자연법칙의 불변성

과거에서 온 빛

과학자들은 어떻게 자연법칙이 과거에도 동일했다는 사실을 알게 됐을까? 몰래 타임머신을 타고 가서 과거를 본 것일까? 그런 건 아니다. 시간여행은 불가능하다. 하지만 우리는 우주를 관측함으로 과거의 정보를 매우 풍부하게 얻을 수 있다. 우리가 보고 있는 태양이 대표적인 예시이다.

태양 빛이 지구로 도달하는데 걸리는 시간은 약 8분으로 우리가 보는 태양은 사실 현재의 태양이 아니라 8분 전의 태양인 것이다. 우리는 부지중에 우주의 과거 정보를 관측하고 있었다. 인류가 수행해온 모든 천문관측은 과거의 자료를 수집하는 것이다. 가령 1광년 떨어진 곳의 별을 관측했다면 그곳에 있던 1년 전 별의 모습을 보는 것이다. 250만 광년 떨어진 안드로메다은하를 관측했다면, 250만 년 전의 안드로메다은하를 보는 것이다.

현재까지 인류는 137억 광년 떨어진 곳에서 온 빛까지 관측했다. ‘우주배경복사’라 불리는 이 빛은 빅뱅이 남긴 태고의 빛으로, 빅뱅 이론의 강력한 증거로 여겨진다. 기존에 이론에만 머물러 있던 빅뱅은 배경복사 관측을 계기로 널리 인정받게 됐고, 이를 관측한 과학자들은 1978년에 노벨상 물리학상을 받았다. 우주 나이가 137억 년이라는 것도 우주배경복사 관측을 바탕으로 계산된 것이다.

이렇듯 인류는 천문관측을 통해 137억 년 전의 정보까지도 입수했다. 가까운 과거의 정보는 더 방대하게 수집됐다. 관련 연구자들은 이러한 자료를 토대로 별과 은하, 우주의 형성과 진화를 연구하여, 현재나 10만 년 전이나 10억 년 전이나 별과 은하는 동일한 원리로 생성되고 소멸한다는 결론을 내렸다. 우주의 원리는 예나 지금이나 동일하다.

경이로운 자연원전

지질학의 근거도 풍부하다. 아프리카 가봉에 있는 우라늄 광산에서 발견된 오클라호 천연원자로는 자연법칙이 수십억 년 전에도 지금과 같았다는 근거를 제공한다. 발견된 천연원자로는 17억 년 전에 임계상태에 도달해 수십만 년 동안 핵반응을 지속했다. 여기서는 물을 감속재로 하여 우라늄 235의 핵분열 반응이 있었는데, 이는 현재 가장 널리 사용되는 원자로인 가압경수로에서 일어나는 핵반응의 형태와 정확히 같았다.

과거의 자연법칙이 지금과 조금이라도 달랐다면, 핵반응 결과로 생성된 원소의 비율이 지금과 매우 달랐을 것이다. 또 다른 자연의 경이는 자연은 수십만 년 동안 원전을 가동하면서 단 한 번의 사고도 내지 않았고, 방사성 폐기물 또한 깊은 암반 속에 묻어 완벽히 처리했다는 것이다. 여담이지만 이런 이유로 핵공학자들은 천연원자로에 대해 상당한 호기심을 갖고 있다. 자연은 인류에게 참으로 많은 가르침과 교훈을 주는 것 같다.

에너지 보존과 대칭성

마지막으로 이론 물리학에서는 자연법칙의 대칭성을 근거로 든다. 자연의 대칭성을 논하는 것은 물리학의 가장 심오한 영역이고 신성하기까지 한 부분이다. 지면의 한계상 자세한 설명은 힘들지만, 현대 물리학에서는 에너지 보존법칙을 자연법칙의 시간 대칭성과 연관시킨다.

자연법칙이 시간에 따라 대칭이라는 말은 자연법칙이 시간에 따라 불변한다는 말과 동일하고, 자연법칙이 시간에 따라 불변하기 때문에 에너지가 보존된다는 말이다.

역으로 자연법칙이 시간에 따라 변하면, 에너지가 보존되지 않는다. 가령 중력의 세기가 오전과 오후에 다르다고 하자. 그러면 중력이 약할 때 펌프를 돌려 댐에 물을 채우고, 중력이 강할 때 발전기를 돌려 에너지 차익을 얻을 수 있지 않겠는가? 하지만 중력의 세기는 시간이 지나도 동일하기 때문에 에너지가 보존되는 것이다. 지금까지 과학자들은 에너지 보존법칙이 위반된 사례를 발견한 적이 없는데, 이 또한 자연법칙이 예나 지금이나 동일하다는 증거가 된다.

- 이미지: Bayron Octet (Wikimedia Commons)

우주를 구성하는 기본 입자의 일종인 쿼크의 대칭성을 나타내고 있다.