프레드 호일에 대해서(급함!!!!!)

1. 프레드 호일의 프로필

출생	1915년 6월 24일 잉글랜드 웨스트요크셔 주 길스테드 벙글리
사망	2001년 8월 20일 (86세) 잉글랜드 본머스
국적	영국
분야	이론물리학, 천문학
소속	케임브리지 대학교
출신 대학	케임브리지 대학교
지도 교수	루돌프 파이얼스 모리스 프라이스(Maurice Pryce) 폴 디랙
주요 업적	정상우주론, 핵합성

2. 업적

정상 우주론의 제창

정상 우주론이란 빅뱅 이론과는 반대되는 개념으로

우리 우주는 정적인(팽창하지않는) 우주 라고 생각하는 이론입니다

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%95%EC%83%81%EC%9A%B0%EC%A3%BC%EB%A1%A0

헬륨보다 무거운 금속 원소들이 항성 내부와 초신성에에서의 핵융합으로

생겨났다는 사실을 처음으로 밝혀낸 천문학자입니다

정상 우주론이 사실상 비주류 이론이 됨에 따라 이 분의 주요업적은

초신성에서의 핵융합의 발견이 가장 인상적이라고 볼 수 있겠습니다

3. 그 밖의 추가내용

  1. 생애와 업적

 

  프레드 호일(Fred Hoyle)은 1915년 잉글랜드 요크셔주에서 태어났다. 그는 케임브리지대학교를 졸업하고 1958년부터 1972년까지 같은 학교 교수로 근무했다. 그뒤 그는 미국 캘리포니아공과대학과 코넬대학교 교수를 지냈다. 프레드 호일은 본디(Hermann Bondi)· 골드(Thomas Gold)와 함께 정상우주론(정상상태우주론: steady state cosmology)의 대표적인 학자로 꼽힌다. 정상우주론은 1950년대부터 1960년대 중반까지 대폭발이론(big bang theory)과 함께 우주 생성론의 두 축을 이루며 서로 경쟁적으로 발전했다.

 

  정상우주론은 완전한 우주론적 원리라는 철학적 입장을 바탕에 깔고 우주는 항상 현재와 같은 모양으로 존재하며, 우주가 팽창해 우주의 밀도가 작아지면 이를 보충하기 위해 우주 공간에서 새로운 물질이 생성되기 때문에 항상 일정한 밀도를 유지한다는 이론이다. 이 이론에 따르면 우주는 출발점도 없고 소멸도 없이, 어떤 장소와 시점에서도 똑같다. 그러나 대폭발이론은 뜨겁고 밀도가 높은 하나의 점이 폭발함으로써 우주가 시작되었다는 이론으로, 우크라이나 태생의 미국 천문학자 가모(George Anthony Gamow)가 대표적인 학자이다.

 

  프레드 호일은 우주공간에서 140억 년 전 대폭발(Big Bang)이 일어나 우주가 탄생됐다는 이른바 `빅뱅'이라는 용어의 창시자이다. 케임브리지 대학을 졸업한 호일은 1958-72년에 이 대학 교수로, 1957-1962년에는 미국의 윌슨과 팔로마 천문대에서, 1953-1954년에는 캘리포니아 공과대학에서, 1972-7198년에는 코넬 대학에서 각각 근무했다. 프레드 호일은 1950년 '우주의 본질'이라는 방송 강의를 통해 유명세를 탔는데 이 강의 마지막 부분에서 '빅뱅'이라는 말을 처음 사용했다. 빅뱅이라는 어원을 처음 만들었지만 그는 사망하는 날까지 '우주는 팽창과 더불어 물질을 창성하며 밀도 등이 시간이 지나도 크게 변하지 않는다'는 소위 '정상 우주론'을 주장했다.

 

  프레드 호일은 원래 진화론자였다. 그는 하나님 필요 없이 생명이 저절로 생길 확률을 계산해서, 그 확률이 현실성이 있다면 하나님은 필요 없고 진화가 옳은 것이라고 생각하여 생명이 저절로 생길 확률을 계산해 보았다. 결론적으로 가장 간단한 세포 하나가 저절로 생길 확률은 10의 167,000승 분의 1 (1/10^167,000)이라는 지극히 작은 확률이 나왔다. 프레드 호일은 깜짝 놀라게 되었다. 확률 학자 보렐의 논문에 의하면 "10의 50승 분의 1 (1/10^50)보다 작은 숫자는 실제로는 0(제로)이다" 라고 밝히고 있다.

 

  프레드 호일은 다음과 같은 말을 하면서 진화론의 허구성을 주장했다. "생명이 우연히 생겨날 확률은 수많은 부속품이 쌓여 있는 고물상에 회오리바람이 불어와서 모든 부품을 하늘로 올려 보낸 후, 이 부품이 땅바닥에 떨어지면서 단 한번만에 우연히 보잉 747 점보 여객기가 조립될 확률보다 더 작은 것이다. 즉 생명은 결코 저절로 생길 수 없으며, 그런데도 지구상에는 생명으로 꽉 차 있다는 사실 자체가 바로 초자연적 존재, 창조주 하나님이 존재하신다는 사실을 증명하는 것이다"라고 밝히고 그는 창조론자로 돌아섰다.

 

  프레드 호일의 계산은 우주에 생명체가 있을 만한 행성(10^31)에 지구만큼의 대양(10^49 물분자)이 있다는 전제 아래서 출발한다. 그는 또 물분자만큼의 아미노산 양이 존재했고 이러한 아미노산이 매초마다 연결되고 분해되는 반복을 1백억 년의 우주역사 동안 계속했다고 했을 때 나타날 수 있는 단백질의 수를 계산했다. 그는 가장 간단하면서 독립적인 생활능력이 있는 생물체는 4백 개의 아미노산으로 이뤄진 1백24종류의 단백질로 구성된다고 보았다. 호일 박사는 이러한 단백질이 나타날 확률이 너무 작기 때문에 결론적으로 생물의 기원은 절대자라고 주장했다.

 

  프레드 호일의 계산에서 나타난 문제점은 무기물에서 곧바로 세포가 생겨날 확률을 계산했기 때문이다. 그러나 자기복제가 가능한 개체는 세포만 있는 게 아니다. 바이러스도 다소 다른 방식으로, 또한 어슬프지만 자기복제를 한다. 바이러스 이전 단계인 단백질 중에도 자기복제가 가능한 개체가 있다. 물론 복제 전과 후의 동치율(닮은 비율)은 훨씬 떨어진다. 프레드 호일이 놓친 또 다른 중요한 요소는 원자나 분자는 마냥 무작위적으로 결합하지 않는다는 점이다. 우리가 브라운 운동이라고 알고 있는 것은 입자의 운동이 무작위적으로 보인다는 것이지 입자간의 결합이 무작위인 것이 아니다.

 

  산소와 수소의 혼합물에 일정 수준 이상의 열을 가하면 물이 생기는 간단한 결합도 있고, 검은 색의 탄소에 일정수준 이상의 열과 압력을 가하면 맑은 다이아몬드가 되는 결합의 변이현상도 있다. 다이아몬드 같은 극한의 열과 압력은 논외로 하고라도 수억 년 전의 일반적인 환경에서 온갖 원자와 분자와 화합물들이 얽히고 설키다가 의미 있는 결합을 만들어낼 가능성은 전지구적으로 보면 1 이상이다. 특정인이 로또 1등에 당첨될 확률은 일생동안 번개를 여러 번 맞을 확률과 비슷하다. 하지만 2009년 5월 셋째 주에 "누군가"가 로또 1등에 당첨될 확률은 1 이상이다. 심지어 5명, 6명이 당첨되기도 한다. 이처럼 수십억 년 전의 지구환경에서 어떤 의미 있는 결합이 일어날 확률은 특정 지역의 특정 입자나 화합물의 쌍만 보면 프레드 호일의 계산이 적절하지만 전지구적으로는 그렇지 않다.

 

  호일은 1949년 라디오 방송에서 '우주의 본질'이라는 주제로 강의를 하면서 가모의 대폭발이론을 빗대어 "그럼 태초에 빅뱅(big bang)이 있었다는 말인가"라고 그를 조롱했다. '빅뱅'이란 말은 이때 프레드 호일에 의해서 생긴 것이다. 1965년 우주배경복사가 밝혀지면서 정상우주론은 쇠퇴하고 이후 대폭발이론이 분명한 힘을 얻었다. 호일은 호킹(Stephen William Hawking)이 등장하기 전까지만 해도 영국에서 가장 저명한 천문학자로 이름을 날렸다. 저서에는 과학소설 《안드로메다 성운의 A》《검은 구름 The Black Cloud》(1957) 등이 있으며 2001년 8월 20일 사망했다.

 

 

  우주론 논쟁

 

  우주에 시작이 있는가 아니면 시작도 끝도 없이 영원한가? 이것은 인류의 오래된 의문이었다. 우주의 시초가 있다고 주장하는 빅뱅우주론이 등장하자 이에 맞서 영원한 우주를 주장하는 정상상태 우주론이 등장하여 상반된 두 우주론 사이에 열띤 논쟁이 벌어졌다. 인류가 자신을 둘러싸고 있는 우주라는 존재를 인식하기 시작하면서 믿음과 상상에 바탕을 둔 신화적(종교적) 또는 철학적 우주론이 나타났다. 인류가 내다볼 수 있는 우주의 범위는 시대마다 한정되어 있었다. 하지만 여기에 인간의 상상력이 더해져서 다양한 우주론이 등장했다. 유사 이래 인류가 생각해온 우주관은 크게 두 가지 유형으로 구분되는데 그것은 우주가 영원불멸인가 아니면 기원을 갖는가 하는 것이다.

 

  뉴턴의 중력이론과 아인슈타인의 일반상대성이론이 등장하면서부터 우주론은 신학이나 철학의 영역에서 과학의 영역으로 들어오게 되었다. 뉴턴이나 아인슈타인은 무한하고 정적인 우주를 선호했다. 하지만 이러한 우주는 ‘벤틀리의 역설(Bentley's paradox)’이나 올버스의 역설(Olbers' paradox)과 부딪히게 된다. 뉴턴이 만유인력의 법칙을 발표하자 성직자였던 리처드 벤틀리(Richard Bentley, 1662~1742)는 1692년에 뉴턴에게 한 통의 편지를 보내 '만약 중력이 인력으로만 작용한다면 우주 안의 모든 것들은 서로를 끌어당겨 우주가 붕괴할 것’이라는 사실을 지적했다.

 

  올버스의 역설은 “밤하늘이 왜 어두운가?”라는 의문으로부터 제기된 것으로, 우주가 무한하고 별들이 고르게 분포한다면 어떤 방향으로 봐도 무한히 많은 별들이 보여야 하므로 밤하늘이 어두울 수 없다는 역설이다. 이 두 가지 역설은 수백 년 동안 물리학자와 천문학자들을 괴롭혀 왔다. 1912년 베스토 슬라이퍼(Vesto Slipher, 1875~1969)는 은하들이 엄청나게 빠른 속도로 지구로부터 멀어지고 있다는 사실을 발견했다. 우주는 뉴턴이나 아인슈타인이 생각했던 것처럼 정적이지 않다는 사실을 처음 발견한 것이다.

 

  허블(Edwin Powell Hubble, 1889~1953)은 이 문제를 철저히 조사하기로 결심하고 하늘의 24개 은하를 세심하게 관측하여 멀리 있는 은하일수록 더 빠른 속도로 멀어진다는 사실을 확인했다. 나아가 허블은 은하가 멀어지는 속도(V)는 거리(r)에 비례한다는 사실을 밝혀냈다. 우주가 팽창한다는 관측사실로부터 자연스럽게 도출되는 우주론은 우주가 시간에 따라 진화해왔다고 설정하는 진화우주론이다. 우주가 팽창하고 있다면 우주의 팽창이 시작된 시점이 있으며 이 점으로부터 우주가 폭발적으로 팽창해왔다고 주장하는 것이 빅뱅이론이다. 가모브(George Gamow, 1904~1968)가 주장한 빅뱅이론은 우주에 존재하는 원소의 대부분이 수소와 헬륨이라는 사실에 착안하여 우주에 존재하는 경원소들의 존재량을 정확히 설명하여 주목을 받게 되었다.

 

  빅뱅이론은 한동안 고무적이었지만 곧 어려운 문제에 봉착했다. 가모브는 빅뱅 시점에서 수소로부터 모든 원소들이 합성된다고 주장했다. 하지만 원소의 생성은 헬륨단계에서 멈춰버린다는 사실이 밝혀졌다. (그렇지만 원소합성의 문제는 빅뱅이론의 문제만은 아니었다. 이것은 경쟁 관계에 있는 정상상태 우주론의 문제이기도 했다.) 빅뱅우주론을 위태롭게 만든 문제는 우주의 나이였다. 빅뱅이론은 허블이 발견한 우주의 팽창속도로부터 역산하여 우주의 나이를 추정할 수 있다. 허블 상수의 역수(1/H)가 우주의 대략적인 나이가 된다. 허블이 관측한 허블 상수 값은 H=500km/s/Mpc (2009년 HST 자료로 추정한 값은 74km/s/Mpc)였고, 이로부터 추정된 우주의 나이는 18억 년이었다.

 

  당시 방사성 연대측정으로 얻어진 지구의 나이는 30억 년이 넘었으므로 우주의 나이가 지구나 별들의 나이보다 적은 모순을 드러내고 있었던 것이다. (이것은 당시 허블의 거리 측정에 심각한 오류가 있었기 때문이었다.) 프레드 호일(Fred Hoyle, 1915-2001)과 토마스 골드(Thomas Gold, 1920 – 2004)는 정기적으로 헤르만 본디(Hermann Bondi, 1919-2005)의 집에 모여 토론을 벌였다. 그들은 빅뱅이론에 비판적이었는데 우주의 나이가 별들의 나이보다 젊다는 것과 빅뱅이전의 일을 설명할 수 없다는 점 때문이었다. 빅뱅이론은 흔히 우주의 탄생과 근원을 설명하는 이론으로 알려져 있다. 하지만 사실 빅뱅이론은 빅뱅이 일어난 직후부터 우주의 진화과정을 설명하는 이론이지 빅뱅의 순간이나 그 이전을 설명하는 이론은 아니다.

 

  허블이 관측한 우주의 팽창은 명백했으므로 받아들일 수밖에 없었다. 우주가 팽창한다면 시간이 감에 따라 우주의 밀도는 작아진다. 따라서 진화하면서도 변화하지 않는 우주모델을 생각해야 했다. 토마스 골드는 우주가 팽창함에 따라 은하 사이의 공간에서 새로운 물질이 나타난다는 착상을 했다. 프레드 호일과 본디는 처음에는 말도 안 되는 생각이라 여겼지만, 모순이 없을 뿐 아니라 넓은 범위의 천문학적 관측사실과도 부합된다는 것을 깨닫게 되었다. 이것은 동적이며 무한한 우주를 상정한 것이다. 우주가 무한하다면 우주가 2배로 커져도 역시 무한하다. 은하 사이에 물질이 만들어지기만 하면 우주 전체는 변하지 않고 그대로 남아 있게 된다. 이렇게 하여 정상상태이론(Steady State theory, Infinite Universe Theory)이 등장하게 되었다.

 

  정상상태이론은 영원하고 정적인 우주를 수정한 것이다. 우주는 팽창하지만 영원하고 근본적으로 변하지 않는다. 인간은 우주를 탐구해오면서 우주원리(cosmological principle)라 부르는 대칭성을 발견하게 된다. 인간이 처음 상정한 우주는 지구가 우주의 중심이고 모든 천체가 지구주위를 돈다는 지구중심 우주모델이다. 이 모델은 코페르니쿠스의 태양중심 모델의 등장으로 부정되었다. 그리하여 지구는 특별하지 않으며 우주는 공간적으로 등질성을 갖는다는 ‘코페르니쿠스 원리’를 받아들이게 되었다. 우주가 팽창한다는 사실이 발견되고 우주의 팽창은 중심이 없으며 모든 은하는 서로 멀어지고 있다는 사실로부터 우주에는 특별한 중심이 없고 어떤 방향으로도 동일하다는 ‘우주원리’를 받아들이게 되었다.

 

  이 원리는 우리 은하와 주변 환경은 우주의 다른 곳과 근본적으로 같다는 것으로 우리는 우주의 특별한 장소에 사는 것이 아니라는 것이다. 이 원리는 아인슈타인이 일반상대성이론을 전체 우주에 적용할 때 적용한 원리이기도 하다. 그런데 정상상태이론은 여기서 한 걸음 더 나아가 우주는 시간적으로도 동일하다는 것이다. 이것은 우리 주위의 우주가 다른 지역의 우주와 같을 뿐 아니라 우리 시대가 다른 시대와 같다는 말이다. 다시 말해 우리는 우주의 특별한 장소에 살고 있는 것도 아니며 특별한 시대에 살고 있는 것도 아니라는 것이다. 이 우주원리는 시공간 모두에 대해 대칭성을 주장하는 것으로 ‘완전우주원리’라 부른다.

 

  정상상태이론에서 제기되는 첫 번째 질문은 ‘새로 생성된 물질은 어디에 있는가?’ 라는 것이다. 프레드 호일은 새로운 별과 은하가 어디에서 발견될지 아무도 예측할 수 없다고 했다. 두 번째 질문은 ‘물질은 어디에서 오는가?’ 라는 것이다. 호일은 C-장(창조장)이 우주 전체에 퍼져 있어서 자발적으로 원자를 창조하고 우주를 같은 상태로 유지한다고 설명했다. 호일은 C-장이 물리적으로 어떤 의미인지 알지 못한다는 것을 인정했지만, 연속적인 창조가 한 번의 전능한 창조보다 더 그럴듯하다고 생각했다. 물질은 얼마나 생겨나는가? 호일은 1세제곱 미터의 공간에서 10억 년에 수소 원자 1개 정도가 생성된다고 했다. 이것은 너무 적어서 지구에서 도저히 관측 가능한 양이 아니다.

 

  가모브와 프레드 호일은 각각 빅뱅우주론과 정상우주론이 옳다며 주장을 굽히지 않고 논쟁을 벌였다. 두 사람 사이에 벌어진 우주론 논쟁은 대중들의 관심을 불러일으키는데 성공했지만 어느 우주론이 옳은가는 관측을 통해서 판별할 수밖에 없었다. 빅뱅 우주론과 정상상태 우주론은 서로 전혀 다른 예측을 하고 있었다. 정상상태 우주론에서는 새로운 물질은 우주의 모든 곳에서 만들어지며 시간이 지나면 새로운 은하를 형성한다고 주장한다. 따라서 초기 은하는 우주 전체에 흩어져 있게 된다. 하지만 빅뱅 우주론에서는 전체 우주가 동시에 창조되었고 모든 것은 비슷한 방법으로 진화해왔다고 주장한다. 모든 은하는 초기 은하였던 시기가 있었지만 현재는 모두 성숙해 있다. 따라서 오늘날 초기 은하를 볼 수 있는 방법은 아주 먼 곳을 보는 것이다. 왜냐하면 먼 은하의 빛이 지구에 도달하는데 오랜 시간이 걸리기 때문이다.

 

  가모브와 호일이 활발한 논쟁을 벌이던 1940년대 말~1950년대 초의 관측 장비와 기술로는 초기 은하와 성숙한 은하를 구별할 수 없었다. 따라서 당시로써는 명확한 결론이 나지 않는 논쟁이었다. 다음 표는 당시까지 알려져 있던 사실에 기초하여 두 가지 우주론의 장단점을 비교한 것이다. 두 이론은 실제의 우주를 설명하는데 어느 정도 성공하고 있지만, 어느 쪽도 과학자들의 절대 다수의 지지를 얻지는 못했다. 정상상태 우주론은 증명하거나 부정할 관측 사실이 없었던 반면 빅뱅 우주론은 우열이 확실히 갈렸다. 어떤 사실은 긍정적으로 나타난 반면 어떤 것은 부정적으로 나타났다. 이 때문에 천문학자들 사이에는 빅뱅우주론 보다는 정상우주론이 무리 없는 듯이 비치기도 했다. 빅뱅우주론 앞에는 극복해야 할 과제가 여러 개 놓여 있었다.

 

 

  별의 핵합성

 

  우주에 존재하는 원소의 기원을 설명하기 위해 제안된 빅뱅이론은 우주의 기원을 설명하는 데 큰 성공을 거두었다. 빅뱅이론을 제안한 조지 가모프(George Gamow, 1904-1968)는 “오리와 감자 한 접시를 요리하는 것보다 더 짧은 시간에 원소들이 요리되었다.”고 큰소리치기도 했다. 하지만 빅뱅에 의한 핵 합성은 헬륨이나 리튬과 같은 몇 가지 가벼운 원소의 생성을 설명하는 데 그쳤다. 그렇다면 우주에 존재하는 탄소나 산소, 철과 같은 중원소들은 언제 어디서 형성된 것일까? 빅뱅 이후 급격히 식어가던 우주는 채 1분도 되지 않아서 양성자(p)와 중성자(n)를 생성했다. 그리고 중성자와 양성자는 서로 결합하여 보다 더 안정한 헬륨 핵(4He) 합성을 시작했다.

 

  그런데 2개의 양성자와 2개의 중성자로 이루어진 헬륨 핵이 형성되기 위해서는, 양성자와 중성자로 이루어진 중수소 핵(2H)이 먼저 형성되어야 했다. 하지만 아직 우주 온도가 너무 높아 중수소는 형성되자마자 파괴되었으므로 우주 온도가 10억K로 떨어진 이후에야 중수소가 안정적으로 형성되어 헬륨-4의 형성이 본격적으로 시작되었다. 빅뱅 후 3분이 지나자 우주 온도는 3억K로 떨어졌고, 그동안 우주에 존재하는 헬륨-4와 중수소 대부분이 형성되었다. 그동안 헬륨 핵 속에 갇힌 중성자와 달리 자유 중성자는 불안정하여 양성자로 붕괴를 계속했는데 이 무렵의 양성자와 중성자의 비율은 약 7:1이 되었다. 중성자는 모두 양성자와 결합하여 헬륨-4를 이루어서 우주를 구성하는 물질 중 약 75%는 수소(양성자)이고 나머지 25%는 헬륨이 되었다.

 

  이후에도 이 비율은 거의 고정되었다. 헬륨-4는 안정되어, 합성을 통해 다른 안정된 원자로 변하지 않고 계속 헬륨-4로 남아 있고, 그 밖에 방사성 동위원소에 의한 변화는 미미했기 때문이다. 오늘날 우주에는 약 25%의 헬륨-4가 존재하는 것으로 확인되는데, 이것이 빅뱅이론의 중요한 근거가 된다. 빅뱅 핵 합성은 헬륨 외에도 약 1%의 중수소와 약간의 리튬과 베릴륨, 붕소를 생성했다. 하지만 이보다 더 무거운 원소, 예를 들어 생명체를 구성하는 데 필수적인 탄소나 산소와 같은 원소는 만들지 못했다. 그 이유는 보다 무거운 원소를 만들려면 더 높은 온도가 필요했지만 우주는 팽창으로 인해 빠르게 식어가고 있었기 때문이다. 이유는 그것만은 아니었다. 가벼운 헬륨 핵이 보다 무거운 원자핵으로 변환되기 위해서 거쳐야 할 중간단계의 원자핵이 합성되지 못했다.

 

  헬륨-4보다 무거운 원자핵을 만드는 가장 확실한 방법은 헬륨-4의 원자핵에 양성자나 중성자를 더해서 핵자 수가 5인 원자핵(5Li 또는 5He)을 만드는 것이다. 하지만 이 원자핵은 불안정하여 존재하지 않는다. 그 다음으로 생각할 수 있는 방법은 헬륨-4 원자핵 2개가 서로 충돌해서 베릴륨-8(8Be)을 만드는 것이다. 하지만 이 원자핵 역시 매우 불안정했다. 가모프는 이러한 경로를 통해 핵 합성을 하는 것은 불가능하다고 결론지었다. 결국 빅뱅 핵 합성은 핵자 수가 5와 8인 원자핵을 합성하는 데 지체된 까닭에, 탄소와 같은 무거운 원소를 생성하지 못하고 끝났다. 핵자의 틈은 마치 가벼운 원소가 무거운 원소로 변환되는 것을 막는 것처럼 보였다.

 

  중원소가 빅뱅에서 만들어지지 않았다면 언제 어디서 만들어졌는가? 빅뱅이론은 우주 초기에 만들어진 가벼운 원소들이 어떻게 현재의 원소들로 변환되었는지 설명할 수 있어야 했다. 아서 에딩턴(Arthur Eddington, 1882~1944)은 일찍이 “나는 별들이 가벼운 원소를 무거운 원소로 만드는 용광로라고 생각한다.”는 의견을 제시한 바 있다. 하지만 별들의 표면온도는 수천K에 불과하고 중심 온도도 수천만K밖에 안 된다. 이 정도의 온도는 수소를 헬륨으로 천천히 바꾸는 데는 충분하지만 헬륨을 더 무거운 원소로 합성하기에는 턱없이 부족하다. 예를 들어 탄소를 합성하려면 2억K, 규소를 합성하려면 15억K의 고온이 필요하기 때문이다. 문제는 한 가지 더 있다. 중원소들은 저마다 합성온도가 달라서 자신에게 맞는 전용 용광로를 필요로 한다는 것이다.

 

  예를 들어 탄소를 합성시킨 용광로에서 네온을 합성할 수는 없다. 온도를 더 올리면 먼저 생성된 탄소가 모두 네온으로 바뀌기 때문이다. 이 문제를 해결하는 데 앞장선 사람은 정상상태모델을 주창했던 프레드 호일이었다. 우주에 존재하는 원소의 기원을 설명하는 문제는 비단 빅뱅모델의 문제만이 아니었고 정상상태모델의 문제이기도 했다. 프레드 호일은 여러 형태의 별을 분석하여 별들이 생애의 여러 단계를 거치는 동안 어떤 일이 일어나는지를 연구했다. 별은 성간가스와 먼지들의 중력수축으로 생성된다. 중력수축으로 별의 중심온도가 올라가서 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵융합 반응이 시작되면 별의 중력수축은 멎게 된다. 핵융합 반응의 결과로 생성된 열이 복사선 형태로 방출되면서 열 팽창력이 중력과 힘의 평형을 이루어 균형상태를 유지하기 때문이다.

 

  프레드 호일은 이러한 힘의 균형이 깨지면 어떻게 될까를 연구했다. 핵융합의 연료가 떨어지면 별의 온도가 떨어질 것이다. 그러면 별의 중심에서 바깥으로 향하는 압력은 줄어들 것이고 중력에 의한 압력은 더 커져서 별은 다시 수축할 것이다. 별의 수축은 다시 별의 중심온도를 높이게 될 것이고 어느 시점에서 새로운 원자핵 반응을 유도하게 되어, 별은 더 많은 열을 방출하여 다시 평형상태를 이루게 될 것이다. 하지만 이런 상태는 일시적인 것이다. 별의 핵연료가 다시 고갈되면 별의 중심은 다시 냉각되어 수축하여 중심 온도가 올라가 새로운 핵융합 반응을 유도하는 과정을 되풀이할 것이다. 호일은 이런 식으로 별은 일생의 마지막 단계에서 내부의 상태가 극적으로 변하면서 핵융합에 필요한 조건을 스스로 만들어낼 것으로 예측했다.

 

  다시 말해 별은 모든 종류의 원소를 생산하는 용광로가 될 것으로 생각했다. 마침내 호일은 우주론의 가장 큰 쟁점의 하나였던 원자핵 합성 문제에 대한 거의 완전한 해답을 찾아냈다. 프레드 호일은 인류원리에서 착안하여 빅뱅이론의 난제를 해결했다. 하지만 아직 한 가지 중요한 문제가 남아 있었다. 그것은 헬륨 핵을 탄소 핵으로 변환시키는 과정이었다. 위의 표에서는 헬륨이 탄소로 변환된다고 적고 있지만 입자물리학에서 여러 쌍의 헬륨 핵을 결합해서 만드는 원소는 불안정하다는 것이 알려졌다. 호일 역시 가모프가 부딪혔던 똑같은 문제에 부닥친 것이다. 헬륨-4로부터 탄소-12가 합성되는 방법은 두 가지로 생각할 수 있다. 하나는 2개의 헬륨이 융합하여 베릴륨-8을 형성한 다음, 헬륨-4를 추가로 더하는 것이고, 다른 하나는 3개의 헬륨 핵이 동시에 충돌하여 하나의 핵으로 합쳐지는 것이다.

 

  후자는 3개의 핵이 동시에 충돌해야 하므로 일어날 확률이 거의 0이고, 전자는 베릴륨-8이 매우 불안정하므로(10-16초 후에 다시 헬륨으로 붕괴) 헬륨-4와 합성될 시간이 거의 없다. 반면 반응물인 베릴륨-8과 헬륨-4의 질량 합이 생성될 탄소-12의 질량보다 상당히 컸기 때문에, 남는 에너지를 방출할 충분한 시간이 필요했으므로 불가능하다고 생각되었다. 이것은 중요한 문제였다. 탄소가 만들어지지 않으면 탄소보다 무거운 다른 원소들도 만들어지지 않을 것이다. 하지만 자연에는 탄소보다 무거운 많은 안정된 원자핵들이 존재한다. 이것이 어찌된 일인가? 무엇이 어디서부터 잘못된 것인가? 프레드 호일은 머릿속에 인류원리(anthropic principle)를 떠올렸다. 우주에는 탄소-12가 풍부하다. 그리고 인류가 존재한다는 사실 역시 탄소-12의 존재에 근거하고 있다.

 

  그렇다면 분명히 우주에는 탄소를 합성하는 방법이 존재할 것이다. 호일은 베릴륨-8과 헬륨-4를 합한 질량과 같은 들뜬 상태의 탄소가 존재하면, 이 반응이 가능할 것이라는 착상을 했다. 보통의 탄소에 에너지를 가해주면 들뜬 상태의 탄소가 된다. 그리고 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리에 따라 에너지는 질량과 동등하므로 들뜬 상태의 탄소는 더 큰 질량을 갖는다. 프레드 호일은 핵물리학자 윌리엄 파울러(William Alfred Fowler, 1911~1995)를 찾아가 탄소의 들뜬 상태를 조사해 줄 것을 부탁했다. 결과는 호일이 예측한 대로였다. 이렇게 하여 헬륨이 베릴륨으로 변환되고 그것이 다시 탄소로 변환되는 과정이 밝혀졌다. 이 반응은 세 개의 헬륨 원자핵(알파 입자)이 탄소로 변환되므로 '삼중 알파 과정'이라 불린다.

 

  일반적으로 삼중 알파 과정이 발생할 확률은 극히 낮다. 하지만 항성의 중심 온도가 1억K를 넘고 헬륨이 풍부한 항성 내부에서는 베릴륨-8이 붕괴하기 전에 세 번째의 헬륨 원자핵이 융합하게 될 확률이 극히 높아진다. 이러한 사실은 빅뱅 때에 탄소가 형성되지 않았음을 의미한다. 빅뱅 이후 급격히 온도가 감소하여 기다릴 시간이 부족했기 때문이다. 중원소 합성 문제는 경쟁 관계에 있는 정상상태 우주론과 빅뱅우주론 모두의 문제였다. 호일의 노력으로 이 문제가 해결되자 더욱 큰 힘을 얻게 된 것은 빅뱅모델이었다. 그 이유는 우주론 논쟁의 쟁점의 하나였던 중원소 합성 문제가 해결되었고, 우주에 존재하는 헬륨을 비롯한 가벼운 원소의 존재비는 빅뱅모델만이 만족스럽게 설명할 수 있었기 때문이었다. 헬륨은 우주에서 두 번째로 풍부한 원소이다. 별은 수소를 헬륨으로 바꿀 수 있지만 별 내부에서의 헬륨의 합성속도는 매우 느리기 때문에 오늘날 우주에 존재하는 많은 양의 헬륨이 별 내부에서 만들어졌다고 할 수 없다.

 

  그러나 빅뱅 직후에 수소가 헬륨을 합성했다고 한다면 오늘날 존재하는 헬륨의 양을 설명할 수 있다. 빅뱅이론은 헬륨보다 무겁지만 탄소보다 가벼운 리튬, 붕소와 같은 원자핵 합성에 대한 예측에서도 유리하다. 리튬과 붕소의 원자핵은 별 내부에서는 합성될 수 없다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어 세 번째로 가벼운 원소인 리튬은 안정된 헬륨과 달리 별의 내부에서 핵반응이 진행되면서 늘지 않고 감소한다는 것이 밝혀졌다. 천체물리학자들은 이 사실을 이용하여 별 속의 리튬의 양을 측정하여 별의 나이를 구하고 있다. 경원소의 원자핵들은 별 속에서 만들어지는 것이 아니라 빅뱅 직후의 뜨거운 열기 속에서 만들어진 것이다. 빅뱅이론을 통해 예측된 중수소와 리튬과 베릴륨의 양은 현재 우주에서 관측되는 양과 잘 일치한다. 이것은 빅뱅이론에 대한 강력한 증거가 되었다.

 

 

 

 

  2. 프레드 호일에 대한 평가

 

  프레드 호일은 케임브리지 대를 졸업하고 1958-72년에 이 대학 교수로 재직한다. 1957-62년에는 팔로마 천문대에서, 53-54년에는 캘리포니아 공과대학에서, 72-78년에는 코넬대학에서 각각 근무했다. 그는 40년 허만 본디와 토마스 골드 등 동료 과학자와 '정상 우주론(The Steady State Theory)'을 공동 발표했다. '정상우주론'은 우주는 시작과 끝이 없으며 우주내에서는 시간과 공간에 관계없이 우주의 모습은 항상 똑같다는 것이다. 이는 당시 대두된 천문학 이론인 '빅뱅이론(대폭발설)'과 반대되는 것으로, 호일 경은 50년 '우주의 본질'이라는 방송 강의에서 '빅뱅'이라는 말을 처음 사용했다.

 

  프레드 호일은 당시의 대폭발설을 비아냥거리기 위해 이 용어를 썼는데, "우주가 어느 날 갑자기 빵(bang)하고 대폭발을 일으켰다는 이론도 있다"며 대폭발설을 비웃은 것이다. 이때부터 당시 가모프 등이 주장한 대폭발설은 '빅뱅이론'이라고 불렸고, 가모프 역시 자신이 처음 지은 '원시 불덩이'(primeval‎ fire ball)란 말 대신 이를 사용했다 호일은 스티븐 호킹이 등장할 때까지 영국에서 가장 저명한 천문학자로 명성을 날렸으며, 저서로는TV 연속극으로 방영된 과학소설 <안드로메다 성운의 A>와 <흑운(黑雲)>등이 있다.

 

  그는 이 정상 우주론을 1940년 허만 본디와 토마스 골드 등 동료 과학자와 공동 발표했다. 이때 팽창우주론의 선구자 조지 가모프와의 토론에서 "그럼 태초에 빅뱅이 있었단 말인가요?"라면서 비꼬았는데 이것이 오히려 대폭발이론의 공식용어로 답변확정된 것이다. 저서로는 공상과학소설로 1962년에 발표해 TV 연속극으로 방영된 '안드로메다 성운의 A', 1957년에 발표된 '흑운'등이 있다. 향년 86세로 잉글랜드 남서안 본머스의 자택에서 2001년 8월 20일 사망했다.