좀 늦었지만, 중력파

좀 늦었지만, 중력파.

수습위원｜김형민

 아무리 생각해도 2016년 안에는 ‘중력파’에 관련된 이야기를 써야 한다는 생각이 들었다. 명색이 서울‘과학’기술대학교 교지인데, 과학사의 위대한 발견을 기념하는 글이 한 편도 없어도 되나 싶었다. 그래서 학내 유일의 자치언론이자, 30년 전통의 과기대 정론지인 러비가 해야 한다는 생각이 들었다. 마치 마르크스가 공산당선언을 쓰며 전 인민의 프롤레타리아 해방을 꿈꿨던 것처럼 이 글을 읽는 과기대 전 학우를 학교 이름 때문에 주변으로부터 ‘중력파’를 설명해줘야 할 것 같은 무언의 압박으로부터 해방을 시키겠다. 하지만 야매를 쓰면 부작용이 있듯이 여기서 설명하는 것은 딱 ‘아는 척’하는 정도까지다. 좀 더 심도 있는 내용은 교내 관련 학과 교수님들에게 질문하여 그들의 와이샤스가 식은땀으로 흠뻑 젖게 하자. 이 글은 얇지만, 핵심을 가로지르는 글 되시겠다. 

중력을 알아야 중력파가 보인다.

 중력파를 알기 전에 우선 중력에 관한 인류의 ‘사고의 흐름’을 알아야 이야기가 재밌어진다. 알면 알수록 멀어지는 그 이름, 그리스 철학자 아리스토텔레스는 중력이라고는 말하진 않았지만 ‘모든 물체는 본래 있어야 할 곳 즉, 지구 중심으로 향하는 성질이 있고 또한 무거울수록 그 성질은 강하다’라고 생각했다. 즉 자유낙하운동을 시켰을 경우 무거운 것이 더 빨리 떨어진다는 것이다. 이러한 사고는 17세기 이탈리아 과학자 갈릴레이가 등장할 때까지 이어진다. (만약 당신이 아직도 이런 생각을 하고 있다면...고대 인류의 사고를 하고 있는 것이다) 갈릴레이는 ‘무거운 물체와 가벼운 물체 모두가 공기저항이 없는 진공상태라면, 본래는 같은 속도로 떨어진다’고 주장한다 (나중에 진공펌프가 발명되고 증명된다). 또한, 갈릴레이는 경사면에 공을 굴리는 실험을 통해 ‘공의 이동 거리는 거리 시간의 제곱에 비례한다(낙제의 법칙).’ 즉, 중력은 ‘자유낙하 하는 물체의 속도를 증가시킨다’는 것을 밝혀낸다. 하지만 갈릴레이는 물체가 어떻게 떨어지는가는 설명했지만, 물체가 왜 떨어지는가는 설명하지 못했다. 

 이것에 관한 답을 한 것이 그 유명한 사과 아이작 뉴턴 선생(이하 사과 선생)이다. 1666년의 어느 날, 사과 선생께서는 사과가 나무에서 떨어지는 것을 보고 ‘만유인력의 법칙’을 떠올렸다고 한다. 사실 지금 생각해보면 그것이 뭐가 중 허냐고 물어볼 수 있지만 우리는 여기서 사과 선생을 반드시 칭찬해줘야 한다. 그렇기 위해선 사과 선생이 살던 시기의 배경을 살펴야 한다. 사과 선생이 살던 시기에는 아직 중세의 영향에서 완전히 벗어나지 못해 천상계와 지상계는 전혀 다른 세계라고 생각했다. 지구 중심으로 하늘이 돈다는 ‘천동설^[각주:1]’이 지배적이었기 때문에 천체는 지구를 중심으로 한 원운동을 하며 천상계와 지상계의 물리적 작용이 다르다는 생각이 당연시됐다. 사과 선생의 만유인력의 법칙은 이러한 상식을 뒤엎은 것이다. 즉, 하늘에서 ‘지구와 달 사이 작용하는 힘’이나 지상의 사과나무에서 ‘사과와 땅 사이에 작용하는 힘’이나 같다는 것이다. 이것이 최초의 힘의 통합^[각주:2]이다.

사과 아이작 뉴턴 선생 출처-http://jdy23733.tistory.com/entry

 

이쯤에서 사과 선생의 만유인력의 법칙을 이용하여 중력의 정의를 한 번 확인하고 가자. 우선, 만유인력의 법칙은 질량을 가진 물체 사이에 작용하는 힘으로 ‘각각 질량에 비례하고, 물체 사이 거리의 제곱에 반비례한다^[각주:3]’는 것이다. 

만유인력의 법칙 설명 그림 출처-http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=sechsmin&logNo=220629958644

뉴턴의 만유인력으로 달과 지구를 설명하면 지구가 달을 끌어당기는 힘과 달이 지구를 끌어당기는 힘 (만유인력)에 의해 달이 지구를 공전한다고 한다. 이때 ‘지구 위의 중력’은 지구 중심으로 향하는 힘(만유인력)과 달이 지구의 바깥쪽으로 향하는(접선방향) 원심력^[각주:4]을 뺀 힘이다. 즉, 중력은 만유인력과 원심력의 합력이라고 할 수 있는데, 천체 하나만 생각하자면 만유인력과 중력은 같은 의미로 사용된다. 이러한 중력에 관한 생각은 고전역학의 핵심이며 현대에도 기초과학으로 배우고 있다. 하지만 이러한 뉴턴의 만유인력의 법칙을 뒤엎은 사람이 있었는데 그가 바로 물리와 콧수염을 빼면 아무것도 없는 인간 알베르트 아인슈타인(이하 콧수염 선생)이다.

콧수염 아인슈타인 선생

일반상대성이론 설명 ⒸEBS

 콧수염 선생은 1915년에 ‘일반상대성이론’을 발표한다. 그 내용은 뉴턴의 중력 패러다임을 완전히 뒤엎는 것이었다. 콧수염 선생의 일반상대성이론의 핵심 내용은 ‘질량을 가진 물체는 주위 공간을 뒤틀리게 한다.’는 것이다. 예를 들어, 지구와 달의 관계를 일반상대성이론으로 설명하면 질량을 가진 지구가 우주의 공간을 뒤틀리게 한다. 지구 주위 우주 공간이 뒤틀리면 그것으로 인해 만들어진 공간으로 달이 공전하는 것이다. 태양 주위를 공전하는 지구 역시 마찬가지다. 태양의 질량으로 인해 뒤틀려진 우주 공간으로 지구가 태양을 회전하는 것이다.

 여기서 콧수염 선생의 일반상대성이론에 의해 중력에 관한 재정의가 이뤄진다. 중력이란 공간의 휘어짐이 일으키는 현상이다. 즉, 질량이 공간을 휘게 하고, 그 공간의 휘어짐이 바로 중력이라는 것이다. 좀 더 응용하여 생각해보자. 먼 별로부터 태양을 지나는 빛을 지구에서 관찰한다고 생각해보자. 태양으로 인해 주위 공간은 뒤틀려진다. 별로부터 온 빛은 태양 주위를 지나면서 뒤틀린 공간을 지나게 된다. 지구에서 우리가 관찰했을 때, 태양 주위를 지나는 빛은 휘어 보인다. 즉, 중력에 의해 빛이 휜다는 것이고 결국 질량에 의해 공간이 휘어진다는 것을 의미한다. 실제로 영국의 과학자 아서 에딩턴이 아프리카에서 일식이 있던 날(1919년 5월 29일) 태양에 의해 빛이 휘어지는 것을 측정하여 콧수염 선생이 개소리하는 인간이 아님을 증명한다.

 이왕에 말한 거 일반상대성이론을 좀 더 확장해보자. 빛이 휘면 ‘특수상대성이론’에 의해 시간이 느려진다. 따라서 중력이 강하면 시간은 느려진다^[각주:5]는 결론이 나온다. 만약에 질량이 엄청 큰 존재가 있어서 중력이 엄청 강하다면 빛은 휘는 정도가 아니라 빛은 그 존재에 의해 삼켜진다. 그 존재가 바로 영화 <인터스텔라>에서 봤던 블랙홀이다. 블랙홀에서는 중력이 무지무지 강하기 때문에 시간은 거의 멈춰 있는 듯하다. 따라서 극단적으로 블랙홀에 몇 초 있는 것이 지구에서는 몇 년이 지날 수도 있다. 지금까지 자연스레 일반상대성이론과 블랙홀에 대해 알았으니 자연스럽게 중력파로 넘어가 보자.

콧수염 선생의 마지막 홈워크, 중력파.

 누군가는 중력파를 콧수염 선생의 ‘마지막 선물’이라고 하기도 하고 누군가는 ‘마지막 숙제’라고도 한다. 선물과 숙제가 등가가 되는 이 역설적인 상황의 이유인즉슨, 콧수염 선생이 중력파가 존재한다고 1916년에 이론적으로 발표했지만, 끝끝내 실제로 확인을 하지 못했기 때문이다. 그런 중력파를 2016년^[각주:6]에 실제로 발견됐다고 선언한 것이다. 전자기파의 이론적 정립을 제임스 맥스웰이 하고 그로부터 약 30년 뒤에 하인리히 헤르츠에 의해 실제 확인 됐다. 하지만 중력파는 100년이나 걸렸다. 그러한 이유는 중력파가 너무너무너무너무 미세하기 때문이다. 아참. 중력파가 뭔지 설명을 안 했다. 일단 중력파가 무엇인지부터 살펴보고 가자.

-중력파는 무엇인가?

 중력파는 이론적으로 일반상대성이론에서 유도된 아인슈타인의 장방정식(Einstein's field equation)으로부터 얻어지는 파동방정식(wave equation)에서 그 존재가 확인된다. 1916년에 발표한 내용이 이것이었으나 그걸 설명하는 입장도, 듣는 입장도 서로가 불편해지므로 생략하겠다. 따라서 쉽게 설명하자면, 블랙홀이나 중성자별^[각주:7]같이 질량이 매우 큰 초고밀도 물체가 움직일 경우 (또는 충돌할 경우) 공간의 신축이 일어나는 파동이 생긴다는 것이다. 이를 중력의 변화가 파동처럼 전파된다고 하여 ‘중력파’라고 한다.

중력파 설명 ⒸFree Photo

더 쉽게 말하자면 바람 한 점 불지 않는 고요한 호수 위에 나룻배가 하나 떠 있다고 하자. 나룻배가 움직이는 순간 고요한 수면 위에 파동이 생긴다. 파동이 생기는 물결은 출렁거린다. 이 물결과 같은 것이 중력파이다. 중력파가 지나가면 시공간이 출렁거린다고 한다. 하지만 중력파는 너무너무 미세하다. 만약 우리은하의 중심 위치에서 중성자별이 합병한다면 지구에서 1m 길이가 신축하는 양은 1m의 1조분의 1의 다시 1000만 분의 1 정도에 지나지 않는다고 한다. 따라서 콧수염 선생이 실제로 관측하기가 매우 어려웠던 것이다. 실제로 콧수염 선생이 나중에는 ‘없을지도 몰라... 내가 틀린 것 같아...’는 취지의 논문을 내려다가 다시 번복할 만큼 혼란에 빠지기도 했다.

-그래서, 뭐시 중 헌디? 중력파가 뭐가 중하냐고.

 옛날옛날 한 옛날에 다섯 아이가 우주 멀리 아주 멀리 사라져서 지구방위대 후레쉬맨 용사 되어 돌아온 것처럼 13억 년 전에 아주 먼 은하에서 두 개의 블랙홀이 충돌해 발생한 중력파가 2015년 9월 14일에 지구에 왔다. 당시 충돌한 두 개의 블랙홀은 각각 태양의 질량에 29배와 36배 그리고 1초에 100번씩 회전하는 상태였다.

블랙홀 충돌 ⒸLIGO

LIGO^[각주:8]에서 측정된 이 중력파를 분석한 결과, 두 블랙홀이 충돌할 때 태양의 세 배만큼의 질량이 0.1초 만에 순수 에너지로 전환됐다. 이 에너지를 가시광선으로 생각하면 알려진 우주의 모든 은하계의 모든 별을 합친 것보다 밝게 빛난다고 한다. 또한, 그 중력파로 인해 지구 역시 시공간이 출렁거렸다. 다만 10의 21승 분의 1만큼 출렁거렸다. (너무 야박하다) 이처럼 중력파가 갖는 의미 중 가장 핵심은 중력파가 우주의 정보를 우리에게 제공해주는 또 하나의 툴(Tool)이라는 것이다. 그래서 중력파가 중한 것이다.

 현재 우주를 관측하는데 주로 이용하는 것은 전자기파를 이용해 관측하는 전파천문학이다. 눈으로 직접 광학망원경을 이용해 관측했던 것보다 전파망원경은 좀 더 많은 우주의 비밀을 우리에게 알려주었다. 그러나 전파천문학 역시 그 한계를 가지고 있다. 즉, 블랙홀처럼 전자기파가 미치지 못하는 영역은 관측할 수가 없다. 예를 들어, 어두웠던 항성이 갑자기 폭발하는 현상인 초신성(supernova)의 경우, 별의 외부가 철, 탄소, 규소로 수천 km로 둘러싸여 내부 폭발 원을 관측할 수가 없었다. 그래서 현재까지 그 메커니즘은 수수께끼다. 그러나 중력파는 모든 물질을 투과할 수 있기 때문에 앞으로 중력파를 통해 우리는 초신성의 비밀을 알 수 있을지도 모른다. 또한, 13억 년 전에 블랙홀 충돌로 인해 생긴 중력파를 앞서 우리가 관측할 수 있었듯이, 우리 우주의 초기인 빅뱅 역시 중력파를 이용해 관측 분석하여 우주 탄생의 비밀을 풀 수도 있다.

-지극히 개인적인 관심사

 말한 김에 중력파 관측으로 무엇을 알 수 있는지 필자의 관심사를 토대로 해서 살펴보자. (나머지는 직접 찾아보실 길) 일단, 필자가 중력파 발견이 중요하다고 느낀 이유는 ‘블랙홀’ 때문이다. 믿기진 않겠지만 이번에 중력파가 관측되기 전까지 블랙홀의 존재는 엑스선 방출과 같은 방법에 의해 간접적으로 추정했단다. 이번 중력파 검출이 블랙홀의 존재를 실제 확인했고 더욱이 그 존재를 파헤칠 수 있는 툴(tool)까지 얻었으니 이제 블랙홀의 비밀이 밝혀지는 것은 시간문제다. 중력파를 이용한 블랙홀의 비밀이 무엇이 중요한지 알기 전에 일단 블랙홀을 좀 더 자세히 살펴보자. 

블랙홀 구조 Ⓒmisfits

 블랙홀은 질량이 큰 항성이 다 타고나면, 항성의 중심부로 수축이 일어나 생겨나는 것으로 알려져 있다. 수축은 크기가 0이고 밀도가 무한인 한 점으로까지 수축하는데 그 점을 ‘특이점(singularity)’이라고 한다. 특이점을 블랙홀의 본체라고 말한다. 특이점처럼 크기가 아주아주 작으며 고밀도의 지점(미시세계)에서는 콧수염 선생의 상대성이론이 통하지 않는다. 따라서 상대성이론과 더불어 현대물리학의 양대산맥인 ‘양자론^[각주:9]’이 상대성이론과 함께 이러한 미시세계를 설명하는 데 도움이 되지 않을까 기대하는 것이 물리학계의 통설이다. 그러한 기대를 하고 수십 년간 물리학계에서는 양자론과 상대성이론을 융합한 ‘궁극의 이론’을 만들려고 노력 중이었지만 양자론과 상대성이론은 대척되는 지점^[각주:10]이 많아 쉽게 융합될 수 없었다. 여기서 중력파가 블랙홀의 존재를 파헤치는 것이 중요한 이유가 등장한다. 중력파를 통해서 블랙홀의 비밀을 안 다는 것은 상대성이론의 한계를 정확히 확인하는 것을 의미한다. 콧수염 선생이 어디까지 맞게 추측했나를 확인하는 것이다. 한계를 안다는 것은 양자론과의 융합에 필요한 이론적 근거, 즉 ‘궁극의 이론’ 완성에 밀알을 제공할지도 모른다는 기대^[각주:11]를 할 수 있다. 마치 뉴턴역학으로 해결되지 않는 문제들이 제기가 되자(예를 들어, 수성의 근일점 문제) 당시 과학계가 대안 이론을 필요했었고 그 분위기 속에 아인슈타인의 상대성이론이 등장한 것과 같다. 만약에 ‘궁극의 이론’이 완성된다면 이것은 사과 선생의 발견이나 콧수염 선생의 발견을 합친 것만큼의 기념비적인 ‘패러다임의 변화’가 생길 것이다. ‘패러다임의 변화’는 새로운 과학 기술을 가진 세계의 도래를 암시하며 실제로 그래 왔던 것이 우리의 역사였다. SF영화의 현실화가 좀 더 다가온 것이다. 따라서 우린 아주아주 오래 살아야 한다.

김형민

radiofuniv@naver.com

'금지한다'는 것은 해보라는 말과 동의어다.

1. 갈릴레이가 죽은 해에 뉴턴이 태어났다. 갈릴레이가 천동설을 부인해서 재판을 받았던 것을 생각하면 쉽게 공감이 간다. [본문으로]
2. 재 물리학계에서는 가장 기본적인 힘이라고 불리는 네 가지 힘(전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력, 중력) 중 전자기력과 약한 핵력이 통합 됐고 현재 강한 핵력까지 통합시키려고 노력 중이다. 현재 물리학자들은 세 가지 힘에 ‘중력’을 까지 통합하는 것을 목표로 한다. [본문으로]
3. 그 유명한 공식, 만유인력=GxMm/r^2 [본문으로]
4. 귀여운 중학교나 고등학교 시절에 배운 원운동을 생각해보자. 원 중심으로 향하는 힘을 구심력, 구심력과 수직하게 원 밖으로 나가려는 힘을 원심력이라고 한다. [본문으로]
5. ‘시간=이동거리/속도’인데 빛이 휘어진다는 것은 ‘이동거리 증가’를 의미하고, 빛의 속도는 광속도불변 원칙에 의해 항상 일정 하다. 따라서 시간이 증가한다(느려진다). [본문으로]
6. 실제 데이터를 관측한 것은 2015년 9월 14일이었으나 관측된 데이터가 중력파인지 확인하는 작업과 논문 작성 및 발표내용을 준비하는 절차가 걸려 2016년 2월께 발표됐다. [본문으로]
7. 별의 대부분이 원자핵의 구성 요소인 ‘중성자’로 이루어진 고밀도 천체 [본문으로]
8. 라이고, The Laser interferometer Gravitational-Wave Observatory, 레이저 간섭계 중력파관측소 [본문으로]
9. 양자론의 핵심 내용은 ‘미시 세계에서는 모든 것이 확정되지 않는다.’ 즉, 불확정성의 원리이다. [본문으로]
10. 그 유명한 논쟁. 콧수염 선생 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다.” vs 닐스 보어(양자역학의 전설) “전능하신 신께 지시를 내리는 일을 그만하라.” [본문으로]
11. 더 나아가 암흑 물질과 암흑 에너지등과 같이 상대성이론으로는 알 수 없는 영역에 대한 대안 이론 역시 기대가 된다. [본문으로]