2-2. 핵융합 — 가벼운 핵이 합쳐질 때
태양은 무엇을 태우고 있는가?
19세기 과학자들은 심각한 수수께끼에 직면해 있었다. 태양이 석탄으로 이루어져 있다고 가정해 보자. 태양만큼 거대한 석탄 덩어리가 타더라도, 계산해 보면 약 5,000년이면 다 타버린다. 그런데 지질학자들은 지구의 나이가 수억 년은 된다고 말하고 있었고, 태양은 그보다 더 오래 빛나고 있어야 했다. 태양의 에너지원이 화학 반응(연소)이 아니라면, 도대체 무엇이란 말인가?
당시 최고의 물리학자 켈빈 경(Lord Kelvin)은 태양이 중력 수축에 의해 빛난다고 주장했다. 태양이 서서히 줄어들면서 중력 에너지가 열로 바뀐다는 것이다. 하지만 이 메커니즘도 겨우 수천만 년 정도밖에 유지할 수 없었다. 지질학과 생물학이 요구하는 수십억 년에는 한참 못 미쳤다.
답은 20세기에야 찾아졌다. 1920년, 영국의 천문학자 아서 에딩턴(Arthur Eddington)은 대담한 가설을 내놓았다. 태양 내부에서 수소 원자핵이 합쳐져 헬륨이 만들어지고 있으며, 이 과정에서 아인슈타인의 에 따라 막대한 에너지가 방출된다는 것이었다. 동료 학자들이 "태양 내부의 온도가 그런 반응을 일으키기에 충분하지 않다"고 반박하자, 에딩턴은 이렇게 답했다:
"더 뜨거운 곳을 찾으시오!(Go and find a hotter place!)"
에딩턴은 옳았다. 태양은 매 초마다 약 6억 톤의 수소를 헬륨으로 바꾸고 있다. 이 과정이 바로 핵융합(nuclear fusion) — 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 핵이 되면서 에너지를 방출하는 현상이다. 그리고 이 핵융합 덕분에 태양은 약 100억 년 동안 빛날 수 있다.
놀라운 사실: 지금 이 순간, 당신의 몸을 따뜻하게 하고, 식물을 자라게 하고, 날씨를 만들고, 지구 위의 거의 모든 에너지를 제공하는 것은 15만 킬로미터 떨어진 태양 중심에서 일어나는 핵융합이다. 우리는 문자 그대로 핵융합의 빛 아래 살고 있다.