상수의 신비한 가치
아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 은하의 중력이 시공간을 어떻게 휘게 하는지 보여주는 그림(출처: 과학 도서관).
밤하늘을 바라보면 우리는 종종 우주가 왜 지금처럼 존재하는지 궁금해합니다. 생명, 별, 행성, 심지어 인간까지 말입니다. 하지만 우주의 모든 것이 자연의 기본 상수라고 불리는 특별한 숫자들의 집합에 의해 지배된다는 사실을 아는 사람은 거의 없습니다.
이러한 숫자는 인간이 만들어낸 것이 아니라, 우주의 힘과 물질이 서로 상호 작용하는 방식을 설명하는 고정된 값입니다.
예를 들어, 진공에서 빛의 속도는 항상 약 299,792,458m/s이고, 중력상수 G는 6.674x10⁻¹¹ m³/kg/s²이고, 전자의 질량은 9.1 x 10⁻³¹ kg입니다.
이 숫자들은 아주 조금만 바뀌어도 완전히 다른 우주, 심지어 생명체의 존재를 초래할 수 있습니다. 중요한 질문은 이 숫자들이 왜 이런 값을 가지고 있는가, 어디에서 유래한 것인가, 그리고 무작위적인 것인가입니다.
물리학 덕분에 우리는 돌의 낙하부터 우주 전체의 팽창까지, 세상을 설명하는 매우 정확한 방정식과 모델을 구축할 수 있습니다. 하지만 각 방정식에는 상수와 같은 입력 값이 "공급"되어야 합니다.
그들은 현대 물리학의 건물을 지탱하는 "들보"와 같습니다. 하지만 이상하게도, 현재 어떤 이론도 그들의 기원을 설명할 수 없습니다. 과학자들은 단지 실험값을 측정하여 모델에 적용할 수 있을 뿐입니다.
공의 운동을 시뮬레이션한다고 상상해 보세요. 뉴턴의 법칙을 사용하여 힘을 설명할 수 있지만, "중력이 얼마나 강한지"는 알아야 합니다. 이는 모델에서 얻을 수 있는 정보가 아니라 현실에서 측정해야 하는 정보입니다.
마찬가지로 전자기력의 세기, 플랑크 상수, 기본 입자의 비율과 같은 상수는 모두 현재의 기본 이론으로는 계산할 수 없는 "주어진" 매개변수입니다.
상수는 정말로 "불변적"인가?
아인슈타인은 일반 상대성 이론을 제안한 사람으로, 여기에는 중력상수 G라는 개념이 포함되었습니다. 중력상수 G는 시공간의 '곡률' 정도를 설명하는 데 필수적인 양입니다(사진: 게티).
물리학자들이 이런 숫자가 정말 "상수"인가요, 즉 결코 변하지 않는 건가요?라고 질문하면 문제는 더 흥미로워집니다.
시간, 공간 또는 물리적 상황에 따라 그 중 하나라도 약간이라도 변한다면, 그것은 진정한 근본이 아니며 인간이 아직 발견하지 못한 더 심오한 이론의 표현일 뿐이라는 것을 의미합니다.
이를 검증하기 위해 과학자들은 지구와 우주에서 매우 정밀한 일련의 실험을 설계했습니다. 실험실에서는 원자시계를 사용합니다. 원자시계는 원자 진동의 미세한 변화도 감지하고 미세구조상수(FSC)와 같은 상수의 시간에 따른 변화를 추적할 수 있는 매우 정교한 장치입니다.
현재까지 측정 정확도는 연간 10억분의 1 수준의 변화를 감지하는 수준에 도달했지만, 의미 있는 변화는 기록되지 않았습니다.
천문학 측면에서 연구진은 지구에서 수십억 광년 떨어진 곳에 있는 매우 밝은 천체인 퀘이사에서 나오는 빛을 관측했습니다. 이와 함께 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)도 분석했습니다. CMB는 우주가 처음 형성될 당시의 빛이 남긴 잔해입니다.
먼 과거에 상수가 바뀌었다면, 멀리 있는 천체에서 나오는 빛이 영향을 받아 다르게 보일 것이라는 생각입니다. 그러나 관측 결과 이러한 상수의 기묘한 안정성이 드러났습니다.
상수가 일정하다고 100% 확신할 수는 없다는 점에 유의해야 합니다. 변화가 감지되지 않더라도 모든 측정에는 항상 어느 정도의 불확실성이 존재하기 때문에 상수가 감지하기에는 너무 작은 속도로 변할 가능성이 항상 존재합니다.
우주에는 아직도 많은 미스터리가 있습니다
기본 상수는 단순한 숫자가 아니라, 우주의 존재 전체를 형성하는 토대입니다. 힘의 상호작용, 원자의 형성, 별의 연소, 그리고 생명의 발달을 결정합니다.
만약 그 숫자가 조금만 틀렸다면, 우주는 우리가 아는 것처럼 텅 비어 있거나, 혼란스럽거나, 생명이 전혀 없는 상태가 되었을 것입니다.
하지만 과학은 여전히 왜 그런 현상이 나타나는지에 대한 답을 찾지 못했습니다. 상수는 우연의 결과일까요? 아니면 우리의 현재 이해를 넘어서는 더 깊은 우주론적 이론의 발현일까요?
우리는 아직 답을 알지 못할 수도 있지만, 계속해서 질문하고 이에 대해 배우는 것은 인류를 현대 물리학의 주요 전환점으로 이끌 수 있습니다. 상대성 이론과 양자 역학이 20세기 과학을 뒤흔든 것과 같은 방식입니다.
출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/thu-gi-am-tham-chi-phoi-ca-vu-tru-20250525082833517.htm
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