탐구 배경
천문학에 관련된 도서를 읽던 중 우주선 안의 우주비행사는 창 밖을 볼 때 자기 주변의 공간이 태양 빛으로 가득함에도 불구하고 칠흑 같은 어둠 밖에 보지 못한다는 내용을 본적이 있었다. 빛은 그 자체만으론 보이지 않으므로 어떤 물체가 있어야 볼 수 있기 때문이었다. 그러다가 우주 공간에는 정말 아무것도 없는지에 대한 궁금증으로 이어졌고 우주 공간의 진공에 대해 관심이 생겨 이 주제를 탐구하게 되었다.
탐구 내용
많은 사람들은 진공을 공간에 어떤 물질도 전혀 존재하지 않는 고전역학에서의 진공 상태로 알고 있다. 하지만 양자역학에 따르면 진공은 완전히 비어 있는 것이 아닌 영점 에너지로 불리는 미약한 에너지로 채워져 있다.
진공이라는 존재는 대기와 대기압에 대한 이해를 바탕으로 그것을 측정하기 위한 압력계가 등장하면서 드러났다. 1643년에 에반젤리스타 토리첼리는 한 실험을 하였는데, 긴 유리 시험관에 수은을 가득 채우고 그것을 수은이 담긴 수조에 거꾸로 세워 기울여 가면서 수은 기둥의 높이를 측정하였다. 그 결과 수은 기둥의 높이는 항상 일정하였으며 시험관 윗부분에 빈 공간이 생기는 것을 발견하였다. 논의를 통해 이것이 진공임을 입증하였고 토리첼리의 진공이라고 명명하였다. 하지만 기화된 수은과 수증기가 약간 들어 있어 완전한 진공은 아니었다. 20세기에 영국의 이론 물리학자 폴 디랙은 양자역학적 진공에 대한 새로운 개념을 설명하였다. 양자역학의 기초를 만들어 놓은 디렉은 자신의 연구결과를 계산하던 중 전자의 에너지 값이 음(-)이 나왔다. 이를 연구한 결과, 진공 상태는 아무것도 없는 공간이 아닌 음(-)의 에너지가 가득 찬 공간이라는 것을 알아냈다. 그리고 디랙은 이 진공을 관측하기 위해 전자와 질량은 같고 전하는 반대인 물질인 양(+)의 전하를 가진 전자를 찾기 시작하였다.
양자역학의 측면에서 바라보는 진공은 아무것도 없는 텅 빈 상태가 아닌 양자적으로 끊임없이 요동치고 있는 진공을 말한다. 현재의 우주 공간은 아주 낮은 밀도와 압력을 가지고 있으며 물리적으로 거의 완벽한 진공이다. 하지만 어떠한 진공도, 1세제곱미터의 공간 당 몇 개의 수소 원자들 밖에 존재하지 않는 성간 공간도 100% 진공은 아니다. 별들, 행성들, 그리고 위성들은 중력으로 그들의 대기들을 유지하며, 그렇기에 대기들은 뚜렷한 경계를 가지지 않는다.
이 양자 진공에서는 물리적으로 전자와 양전자, 양성자와 반양성자처럼 입자와 반입자가 쌍생성, 쌍소멸을 끊임없이 반복한다. 이처럼 순간에만 존재하고 눈으로는 볼 수 없는 입자를 가상 입자라고 하는데, 가상 입자는 순간적으로 에너지가 가장 낮은 상태, 즉 바닥 상태의 에너지를 갖기 때문에 진공 전체적으로는 가상 입자의 에너지가 존재하게 되며 이 에너지를 진공에너지라고 한다. 입자와 반입자가 쌍생성, 쌍소멸을 반복하는 과정에서 이 진공 에너지가 나오게 되는데, 이 에너지는 중력에 대항해 우주를 팽창시키는 역할을 한다. 하지만 빅뱅 직후 진공에너지의 양은 무시해도 될 정도로 적어졌다.
우주의 진공은 초고밀도이며 진공에너지들로 가득 차있다. 모든 공간을 채우고 있고 항상 존재하며 우주를 구성하는 입자들의 기원지이다. 진공은 입자와 입자로 이루어진 물체 간의 중력과 인력, 전자기파, 원자핵 내의 근거리 인력 및 척력과 우주를 즉각적이고 영구적으로 연결하며 간섭을 일으키는 파동을 발생시킨다.
댓글