 목표 체중인 것 같아요. 너무 뚱뚱하지도 않고 너무 마르지도 않은 거죠. 딱 적당한 거예요.
이것은 우주가 무한히 크고 평탄하다는 것을 의미해요. 다시 말해서, 우리 우주에서 우주로 나아가는 것은 마치 수평선을 영원히 볼 수 없는 광활한 황야를 횡단하는 것과 같아요.
하지만, 한 가지 문제가 있어요. 최근 플랑크 궤도 관측소의 데이터에 따르면, 우주는 실제로 비만일 수도 있다는 거예요. 즉, 밀도가 임계 밀도보다 훨씬 클 수도 있다는 거죠. 만약 그렇다면, 우리 우주는 실제로 유한하고 닫혀 있는 거예요. 그런 경우에는 우주로 나아가는 것이 마치 원을 그리며 여행하는 것과 같아요. 결국에는 출발점으로 돌아오게 되는 거죠.
다음 질문은, 우주는 얼마나 오래됐을까요?
오랫동안 아무도 이 질문을 하지 않았어요. 모든 사람들은 우주가 영원하고 정적이라고 믿었거든요. 즉, 우리가 오늘날 보는 것이 항상 존재해 왔고 앞으로도 항상 존재할 것이라고 생각했던 거죠.
놀랍게도, 그런 세계관이 20세기 초까지도 널리 퍼져 있었어요. 그때 과학자들이 완전히 충격적인 두 가지 발견을 했죠.
1915년에 젊은 알베르트 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 발표했는데, 처음에는 그 이론이 영원-정적 이론(AST)을 옹호할 것이라고 확신했어요. 하지만, 결과는 정반대였죠! 아인슈타인은 끔찍하게도 자신의 이론이 우주가 팽창하고 있다는 가능성을 제기한다는 것을 알게 된 거예요.
겁에 질린 아인슈타인은 재빨리 자신의 아름다운 중력 방정식, 즉 앞에서 이야기했던 그 방정식에 '람다(Λ)'라는 보정 계수, 즉 우주 상수를 삽입했어요.
람다를 넣자 아인슈타인의 방정식은 영원-정적 이론과 완벽하게 맞아떨어졌어요. 우주론 세계는 다시 평화를 되찾았죠.
하지만, 1929년에 미국의 천문학자 에드윈 허블이 은하들이 폭발 이후 파편처럼 서로 멀어지고 있다는 데이터를 발표했어요. 그는 그 결과를 '허블의 법칙'이라고 불리는 것으로 요약했죠.
허블의 법칙을 풀어서 설명하면, 은하가 우리에게서 멀어지는 속도(v)는 허블 상수(H) 곱하기 은하까지의 거리(d)와 같다는 거예요. 다시 말해서, 은하가 멀리 떨어져 있을수록 우리에게서 더 빨리 멀어진다는 거죠.
다시 한번, 우주론 세계는 혼란에 빠졌어요.
하지만, 이번에는 우주론자들이 피할 수 없는 충격적인 결론을 받아들일 수밖에 없었어요. 우리 우주는 폭발로 시작되었고 지금도 팽창하고 있다는 거죠. 그것은 마치 아인슈타인의 원래 중력 방정식이 암시했던 것과 같았어요.
우주론자들은 존경받던 영원-정적 이론을 폐기하고, 인류 역사상 처음으로 '우주는 얼마나 오래됐을까?'라는 질문을 던지기 시작했어요.
그들은 곧 허블 상수가 그 답을 알려준다는 것을 깨달았죠. 허블 상수(H)가 크면, 우주가 현재 크기에 빠르게 도달했다는 것을 의미하고, 따라서 우주는 비교적 젊다는 결론이 나오죠. 반대로, 허블 상수(H)가 작으면, 우주가 현재 크기로 팽창하는 데 오랜 시간이 걸렸다는 것을 의미하고, 따라서 우주는 비교적 오래됐다는 결론이 나오죠.
그렇다면, 우주론자들이 해야 할 일은 허블 상수(H) 값을 정확하게 알아내는 것뿐이었어요.
하지만, 그것은 말처럼 쉬운 일이 아니었죠. 허블 상수(H) 값은 우주 거리 추정치에 달려 있는데, 앞서 설명했듯이, 허블 우주 망원경의 도움을 받아도 그 추정치는 정확하지 않거든요.
또한, 허블 상수(H) 값은 상수(constant)가 아니에요. 시간과 함께 변하죠. 이것은 우주론자들이 갓 태어났을 때부터 우주가 성장하는 모든 단계에서 우주의 모습이 어떠했는지 알아야 한다는 것을 의미해요.
하지만, 어떻게 우주의 아기 사진을 얻을 수 있을까요? 답은 우주 멀리까지 들여다보는 거예요.
아주 멀리 떨어진 천체에서 오는 빛은 우리 망원경에 도달하는 데 수십억 년이 걸려요. 그래서 그 빛은 태초의 우주의 이미지를 전달해주는 거죠. 수십억 년 전의 우주의 모습을요.
2013년에 천문학자들은 자신들이 가진 최고의 데이터를 모두 모아서 허블 상수(H)가 70이라는 결론을 내렸어요. 이것은 우주가 138억 년 됐다는 것을 의미하죠.
하지만, 지금 이 순간에도, 많은 우주론자들이 허블 상수(H) 값에 의문을 제기하고 있어요.
2019년에 미국의 한 연구팀은 허블 우주 망원경과 우주 거리 사다리의 가장 먼 단계를 이용해서 허블 상수(H)가 76이라고 주장하는 논문을 발표했어요. 이것은 우주가 130억 년이 조금 안 됐다는 것을 의미하죠.
최근에는 유럽의 한 연구팀이 허블 상수(H)가 82.4라는 증거를 발표했는데, 이것은 우주의 나이가 114억 년밖에 안 됐다는 것을 의미해요.
이 논쟁은 쉽게 끝나지 않을 것 같아요.
볼티모어의 우주 망원경 과학 연구소의 노벨상 수상 천문학자 애덤 리스는 "이 불일치는 우리가 우주론 모델에서 뭔가 잘못 이해하고 있다는 것을 시사한다"고 말했죠.
자, 그럼 다음 질문으로 넘어가 볼까요? 우주는 어떻게 시작됐을까요?
원래는, 시작이라는 개념 자체가 없었어요. 왜냐하면, 태초에 천문학자들은 영원-정적 이론을 믿었으니까요. 우주론자들이 자신들의 실수를 인정하고 팽창하는 우주라는 개념을 받아들인 것은 1930년대 초였어요.
하지만, 그 일이 일어나기 몇 년 전에, 벨기에의 우주론자이자 로마 카톨릭 몬시뇰이었던 조르주 르메트르가 성급하게 행동했고, 그 대담함 때문에 심하게 조롱당했죠.
르메트르는 만만한 사람이 아니었어요. 그는 루뱅 카톨릭 대학교에서 수학 박사 학위를, MIT에서 물리학 박사 학위를 받았거든요.
1927년에, 즉 허블이 우주 팽창에 대한 폭탄선언을 하기 2년 전에 르메트르는 "방사상 성운의 방사 속도를 설명하는 일정한 질량과 증가하는 반지름을 가진 균질한 우주"라는 거창한 제목의 논문을 발표했어요. 그 논문에서 그는 우주가 "우주란(cosmic egg)" 또는 "원시 원자(primeval atom)"에서 부화했다는 놀라운 주장을 했는데, 이것은 오늘날의 빅뱅 이론을 예고하는 것이었죠.
1927년 10월에 르메트르는 브뤼셀에서 열린 제5차 솔베이 회의에 참석해서 알베르트 아인슈타인에게 자신의 이단적인 아이디어를 설명했어요. 그러자 아인슈타인은 "당신의 계산은 옳지만, 물리학에 대한 이해는 엉망이군요"라고 비웃었다고 해요.
세상에... 너무 심한데요?
더 나쁜 것은, 르메트르의 아이디어가 허블의 발견으로 입증된 후에도, 우주론자들은 여전히 코웃음을 쳤다는 거예요. 영국의 천문학자 아서 스탠리 에딩턴 경은 "철학적으로, 현재 자연 질서의 시작이라는 개념은 내게 혐오스럽다... 나는 그것을 피할 방법이 없다고 생각하지만... 진정한 허점을 찾고 싶다"고 말했죠.
1949년에 BBC 라디오 방송에서 영국의 천문학자 프레드 호일은 영원-정적 이론을 옹호하면서 완강하게 주장했어요. 그는 르메트르의 아이디어를 맹렬히 비난하면서 "우주의 모든 물질이 먼 과거의 특정 시점에 빅뱅으로 창조되었다는 가설"이라고 묘사했죠.
아이러니하게도, 호일의 비꼬는 표현인 "빅뱅(big bang)"은 그가 의도한 방식이 아니라 다른 방식으로 유명해졌어요. 오늘날 빅뱅 이론(표준 우주론 모델, SCM)은 신성한 과학적 교리가 되었죠.
하지만, 아인슈타인이 불쌍한 르메트르를 무시했던 때부터 지금까지 많은 진전이 있었지만, 우주론은 여전히 갈 길이 멀어요. 이미 알고 계시겠지만, 표준 우주론 모델에는 심각한 문제들이 있거든요.
언젠가는 그 문제들이 해결될 수도 있겠지만, 지금으로서는 우주론자들이 여전히 "우주는 어떻게 시작됐을까?"라는 질문에 대해 궁금해하고 있는 상황이죠.
마지막 질문은, 외계 생명체는 존재할까요?
자, 밤하늘을 쳐다보면서 우주의 광대함에 감탄하고, '어딘가에 누군가가 있을 거야!'라고 생각하죠. 하지만, 만약 그렇다면... 그들은 다 어디에 있을까요?
1950년에 노벨상 수상 물리학자 엔리코 페르미는 유명한 질문을 던졌어요. "그들은 어디에 있는가?(Where are they?)" 우주에 있는 그 모든 작은 초록 외계인(LGM, little green men)들은 다 어디에 있는 걸까요?
천문학자들은 우주에 약 1,000억~2,000억 개의 은하가 있고, 우리 은하에만 약 1,000억~4,000억 개의 태양이 있다고 추정하고 있어요. 따라서 어딘가에 생명체가 있는 행성이 태양을 돌고 있을 것이라고 추정하는 것이 합리적으로 보이죠.
하지만, 우리는 아직 하나도 찾지 못했고, 작은 초록 외계인도 누구의 문을 두드린 적이 없어요. 왜일까요? 이 골치 아픈 질문을 페르미 역설이라고 불러요.
천문학자들은 1960년부터 본격적으로 외계인을 찾기 시작했는데, 그때 프랭크 드레이크는 세계에서 가장 큰 전파 망원경인 푸에르토리코 아레시보 망원경을 이용해서 외계인의 신호를 들으려고 했어요. 하지만, 아무런 신호도 들리지 않았죠.
지난 20년 동안, 행성 천문학자들은 외계 행성, 즉 우리들이 외행성이라고 부르는 것을 찾기 위해 하늘을 오랫동안 열심히 탐색해 왔어요. 강력한 허블 우주 망원경과 케플러 우주선을 포함한 세계에서 가장 강력한 망원경을 이용해서 4,300개 이상의 외행성의 증거를 발견했죠.
여기서 중요한 점은, 대부분의 외행성은 천문학자들이 실제로 볼 수 없을 정도로 너무 멀리 떨어져 있다는 거예요. 일반적으로 우리는 외행성이 모항성 궤도에 일으키는 '떨림'이나 외행성이 항성 앞을 지나갈 때 생기는 '그림자'를 통해서 외행성의 존재를 추론하죠.
그 추론을 바탕으로 천문학자들은 외행성의 공전 주기(외행성의 1년)와 외행성의 직경, 그리고 모항성으로부터의 거리를 추정해요. 이 정보를 통해서 우리는 외행성이 소위 '골디락스 영역'에 속하는지 알 수 있죠. 즉, 외행성의 특성이 생명체를 유지하기에 '딱 알맞은'지 알 수 있다는 거예요.
천문학자들이 발견했다고 믿는 모든 외행성 중에서, 얼마나 많은 외행성에 외계인이 살고 있을까요? 정답은 '0'이에요. 하나도 없다는 거죠.
이것은 NASA의 공식 입장이에요. NASA는 공식 외행성 탐사 웹사이트에서 "지구와 같은 외행성이 있습니까?"라는 질문에 대해 "우리는 지구 크기의 암석 외행성을 많이 발견했으며, 그중 일부는 항성의 생명체 거주 가능 지역에 있습니다"라고 답하면서도 "그러나 지구처럼 생명체를 지원할 수 있는 행성은 아직 발견하지 못했습니다. 지금까지 우리 행성은 우주에서 유일합니다"라고 말하죠.
이 점에 대해서 한번 생각해보세요.
지금까지 과학이 알고 있는 한, 우리 태양계는 유일해요. 지구는 유일하고, 여러분과 저는 우주 전체에서 유일한 존재라는 거죠!
그렇다면, 우리가 언젠가 외계인을 발견할 확률은 얼마나 될까요?
저는 코넬 대학교 대학원생 시절에 외계 생명체 연구인 '우주 생물학'에 깊은 관심을 갖게 되었어요. 저는 외계 지적 생명체 탐사(SETI)의 공동 창시자인 칼 세이건과 프랭크 드레이크 교수님으로부터 가르침을 받을 수 있는 특권을 누렸죠. 사실, 드레이크 교수님은 제 박사 학위 논문 심사 위원이셨어요.
그분들로부터 배운 가장 중요한 교훈 중 하나는 외계인이 존재하는지 여부에 대한 질문에 답하는 것이 거의 불가능한 이유가 최소한 두 가지 있다는 것이었어요.
첫째, 무엇이 생명체를 구성하는지 알기가 쉽지 않다는 거예요.
지구상의 모든 생물은 탄소, 수소, 질소, 산소, 인, 황(CHNOPS)이라는 여섯 가지 화학 원소로 구성되어 있어요. 하지만, 94개의 천연 원소와 24개의 합성 원소가 있잖아요. CHNOPS가 아닌 다른 원소로 완전히 알려지지 않은 형태의 생명체가 만들어질 수 있을까요?
간단히 말해서, 우리는 몰라요.
우주 생물학자들과 많은 공상 과학 작가들은 규소, 붕소, 심지어 게르마늄으로 만들어진 생명체를 상상해 왔어요. 어떤 사람들은 물이 아닌 암모니아를 기반으로 한 생명체를 상상하기도 하고요. 또 다른 사람들은 금속, 플라즈마, 또는 순수한 의식으로 만들어진 비생물학적 생명체에 대해 추측하기도 하죠.
우리가 모르기 때문에, 추측은 끝없이 이어지고 있어요.
둘째, 우리는 지구의 CHNOPS 기반 생명체가 어떻게 시작되었는지조차 몰라요. 표준 진화 이론(SET)은 생명체가 시작된 후에 일어나는 일만 설명할 뿐, 실제로 어떻게 시작되는지는 설명하지 않거든요.
진화 생물학자들은 그것이 스스로 시작되었다고 추측하는데, 이 추측을 '무생물 발생설'이라고 불러요. 일반적으로 그들의 아이디어는 두 가지 광범위한 범주로 나눌 수 있는데, 둘 다 공상 과학 소설처럼 들리죠.
저는 첫 번째 범주를 '외계에서 왔다'라고 불러요.
이 시나리오에서는 생명체의 필수 성분인 물, 아미노산, 뉴클레오티드가 운석, 혜성, 또는 우주 외계인과 같은 외부 요인으로부터 지구에 쏟아졌다고 상상해요. 옥스퍼드 대학교의 진화 생물학 명예 교수인 리처드 도킨스는 이렇게 설명하죠.
"지구상의 생명체가 어떻게 시작되었는지 아는 사람은 아무도 없다... 아마도 먼 과거에, 우주의 어딘가에서, 문명이 다윈의 방법에 의해서 매우 높은 수준의 기술로 진화했고, 그 문명이 아마도 이 행성에 생명체를 심었을 것이다... 그리고 그 설계자는 우주의 다른 곳에서 온 더 높은 지능을 가진 존재일 것이다."
'외계에서 왔다' 시나리오는 혜성과 운석에 생명체에 필요한 유기 분자, 심지어 단백질의 구성 요소인 아미노산까지 포함되어 있다는 우리의 발견에 의해 뒷받침되고 있어요.
예를 들어, 2008년에 수단을 강타한 운석 2008 TC3에는 19가지의 다른 아미노산이 포함되어 있다고 해요. 그리고 혜성 67P/추류모프-게라시멘코에는 다양한 유기 분자와 지구상의 생명체가 사용하는 가장 간단한 아미노산인 글리신이 많이 포함되어 있다고 하죠.
저는 두 번째 범주를 '검은 늪에서 왔다'라고 불러요.
이 시나리오에서는 생명체의 필수 성분이 지구상에서 어떤 화학적 과정을 통해 만들어졌다고 봐요. 이것은 찰스 다윈이 선택한 시나리오였죠.
1871년에 다윈은 지구의 아주 초기에 단백질 거대 분자가 "암모니아와 인산염이 가득한 따뜻한 작은 연못에서 빛, 열, 전기 등이 존재했을 때 우연히 만들어졌을 수도 있다"고 희망적으로 추측했어요.
1953년에 미국의 화학자 해럴드 유리와 스탠리 밀러는 다윈의 몽상적인 시나리오를 시험해 봤어요. 그들은 메탄, 암모니아, 수소 가스 혼합물에 전기 스파크를 튀겨서 아미노산과 다른 유기 분자를 만들었죠.
처음에는 결과가 환영받았지만, 나중에는 여러 기술적인 이유로 인해 의문이 제기되었어요.
한 가지 문제는 지구의 원시 대기가 메탄, 암모니아, 수소가 아닌 이산화탄소, 질소, 수증기로 이루어져 있었을 것이라고 믿어지고 있다는 거예요. 밀러의 제자 중 한 명이 나중에 가스 혼합물을 수정하고 획기적인 실험을 반복했지만, 그 결과는 여전히 논쟁의 여지가 있죠.
또 다른 문제는 동일한 화학 서열을 가진 아미노산이 오른손형과 왼손형이라는 두 가지 기하학적 형태로 존재한다는 거예요. 지구상의 생명체는 후자만 사용하죠. 따라서 실험이 지구상의 생명체를 조립하는 과정을 성공적으로 시뮬레이션했다고 주장하려면 왼손형 아미노산만 생성해야 해요.
유리-밀러 실험은 이것을 하지 못해요. 그것은 두 종류의 아미노산을 똑같이 생성하죠. 즉, 왼손형 분자를 선택하고 그것들을 우리가 오늘날 보는 유기체로 조립한 특별한 생명체 생성 과정을 나타내지 않는다는 거죠.
캐나다 온타리오 주 맥마스터 대학교의 과학자들은 최근에 유리-밀러 장치의 업그레이드 버전을 완성했는데, 그들은 그것을 행성 시뮬레이터라고 불러요. 과학자들은 전자레인지 크기의 테라리움 내부의 온도, 습도, 압력, 대기, 방사선 수준을 변경함으로써 초기 지구 또는 다른 행성의 환경을 시뮬레이션할 수 있죠. 하지만, 그것이 검은 늪 시나리오에 관한 신뢰할 수 있고, 반복 가능하고, 관련성 있는 정보를 생성할지는 아직 미지수예요.
혜성과 운석에서 올바른 종류의 아미노산을 찾거나 실험실에서 만들더라도, 우리는 실제 생명체를 찾거나 만드는 데 여전히 갈 길이 멀어요. 여기서 그 의미를 완전히 설명할 공간은 없지만, 맛보기로 몇 가지만 말씀드릴게요.
네, 아미노산은 생명체의 '구성 요소'에요. 하지만, 수많은 아미노산이 올바른 방식으로 연결되어야 하죠. 그리고 그것들은 건강한 단백질 하나를 만들기 위해 올바른 모양으로 접혀야 해요.
이 복잡하고 정교한 과정은 종이접기와 같아요. 단 한 번의 잘못된 접기만으로도 최종 제품이 제대로 보이지 않거나 제대로 작동하지 않게 되죠.
예를 들어, 단일 헤모글로빈 단백질은 3차원적으로 정확하게 얽혀 있는 종이접기 모양의 574개의 아미노산으로 만들어져 있어요. 복잡한 생성 과정에서 단 한 번의 실수만으로도 겸상 적혈구 빈혈 환자에게서 볼 수 있는 것처럼 기능 장애 단백질이 생성되는데, 이들 중 일부는 어린 시절, 심지어 유아기에 살아남지 못하죠.
살아있는 유기체는 제대로 기능하기 위해 수백 개의 정교하게 만들어진 단백질에 의존해요. 지구상에서 가장 작고 원시적인 게놈 중 하나를 가진 성병 병원체인 '마이코플라즈마 제니탈리움(Mycoplasma genitalium)'조차도 600개 이상의 완벽하게 만들어진 단백질에 의존하죠. 여러분과 저는 1만 개에서 수십억 개에 이르는 다양한 정교하게 구축된 단백질을 필요로 하고요.
그렇다고 하더라도, 단백질은 생명체가 아니에요. 단백질은 스스로 복제할 수 없는데, 이것은 살아 있다고 주장하는 모든 것의 필수적인 특징이죠.
복제를 위해서는 RNA 분자, 즉 리보핵산 같은 것이 필요한데, 리보핵산을 위해서는 아미노산이나 단백질보다 훨씬 더 복잡한 구성 요소인 뉴클레오티드가 필요하죠. 이 글을 쓰는 시점에서 뉴클레오티드는 우주에서 발견되지 않았고, 원시 지구 환경을 시뮬레이션하는 환경에서 도움 없이 실험실에서 만들어졌다는 부인할 수 없는 증거도 없어요.
뉴클레오티드를 찾거나 만들더라도, 우리는 실제 생명체를 찾거나 만드는 데 여전히 갈 길이 멀어요. 왜냐하면, 생명체의 재료 성분 외에도 한 가지 더 필요한 것이 있거든요. 바로 정보에요.
다시 말해서, 재료를 알아볼 수 없는 덩어리가 아닌 다른 것으로 혼합할 수 있는 레시피와 요리사가 필요하다는 거예요. 정보라는 인도하는 손이 없다면, 지구의 45억 년이라는 수명은 CHNOPS가 스스로 아미노산, 단백질, 뉴클레오티드로 조립하기에, 그리고 그 아미노산, 단백질, 뉴클레오티드가 우연히 여러분과 저 같은 절묘한 표본으로 구워지기에 충분한 시간이라고 보기 어렵죠.
영국의 천문학자이자 무신론자인 프레드 호일 경은 "생화학 시스템은 매우 복잡해서 단순한 유기 분자가 무작위로 뒤섞여 형성될 가능성은 극히 희박하며, 사실상 0과 구별할 수 없을 정도이다"라고 설명했어요. "생명체가 지구에서 기원하려면 생명체를 조립하기 위한 명확한 지침이 제공되어야 했을 것이다."
러시아 태생 벨기에 물리화학자이자 노벨상 수상자인 일리야 프리고진도 "보통 온도에서 거시적 수의 분자가 조립되어 고도로 정돈된 구조를 만들고 살아있는 유기체의 특징을 나타내는 조율된 기능을 수행할 확률은 극히 작다"고 동의했죠. "따라서 현재 형태의 생명체가 자발적으로 발생한다는 생각은 아무리 오랜 시간이 걸렸더라도 매우 일어날 가능성이 낮다."
그렇다면, 외계인이 존재할 확률은 얼마나 될까요?
제 전 교수인 프랭크 드레이크의 이름을 딴 드레이크 방정식을 소개할게요. 이 방정식은 우리 은하에만 지적 문명이 존재할 가능성이 얼마나 되는지 대략적으로 추정해요.
이 방정식은 7가지 핵심 요소를 고려하죠.
R* = 지적 생명체를 유지할 수 있는 빛을 내는 태양이 얼마나 자주 태어나는가?
fp = 태양의 행성을 가지고 있는 별의 비율은 얼마인가?
ne = 태양계당 생명체가 살기에 적합한 환경을 가진 행성의 수는 얼마인가?
fl = 실제로 생명체가 존재하는 행성의 비율은 얼마인가?
fi = 생명체가 존재하는 행성 중에서 지적 생명체가 존재하는 행성의 비율은 얼마인가?
fc = 지적 문명 중에서 우주로 탐지 가능한 신호를 방송하는 문명의 비율은 얼마인가?
L = 문명이 우주로 탐지 가능한 신호를 방송하는 기간은 얼마나 되는가?
드레이크와 그의 동료들은 우리 은하에만 약 1,000개에서 1억 개의 지적 문명이 있어야 한다고 계산했어요.
이것은 전체 가시 우주에 약 100조~20경 개의 지적 문명이 존재해야 한다는 것을 의미하죠. 기술적으로 발전된 외계인의 엄청난 폭발이라고 할 수 있어요.
그럼에도 불구하고, 화성에서 생명체가 존재할 가능성에 대한 기대감과 외행성 발견에 대한 흥분에도 불구하고, 우리는 여전히 페르미 역설과 함께 살고 있어요. 최고의 정교한 장비를 가지고 심우주를 바라보거나 듣더라도, 우리는 외계인에 대한 확실한 증거를 찾지 못하고 오직 귀뚜라미 소리만 들을 뿐이죠.
왜일까요?
옥스퍼드 대학교의 미래 인류 연구소 연구팀에 따르면, 그것은 우리가 드레이크 방정식에 지나치게 낙관적인 숫자를 할당했기 때문이라고 해요. 우리는 외계인이 존재하기를 너무나 바라기 때문에, 존재할지도 모르는 문명의 수를 과도하게 추정했다는 거죠.
옥스퍼드 연구팀이 화학, 생물학, 물리학, 천문학적 지식의 불확실성에 대한 솔직한 평가를 바탕으로 7가지 요소에 현실적인 값을 할당했을 때, 드레이크 방정식은 은하당 1,000개에서 1억 개의 지적 문명보다 훨씬 적은 수를 예측했어요. 중앙값은 0.00000000000000000000000000000000008(34개의 0이 앞에 붙은 8)과 같이 낮아지죠.
런던 왕립 학회 회보에 제출된 논문에서 저자들은 "우리는 우리 은하에서, 어쩌면 관측 가능한 우주에서조차 혼자일 가능성이 상당하다는 것을 발견했다"고 결론지었어요. 외계인이 어딘가에 존재하더라도, 그들은 무지개 너머에 있을 것이고, "아마도 우주론적 지평선 너머에 있어서 영원히 도달할 수 없을 것이다."
놀랍게도, 성경도 이에 동의해요. 다음 장에서 발견하겠지만, 지각 있는 존재는 "우주론적 지평선 너머"에 존재해요.
그들 중 한 명은 2천 년 전에 지구를 방문했고, 그의 체류는 인류 역사상 가장 많이 읽힌 책에 놀라울 정도로 자세하게 기록되어 있는데, 그 책은 수세기에 걸쳐 수많은 회의론자들의 면밀한 조사를 견뎌냈고, 오늘날에도 잘 기록된 역사적, 물리적 증거에 의해 뒷받침되고 있죠. 그 책은 "우리는 혼자인가?"라는 질문에 정면으로 대답하고 우리에게 명확한 답변을 해주고 있어요. 아니오, 우리는 혼자가 아니에요.
네, 오늘은 여기까지 할게요. 너무 길었나요? 아무튼, 우주에 대한 믿음, 그리고 우리가 혼