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아, 여러분, 안녕하세요! 오늘은 챕터 22... 어, 마스터 마크의 쿼크에 대해서 한번 얘기해볼까 해요. 음, 그러니까, 예전에, 1911년에 C.T.R. 윌슨이라는 영국 과학자가 있었는데, 이 분이 베니비스 산 꼭대기에 엄청 자주 올라갔대요. 구름 구조를 연구하려고. 근데 그 산이 스코틀랜드에 있는데, 진짜 습하기로 유명하잖아요? 그래서 갑자기 뭔가 좀 더 간단한 방법이 있지 않을까, 이런 생각이 딱 든 거죠.
그래서 다시 케임브리지 대학의 캐번디시 연구소로 돌아가서 인공 구름 상자를 만들었어요. 이게 뭐냐면, 공기를 냉각시키고 습하게 만들어서, 실험실 환경에서도 어느 정도 구름 모형을 만들 수 있는 간단한 장치였대요.
근데 이게 작동도 잘 되고, 뜻밖의 좋은 점도 있었어요. 윌슨이 알파 입자를 구름 상자 안에서 가속시켜서 인공 구름을 만들 때, 그 입자가 지나간 자리에 마치 비행기가 지나간 자국처럼 뚜렷한 흔적이 남는 거예요! 그러니까, 이 분이 아원자 입자가 실제로 존재한다는 걸 증명하는 아주 중요한 입자 검출기를 발명한 거죠.
그 후로 캐번디시 연구소의 다른 과학자 두 명이 더 강력한 양성자 빔 장치를 만들었고, 어니스트 로렌스는 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스에 유명한 사이클로트론, 어... 그러니까 원자 분쇄기라고 오랫동안 불렸던 장치를 만들었어요. 이런 장치들은 기본적으로 원리가 다 똑같아요. 양성자나 다른 전하를 띤 입자를 엄청 빠른 속도로 가속시켜서 다른 입자에 쾅! 부딪히게 해서 뭐가 튀어나오는지 보는 거죠. 그래서 원자 분쇄기라고 불렸던 거고요. 물론 엄밀히 말하면 과학이라고 하기는 좀 그렇지만, 어쨌든 꽤 효과가 있었다고 해요.
물리학자들이 점점 더 크고 야심 찬 기계를 만들면서, 뭐랄까, 끝없이 쏟아져 나오는 것처럼 보이는 입자들, 혹은 입자 족을 발견하거나 추론하기 시작했어요. 파이 중간자, 뮤 중간자, 하이페론, 중간자, K 중간자, 힉스 보손, 중간 벡터 보손, 중입자, 타키온... 심지어 물리학자들조차 좀 불편해지기 시작했대요. 어느 학생이 엔리코 페르미한테 어떤 입자 이름을 물었더니, "내가 이 모든 입자 이름을 다 기억한다면, 나는 식물학자가 됐을 거다"라고 대답했다는 유명한 일화도 있죠.
요즘 가속기 이름들은 거의 플래시 고든에 나오는 전쟁 무기 같아요. 슈퍼 양성자 동기 가속기라든가, 거대 전자 양전자 충돌기, 거대 강입자 충돌기, 상대론적 중이온 충돌기... 이런 이름들이죠. 사용하는 에너지도 너무 커서, 어떤 장비들은 밤에만 작동시킬 수 있다고 해요. 왜냐하면 장비를 켜면 주변 마을 사람들의 불빛이 약해지는 걸 눈치채지 못하게 하려고! 입자가 7km나 되는 터널을 1초도 안 되는 시간에 4만 7천 바퀴나 돌 정도의 상태까지 활성화시킬 수 있다니까요.
과학자들이 너무 흥분해서 무심코 블랙홀이나 소위 '이상한 쿼크'를 만들어낼까 봐 걱정하는 사람들도 있었어요. 이론적으로 그런 입자들이 다른 아원자 입자들과 연쇄 반응을 일으켜서 완전히 통제 불능 상태가 될 수도 있다는 거죠. 만약 지금 여러분이 살아있고 이 팟캐스트를 듣고 있다면, 그런 일은 일어나지 않았다는 뜻이겠죠? ㅎㅎ
입자를 찾는 건 엄청난 집중력이 필요해요. 입자들은 너무 작고, 너무 빠르고, 또 너무 순식간에 사라지거든요. 0.000000000000000000000001초 (10의 -24제곱 초) 만에 나타났다 사라지는 입자들도 있대요. 가장 활력이 없는 불안정한 입자조차도 0.0000001초 (10의 -7제곱 초) 이상 존재하지 못한다니까요.
어떤 입자들은 거의 잡히지도 않아요. 매초마다 100경경개의 아주 작고 거의 질량이 없는 중성미자가 지구에 도달하는데, 대부분 태양의 열핵 반응에서 방출되는 거죠. 이 입자들은 사실상 지구와 지구 위에 있는 모든 것, 심지어 여러분과 저를 포함해서, 그냥 뚫고 지나가 버려요. 마치 지구가 존재하지 않는 것처럼요. 과학자들은 이런 입자들을 몇 개라도 잡기 위해서 지하, 보통 폐광에서, 최대 5만 7천 세제곱미터나 되는 중수, 즉 중수소가 풍부한 물을 담은 용기를 사용한다고 해요. 다른 종류의 방사선 간섭을 피하기 위해서죠.
아주 드물게, 지나가던 중성미자가 물속에 있는 원자핵에 쾅! 부딪히면서 아주 작은 에너지를 만들어내요. 과학자들은 이런 아주 작은 에너지들을 통계적으로 분석해서 우주의 기본적인 성질을 조금씩 알아내는 거죠. 1998년에 일본 관측자들은 중성미자에게 실제로 질량이 있다는 걸 발견했는데, 아주 작대요. 전자의 1천만 분의 1 정도라고 하네요.
요즘 입자를 찾는 데 진짜 필요한 건 돈이에요. 그것도 엄청나게 많은 돈! 현대 물리학에서는 찾는 대상의 크기와 필요한 장비의 크기가 묘하게 반비례하는 경향이 있거든요. 유럽 핵 연구 기구는 거의 작은 도시 같아요. 프랑스와 스위스 국경에 걸쳐 있고, 3천 명의 직원이 근무하고, 면적이 몇 제곱킬로미터나 되죠. 에펠탑보다 더 무거운 자석들이 줄지어 있고, 그 주변에는 약 26km 길이의 지하 터널이 있다고 해요.
제임스 트레필은 원자를 깨는 건 형광등을 켜는 것만큼 쉽다고 말했어요. 하지만 원자핵을 깨려면 엄청난 돈과 엄청난 전기가 필요하죠. 입자를 쿼크, 즉 입자를 구성하는 입자로 바꾸려면 더 많은 전기와 돈이 필요해요. 수조 와트의 전기와 작은 중앙 아메리카 국가의 예산과 맞먹는 돈이 필요하죠. 유럽 핵 연구 기구의 새로운 거대 강입자 충돌기는 2005년부터 가동될 예정인데, 14조 와트의 에너지를 생산하고 건설 비용만 15억 달러가 넘는다고 해요. 물론 이 막대한 비용이 드는 프로젝트에서 실용적인 부산물도 나오긴 해요. 월드 와이드 웹, 즉 우리가 인터넷이라고 부르는 것도 유럽 핵 연구 기구에서 파생된 결과물이에요. 1989년에 유럽 핵 연구 기구의 과학자 팀 버너스리가 발명했죠.
하지만 이런 숫자들은 슈퍼 전도 충돌기가 원래 생산할 수 있었던 에너지와 필요한 건설 비용에 비하면 아무것도 아니에요. 1980년대에 텍사스 주 근처에서 슈퍼 전도 충돌기 건설이 시작됐지만, 미국 의회와의 슈퍼 충돌이 일어나는 바람에 결국 건설이 중단됐어요. 그 충돌기의 목적은 과학자들이 우주가 처음 10조분의 1초였을 때와 최대한 비슷한 상황을 재현해서 "물질의 궁극적인 본질"을 탐구하는 거였대요. 항상 하는 말이죠. 이 계획은 입자를 84km 길이의 터널에 넣어서 무려 99조 와트의 에너지를 얻는 거였어요. 정말 웅장한 계획이었지만, 건설 비용이 80억 달러, 나중에는 100억 달러까지 늘어났고, 매년 운영하는 데만 수억 달러가 더 들었어요.
어쩌면 이건 역사상 돈을 땅에 쏟아부은 가장 좋은 예일지도 몰라요. 미국 의회는 거기에 22억 달러를 쏟아붓고, 22km 길이의 터널을 건설한 후에 프로젝트를 취소했거든요. 이제 텍사스 사람들은 우주에서 가장 비싼 구멍을 소유하고 있다는 자부심을 가질 수 있겠죠. 제 친구이자 <가치 있는 요새>의 저자인 제프 귄은 저에게 "거긴 사실 아무것도 없는 넓은 땅이고, 주변에는 실망한 작은 마을들이 흩어져 있을 뿐"이라고 말했죠.
슈퍼 충돌기가 무산된 후, 입자 물리학자들은 눈높이를 낮췄어요. 하지만 비교적 평범한 프로젝트의 비용조차도, 거의 모든 프로젝트와 비교하면, 꽤 엄청날 수 있어요. 사우스다코타 주 레드에 있는 폐광, 홈스테이크 광산에 중성미자 관측소를 건설하자는 제안이 나왔는데, 비용이 5억 달러나 들었고, 매년 운영하는 데 드는 비용은 별도였어요. 게다가 "일반 개조 비용"으로 2억 8천 1백만 달러가 더 필요했죠. 한편, 일리노이 주 페르미 국립 가속기 연구소의 입자 가속기 재료를 업데이트하는 데만 2억 6천만 달러가 들었어요.
결론적으로 입자 물리학은 돈이 엄청 많이 드는 사업이지만, 엄청난 수확을 가져다주는 사업이기도 해요. 오늘날 입자의 수는 150종을 훨씬 넘고, 아직 존재가 의심되는 입자도 100종 정도나 된다고 해요. 하지만 불행히도, 리처드 파인만의 말처럼 "이 모든 입자들의 관계, 자연이 그들에게 뭘 시키는지, 서로 어떤 관계가 있는지 알기가 너무 어렵다"는 거죠. 상자를 하나 열 때마다, 그 안에는 또 다른 닫힌 상자가 있는 것 같아요. 어떤 사람들은 빛보다 빠른 속도로 움직이는 타키온이 존재한다고 믿고, 어떤 사람들은 중력의 근원인 중력자를 찾고 싶어 하죠. 우리가 어디까지 파고들었는지, 지금으로서는 말하기가 어려워요. 칼 세이건은 그의 저서 <코스모스>에서 "만약 당신이 전자 속으로 깊숙이 들어가면, 그것 자체가 하나의 우주라는 것을 알게 될 것이다. 그 안에는 훨씬 더 작은 입자들이 모여서 마치 국부적인 은하계와 더 작은 구조물을 이루고 있으며, 그것들 자체가 다음 단계의 우주다. 이런 식으로 영원히 안으로 들어가는 과정이 반복된다. 우주 속의 우주, 끝없이 펼쳐지는 세계, 위쪽으로도 마찬가지다"라고 말했죠.
대부분의 사람들에게 이것은 상상하기조차 어려운 세계예요. 요즘 입자 물리학에 관한 입문서를 읽으려고 해도, 언어적인 장벽을 극복해야 해요. 예를 들어, "전하를 띤 파이 중간자와 반파이 중간자는 각각 뮤 중간자 더하기 반중성미자와 반뮤 중간자 더하기 중성미자로 붕괴되며, 평균 수명은 2.603 x 10의 -8제곱 초이다. 중성 파이 중간자는 2개의 광자로 붕괴되며, 평균 수명은 약 0.8 x 10의 -16제곱 초이다. 뮤 중간자와 반뮤 중간자는 각각..." 뭐 이런 식이죠. 게다가 이 인용문은 (보통) 글을 쉽게 쓰는 스티븐 와인버그가 일반 독자를 위해 쓴 책에서 가져온 거예요.
1960년대에 캘리포니아 공과대학교 물리학자 머리 겔만은 상황을 단순화하려고 새로운 입자 분류법을 만들었는데, 스티븐 와인버그의 말에 따르면, 실제로 "상당히 많은 수의 강입자를 다시 알아보기 쉽게 만들었다"고 해요. 강입자는 물리학자들이 강력에 지배되는 양성자, 중성자 및 기타 입자를 지칭하는 데 사용하는 집합적인 용어죠. 겔만의 이론은 모든 강입자가 더 작고 더 기본적인 입자로 구성되어 있다고 주장했어요. 그의 동료 리처드 파인만은 이 새로운 기본 입자를 도리스처럼 "부분자"라고 부르고 싶어했지만, 받아들여지지 않았어요. 결국 그들은 쿼크라고 불리게 됐죠.
겔만은 소설 <피네건의 경야>의 한 구절에서 이 이름을 따왔는데, 그 구절은 "마스터 마크에게 쿼크 세 개를 주세요!(Three quarks for Muster Mark!)"였어요. 예리한 물리학자들은 storks나 larks를 그 단어의 각운으로 삼았지만, 조이스가 생각한 것은 거의 후자의 발음이었을 거예요. 쿼크의 기본적인 단순성은 오래가지 못했어요. 쿼크에 대해 더 많이 알게 되면서, 더 세분화된 분류가 필요해졌죠. 쿼크는 너무 작아서 색깔, 맛 또는 다른 식별 가능한 화학적 특성을 가질 수 없지만, 그럼에도 불구하고 위, 아래, 奇, 粲, 꼭대기, 바닥 이렇게 여섯 가지로 나뉘었고, 물리학자들은 이상하게도 이것들을 통틀어 "맛"이라고 불렀어요. 게다가 그것들은 다시 빨강, 초록, 파랑 세 가지 색깔로 더 세분화되었죠. 이런 이름들이 원래 캘리포니아에서 환각제를 사용하던 시대에 사용되었을 거라고 의심하는 사람들도 있어요. 완전히 우연은 아니겠죠.
결국, 소위 표준 모형이라는 것이 등장했어요. 아원자 세계에 있어서, 그것은 사실상 부품 상자와 같아요. 표준 모형의 구성 요소는 6가지 쿼크, 6가지 경입자, 5가지 알려진 보손, 1가지 가설적인 보손(즉, 스코틀랜드 과학자 피터 힉스의 이름을 딴 힉스 보손)과 4가지 물리적 힘 중 3가지, 강력, 약력, 전자기력이죠.
이런 구성은 물질의 기본 재료에는 쿼크가 있고, 쿼크는 글루온이라는 입자에 의해 결합되어 있으며, 쿼크와 글루온이 함께 원자핵의 재료, 즉 양성자와 중성자를 형성한다는 것을 보여줘요. 경입자는 전자와 중성미자의 근원이죠. 쿼크와 경입자를 통틀어 페르미온이라고 불러요. 보손은 인도 물리학자 S.N. 보즈의 이름을 딴 것으로, 힘을 생성하고 전달하는 입자인데, 광자와 글루온이 여기에 해당되죠. 힉스 보손은 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있어요. 그것은 전적으로 입자에게 질량을 부여하기 위해 만들어진 가설적인 입자일 뿐이죠.
보시다시피, 이 모형은 정말 좀 어색하지만, 입자 세계의 모든 것을 설명하는 데 사용할 수 있는 가장 간단한 모형이에요. 대부분의 입자 물리학자들은 리언 레더먼이 1985년 TV 프로그램에서 말했듯이, 표준 모형이 그다지 우아하지도 않고 간결하지도 않다고 생각해요. "그것은 너무 복잡하고, 너무 자의적인 매개변수가 많다"고 레더먼은 말했죠. "우리는 사실 우리가 모두 알고 있는 우주를 창조하기 위해 창조주가 왜 20개의 손잡이를 돌려 20개의 매개변수를 설정해야 했는지 이해하지 못한다." 실제로 물리학의 과제는 궁극적인 간결성을 탐구하는 것인데, 지금까지의 모든 것은 아름다운 엉망진창, 혹은 레더먼이 말한 것처럼 "우리는 이 그림이 아름답지 않다고 깊이 느낀다"고 할 수 있겠죠.
표준 모형은 어색할 뿐만 아니라 불완전하기도 해요. 한 가지, 그것은 중력에 대해서는 전혀 언급하지 않아요. 표준 모형 전체를 뒤져봐도 왜 탁자 위에 놓인 모자가 천장으로 날아가지 않는지 설명하는 것을 찾을 수 없죠. 입자에게 질량을 부여하기 위해서는 가설적인 힉스 보손을 도입해야 하는데, 그것이 실제로 존재하는지 여부는 21세기의 물리학에 달려 있어요. 파인만이 진심으로 생각했듯이 "따라서 우리는 이 이론에 대해 진퇴양난에 빠져 있다. 그것이 옳은지 그른지 모르지만, 우리는 그것이 약간 틀렸거나 적어도 불완전하다는 것을 확실히 알고 있다."
물리학자들은 모든 것을 한데 묶으려고 노력한 결과, 소위 초끈 이론이라는 것을 생각해냈어요. 이 이론은 이전에는 입자라고 생각했던 쿼크와 경입자가 실제로 "끈"이라는 가정을 하고 있어요. 11차원에서 진동하는 에너지 끈이죠. 우리가 이미 알고 있는 3차원, 즉 가로, 세로, 높이에 시간 차원을 더하고, 7개의 다른 차원을 더해서요. 이 끈은 너무 작아서 점 입자로 간주될 수밖에 없죠.
추가적인 차원을 도입함으로써 초끈 이론은 과학자들이 양자 법칙과 중력 법칙을 비교적 조화롭게 결합할 수 있게 해 줬지만, 이것은 또한 과학자가 이 이론에 대해 설명하는 모든 것이 마치 공원 벤치에 앉아 있는 낯선 사람이 당신에게 어떤 생각을 말해 줄 때처럼 불안하게 들린다는 것을 의미하기도 해요. 예를 들어, 물리학자 미치오 카쿠는 초끈 이론의 관점에서 우주의 구조를 다음과 같이 설명해요. "잡종 끈은 닫힌 끈으로 구성되어 있는데, 그것은 시계 방향과 반시계 방향의 두 가지 진동 모드를 가지고 있으며, 다른 방식으로 취급해야 한다. 시계 방향의 진동은 10차원 공간에 존재한다. 반시계 방향의 진동은 26차원 공간에 존재하며, 그중 16차원은 이미 압축되어 있다." 우리가 알고 있듯이 칼루자의 원래 5차원 공간에서 5번째 차원은 원으로 말려서 이미 압축되어 있었죠.
뭐 이런 식으로 350페이지 정도가 계속되는 거죠.
끈 이론은 다시 소위 M 이론이라는 것을 낳았어요. 이 이론은 소위 "막"의 면을 물리학 세계의 영혼에 포함시켰죠. 이쯤 되면 우리는 지식 고속도로의 정류장에 도착했고, 대부분의 사람들은 여기서 내려야 할 거예요. <뉴욕 타임스>에 실린 다음 구절을 인용할게요. 그것은 가능한 한 쉬운 언어로 일반 독자에게 이 이론을 설명하고 있죠.
"그 머나먼 과거에, 화성 과정은 평평하고 비어 있는 한 쌍의 막으로 시작되었다. 그들은 서로 평행하게 말린 5차원 공간에 위치해 있었다... 두 막은 5차원의 벽을 구성하고, 더 머나먼 과거에 양자 요동으로 인해 무에서 발생한 다음 흩어졌을 가능성이 크다."
논쟁할 수도 없고, 이해할 수도 없죠. 덧붙여서 "화성"은 그리스어에서 유래했으며, 그 의미는 "불타는"이랍니다.
이제 물리학의 문제는 폴 데이비스가 <네이처> 잡지에서 말했듯이 "비물리학자가 당신이 상식적인 괴짜인지, 아니면 완전히 미친 사람인지 구별하기가 거의 불가능한" 수준에 도달했어요. 흥미롭게도, 2002년 가을에 이 문제가 중요한 순간에 도달했어요. 프랑스 물리학자 두 명, 쌍둥이 형제인 이고르 보그다노프와 그르슈카 보그다노프는 "상상 속의 시간"과 "쿠퍼-슈빙거-마틴 조건"과 같은 개념을 포함하여 초고밀도에 대한 이론을 제시했는데, 그것은 무, 즉 빅뱅 이전의 우주, 그 기간을 묘사하기 위한 것이었어요. 그 시간은 (물리적 현상과 그 특징이 탄생하기 전에 일어났기 때문에) 알 수 없는 것으로 여겨져 왔죠.
보그다노프 이론은 물리학자들 사이에서 거의 즉각적인 논쟁을 불러일으켰어요. 그것은 헛소리인지, 천재적인 업적인지, 아니면 사기인지? 컬럼비아 대학교의 물리학자 피터 보이트는 <뉴욕 타임스> 기자에게 "과학적인 관점에서 보면, 그것은 다소 완전한 헛소리라는 것이 분명하다"고 말했죠. "하지만 최근에는 그것이 다른 많은 문헌과 크게 다르지 않다."
칼 포퍼는 스티븐 와인버그에 의해 "현대 과학 철학자의 거장"이라고 불렸죠. 그는 언젠가 물리학에는 궁극적인 이론이 없을 가능성이 크다고 제안했는데, 모든 설명에는 더 나아가 설명이 필요하고, "영원히 끝나지 않는 일련의 점점 더 기본적인 원리"를 형성한다는 것이죠. 그와 대조적인 가능성은 그런 지식이 우리가 완전히 이해할 수 없는 것일 수도 있다는 것이죠. 와인버그는 <궁극적인 이론의 꿈>에서 "다행히도 지금까지 우리의 이성적인 자원은 아직 소진되지 않은 것 같다"고 썼어요.
거의 확실한 것은 이 분야에 더 많은 통찰력이 나타날 것이라는 점이고, 거의 마찬가지로 확실한 것은 그 통찰력이 우리 대부분이 이해할 수 없는 것이라는 점이죠.
20세기 중반의 물리학자들이 작은 세계를 어리둥절하게 관찰하고 있을 때, 천문학자들은 마찬가지로 주목할 만한 사실은 큰 우주에 대한 이해도 불완전하다는 것을 발견했어요.
지난번에 이야기했듯이, 에드윈 허블은 우리 시야에 있는 거의 모든 은하가 우리에게서 멀어지고 있다는 것을 확인했는데, 이 후퇴 속도는 거리와 비례했어요. 은하가 멀리 있을수록 움직이는 속도가 더 빨랐죠. 허블은 이것을 Ho = v / d라는 간단한 방정식으로 표현할 수 있다는 것을 발견했어요. Ho는 상수, v는 은하가 멀어지는 속도, d는 우리에게서 떨어진 거리죠.
그 이후로 Ho는 허블 상수라고 불리게 되었고, 전체 방정식은 허블 법칙이라고 불리게 되었어요. 허블은 자신의 방정식을 이용해서 우주의 나이가 약 20억 년이라고 계산했어요. 이 숫자는 좀 어색했는데, 왜냐하면 1920년대 말에도 이미 우주의 많은 것, 아마도 지구 자체를 포함해서, 그보다 더 오래되었다는 것이 점점 더 분명해지고 있었기 때문이죠. 이 숫자를 개선하는 것은 우주론계의 지속적인 관심사였어요.
허블 상수에 대해 변함없이 지속된 유일한 것은 그것에 대한 평가 의견이 일치하지 않는다는 것이었어요. 1956년에 천문학자들은 세페이드 변광성이 그들이 생각했던 것보다 더 다양하다는 것을 발견했어요. 세페이드 변광성은 한 종류가 아니라 두 종류로 나뉠 수 있다는 것이죠. 그래서 그들은 다시 계산해서 우주의 새로운 나이가 약 70억 년에서 200억 년 사이라고 결론지었어요. 그다지 정확하지는 않지만 적어도 상당히 오래되어서 지구의 형성을 포함할 수 있게 되었죠.
그 후 몇 년 동안, 윌슨 산 천문대에서 허블의 후계자인 앨런 샌디지와 프랑스 태생의 텍사스 대학교 천문학자 제라르 드 보클뢰르 사이에서 오랜 논쟁이 벌어졌어요. 샌디지는 몇 년 동안 신중하게 계산한 후에 허블 상수의 값이 50이고 우주의 나이가 200억 년이라고 결론지었어요. 보클뢰르는 마찬가지로 확신에 차서 허블 상수가 100이라고 주장했죠. 물론 여러분은 "상수가 50이다" 또는 "상수가 100이다"라는 것이 정확히 무엇을 의미하는지 알 권리가 있을 거예요. 그 답은 천문학 측정 단위에 있는데, 천문학자들은 대화할 때 외에는 광년을 사용하지 않고 "파섹"이라는 거리 단위를 사용해요. 그것은 널리 사용되는 항성 시차라는 측정 방법에 기반을 두고 있으며, 3.26 광년에 해당하죠. 정말 큰 척도죠. 그 상수는 백만 파섹당 초당 킬로미터 수로 표시되므로 허블 상수가 50이라는 것은 "백만 파섹당 초당 50킬로미터"라는 의미예요. 보클뢰르는 허블 상수가 100이라고 주장했는데, 이는 우주의 크기와 나이가 샌디지가 생각한 것의 절반에 불과하다는 것을 의미했어요. 즉, 100억 년이라는 것이죠. 1994년에 상황은 갑자기 더 불확실해졌는데, 캘리포니아 주 카네기 천문대의 한 팀이 허블 우주 망원경의 측정 결과를 근거로 우주의 나이가 80억 년에 불과하다고 제안했기 때문이에요. 그들조차도 이 나이가 우주의 일부 별의 나이보다 어리다는 것을 인정했죠. 2003년 2월에 미국 항공우주국과 메릴랜드 주 고다드 우주 비행 센터에서 온 한 팀은 윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기라는 새로운 위성을 이용해서 우주의 나이가 137억 년이고 오차는 1천만 년 정도라고 자신 있게 발표했어요. 적어도 당분간은 일이 마무리된 것 같았죠.
최종 결론을 내리는 것은 정말 어려운데, 왜냐하면 종종 해석의 여지가 크기 때문이에요. 밤에 빈터에 서서 멀리 있는 두 개의 전등 사이의 거리를 확인하려고 한다고 상상해 보세요. 비교적 간단한 천문 도구를 사용하면 두 전구의 밝기가 똑같다는 것과 한 전구가 다른 전구보다 50% 더 멀리 떨어져 있다는 것을 쉽게 확인할 수 있어요. 하지만 여러분이 확인할 수 없는 것은 더 가까운 전구가 예를 들어 37미터 떨어진 58와트 전구인지, 아니면 36.5미터 떨어진 61와트 전구인지 하는 것이죠. 게다가 지구 대기의 변화, 성간 먼지, 배경 별빛으로 인한 빛 오염 및 기타 많은 요인으로 인해 발생하는 왜곡을 고려해야 해요. 따라서 여러분의 계산 결과는 일련의 중첩된 가정에 기초하게 될 것이고, 그중 어느 하나라도 논쟁의 여지가 있을 수 있죠. 또 다른 문제는 천문 망원경을 사용하는 데 항상 비용이 많이 든다는 것이에요. 역사적으로 적색 편이를 측정하려면 천문 망원경을 장시간 사용해야 했고, 눈에 띄게 돈이 많이 들었죠. 사진 한 장을 얻는 데 밤새도록 걸릴 수도 있었으니까요. 결과적으로 천문학자들은 빈약한 증거에 근거해서 결론을 내릴 수밖에 없거나, 기꺼이 그렇게 했죠. 우주론에 있어서, 기자 제프리 카르가 지적했듯이 우리는 "두더지 언덕 같은 증거 위에 산더미 같은 이론을 세우고" 있는 거예요. 아니면 마틴 리스가 말했듯이 "우리의 현재 만족(우리의 인식 상태에 대한)은 이론의 탁월함이 아니라 데이터 부족을 반영하는 것일 수도 있다."
덧붙여서, 이러한 불확실한 상태는 비교적 가까이 있는 것에도 적용되지만, 멀리 떨어진 우주의 가장자리에도 적용돼요. 천문학자들이 M87 은하가 6천만 광년 떨어져 있다고 말할 때, 도널드 골드스미스가 말했듯이 그들은 사실 그것이 약 4천만에서 9천만 광년 사이에 있다고 말하고 있는 것일 뿐이에요. 완전히 똑같은 것은 아니죠. 큰 우주에서는 일들이 자연스럽게 과장되죠. 이런 점을 감안할 때, 현재 우주에 대한 가장 좋은 추정치는 120억에서 135억 년 사이인 것 같지만, 의견 일치와는 거리가 멀죠.
최근에는 우주가 우리가 원래 생각했던 것만큼 크지 않다는 매우 흥미로운 이론이 제기되었는데, 우리가 멀리 응시하면서 보는 일부 은하는 아마도 영상, 즉 반사된 빛으로 인해 생성된 중복 이미지일 뿐이라는 것이죠.
사실, 우리가 모르는 것이 너무 많아요. 심지어 매우 기본적인 수준에서 말이죠. 적어도 우주가 어떻게 구성되었는지에 대해서는요. 과학자들이 물건을 제자리에 있도록 유지하는 데 필요한 물질의 양을 계산할 때, 그 결과는 항상 턱없이 부족하다는 것을 발견해요. 우주의 적어도 90%, 어쩌면 99%가 프리츠 츠비키가 "암흑 물질"이라고 생각했던 것으로 구성되어 있는 것 같아요. 본성적으로 우리가 볼 수 없는 것이죠. 우리는 대부분 볼 수도 없는 우주에 살고 있고, 아무런 방법이 없다는 사실을 생각하면 좀 씁쓸해지죠. 적어도 두 명의 주요 용의자 이름이 주목을 받고 있는데, 그것들은 "WIMP"(Weakly Interacting Massive Particles, 즉 빅뱅으로 인해 남겨진 보이지 않는 미세한 물질)이거나 "MACHO"(Massive Compact Halo Objects, 사실상 블랙홀, 갈색 왜성 및 기타 희미한 별의 또 다른 표현)일 거라고 하죠.
입자 물리학자들은 종종 입자로 설명하는 것, 즉 WIMP를 선호하고, 천체 물리학자들은 별, 즉 MACHO로 설명하는 것을 선호해요. 한때 MACHO가 우위를 점했지만, 충분한 수가 발견되지 않았기 때문에 바람이 다시 WIMP로 바뀌었죠. 문제는 WIMP가 한 번도 발견된 적이 없다는 거예요. 그것들은 상호 작용이 너무 약하기 때문에 식별하기가 어렵죠. 그것들이 존재한다고 가정하더라도 말이죠. 우주선이 너무 많은 간섭을 일으키거든요. 따라서 과학자들은 지하 깊숙이 들어가야 해요. 지하 1킬로미터 지점에서는 우주선의 폭격 강도가 지상의 백만 분의 1에 불과하죠. 하지만 이 모든 것을 더한다고 해도, 한 비평가가 말했듯이 "우주는 결산표에서 여전히 3분의 2가 부족하다"고 해요. 당분간 저는 그것들을 "DUNNO"(Distant Unknown Non-Reflecting Non-Observable Objects, 어딘가에 있는 알려지지 않은 반사되지 않고 관측할 수 없는 물체)라고 부를게요.
최근에는 우주의 은하가 우리에게서 멀어질 뿐만 아니라, 멀어지는 속도가 점점 빨라지고 있다는 징후가 나타나고 있어요. 이것은 사람들이 기대했던 것과는 정반대되는 일이죠. 우주는 암흑 물질로 가득 차 있을 뿐만 아니라, 암흑 에너지로도 가득 차 있는 것 같아요. 과학자들은 이것을 때로는 진공 에너지 또는 다섯 번째 원소라고 부르기도 해요. 어쨌든 우주는 계속 팽창하고 있는 것 같고, 아무도 그 이유를 설명할 수 없죠. 어떤 이론에서는 텅 비어 있는 우주 공간이 사실 텅 비어 있지 않으며, 물질과 반물질 입자가 끊임없이 생성되고 사라지면서 우주를 점점 더 빠른 속도로 밀어내고 있다고 주장하죠. 믿을 수 없을 정도로, 이 모든 것을 해결해 줄 수 있는 것은 바로 아인슈타인의 우주 상수인데, 그는 우주가 끊임없이 팽창하고 있다는 가설에 반박하기 위해 일반 상대성 이론에 슬쩍 도입했고, 그 자신이 "내 인생에서 가장 큰 실수"라고 자칭했던 그 작은 계산식이 말이죠. 이제 보니 그가 결국 옳았던 것 같아요.
결론적으로 우리는 우주의 나이를 정확히 계산할 수 없고, 우리 주변에는 우리가 있는 곳과 서로의 거리를 완전히 알지 못하는 별들이 있으며, 우주에는 우리가 식별할 수 없는 물질로 가득 차 있고, 우주는 우리가 그 본질을 정말로 이해하지 못하는 물리학 법칙에 따라 움직이는 우주에 살고 있는 것이죠.
이렇게 매우 불확실한 분위기 속에서, 지구로 다시 돌아와서 우리가 정말로 이해하는 것, 비록 지금까지 우리가 그것을 완전히 이해하지 못했다는 이야기를 들었을 때 더 이상 놀라지 않을 수도 있지만, 그리고 오랫동안 이해하지 못했지만 지금은 이해하는 것에 대해서 생각해 보도록 하죠.