[양세라의 과학칼럼1] 아인슈타인의 예측, 중력파의 발견

100년만에 입증된 천재의 예측, 신의 영역에 가까워지는가?

지난 2016년 2월 물리학계는 아인슈타인의 상대성이론이 예견한 ‘중력파’를 직접 관측해냈다는 사실로 떠들썩했다. 아인슈타인의 상대성이론이 당대 물리학계에 혼란을 준 지 정확히 100년 후였다.


1916년 아인슈타인은 당대 고전 물리학의 시공간의 개념을 깨버린 일반 상대성이론을 발표하였다. 그는 자기 논문에서 ‘중력파’에 대한 예견을 하였다. 100년 후인 2016년 2월, 미국의 ‘LIGO’(레이저 간섭 중력파 관측소)는 중력파를 실제로 검출해 내 그 존재를 밝혔다.


세기의 천재, 세기의 발견, 아인슈타인과 상대성이론


아인슈타인은 독일 출신의 미국 이론물리학자이다. 그는 1905년 물리적 시공간의 정의를 새롭게 만든 특수상대성이론을 발표했다. 특수상대성이론에서는 고전물리학에서 절대적인, 불변의 개념을 가지고 있던 시간과 공간이, 왜곡되고, 상대적으로 느껴질 수 있음을 밝혀냈다.


또한, 제1차 세계대전 중 특수상대성이론을 중력이론이 포함된 이론으로 확대하고자 했다. 당시의 중력을 명확히 설명할 수 있는 이론이 없었기 때문이다. 1916년 그는 일반상대성이론을 발표했고 그 이론에서 유도되는 하나의 결론으로서 중력이 작용하는 범위에서 빛은 구부러진다는 현상을 예언하였다.


아인슈타인은 광전효과 연구와 이론물리학에 기여한 업적으로 1921년 노벨물리학상을 받았다. 



상대성이론을 설명하는 가장 대표적인 역설이 있다. '쌍둥이 역설'이 바로 그것이다.


쌍둥이인 제인과 토마스가 있다고 가정해보자. 어느 날 제인은 빛의 속도에 가깝게 비행할 수 있는 우주선을 타고 우주여행을 다녀오기로 계획한다. 토마스는 지구에서 빛의 속도에 가깝게 날아가는 제인을 보고, 제인 또한 상대적으로 빛의 속도에 가깝게 멀어지는 토마스를 본다. 토마스의 입장에서 제인이 타고 있는 우주선 내의 시계를 보니, 지구의 시계보다 느리게 감을 알게 되었다. 이 이상한 현상은 제인도 마찬가지로 느낀다. 제인이 우주선 내의 시계와 지구의 시계를 비교해보니, 지구의 시간이 자신의 시간보다 느리게 간다는 것을 알게 되었다.


이것이 바로 쌍둥이 역설이다. 쌍둥이 역설을 통하여 아인슈타인의 상대성이론이 말하고자 하는 시간의 상대성에 대하여 알 수 있다.


예로 영화 '인터스텔라'에서 아버지가 우주여행을 하고 오자 딸이 할머니가 된 것을 상대성이론으로 설명할 수 있다.


중력의 의미, “제자리에 있던 태양이 사라진다면?”


고전 물리학에서 뉴턴은 중력을 질량을 가진 물체가 다른 물체를 끌어당기는 힘이라고 정의했다. 이 정의는 지구에서 사람이 똑바로 서 있는 이유를 설명할 수 있었다. 흔들리지 않던 뉴턴의 정의로 천체 간의 인력을 설명하기 위하여 물리학자들은 원격이론 등을 도입하여 설명하였다.


그러나 고전 물리학에서의 중력이 갖는 모순점이 있다. “제자리에 있던 태양이 갑자기 사라진다면?” 이라고 가정해보자. 태양에서 발생한 빛이 지구까지 오는 데에는 8분이 걸린다. 이 때문에 우리가 시각적으로 태양이 사라졌음을 깨닫게 되는 데에는 8분이 걸린다. 그렇지만 인력이 작용하던 물체가 사라졌으니 공전하고 있던 지구는 원심력에 의해 궤도 밖으로 튕겨 나가게 될 것이다. 이는 중력이 전달되는 속도가 빛보다 빠르다는 결론에 도달하게 된다. 당시의 뉴턴은 이를 설명하기 위하여 ‘신’이 존재한다고 주장하였다. 따라서 고전 물리학에서의 중력은 모순점을 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 물리학자들은 이 현상을 설명하기 위하여 여러 이론을 도입하였지만, 아인슈타인 이전까지 모순점이 없는 이론이 발견되지 않았다.


아인슈타인의 중력은 질량을 가진 물체가 시공간을 왜곡시키는 것으로 정의된다. 위에서와 같이 '태양이 사라진다면?' 이라고 가정해보자. 왜곡되어 있던 공간이 갑자기 펴지기 때문에 그에 대한 여파가 파도처럼 주변으로 퍼져나갈 것이다. 그 파동이 진행되어 지구에 도달하면 우리가 그때 태양이 사라졌구나, 인지할 수 있게 되는 것이다. 여기서 말하는 파도 형태, 파동이 바로 ‘중력파’이다. 중력파는 질량을 가진 물체가 운동할 때 주변의 왜곡된 공간이 같이 움직인다고 이해하면 쉽다.


중력파의 발견이 이슈가 된 이유


중력파가 발견되고 물리학계와 천문학계에서는 ‘중력파 천문학’의 새 시대가 열렸다고 말을 한다. 미국의 LIGO를 비롯하여 각국에서 중력파 관측 장치를 설치하고 있다. 더 정밀하게, 양성자만 한 크기의 중력파를 측정하기 위하여 새로운 도전을 하고 있다. 일례로 일본에서는 관측 장치의 팔의 길이가 4km에 달하는 거대한 관측 장치를 설치 중이라고 한다.


중력파는 어떠한 물질의 생성 원인에 대한 정보를 제공한다. LIGO가 발견한 중력파를 통하여 물리학자들은 블랙홀의 생성원인을 알 수 있다고 밝혔다. 중력파가 우주 탄생의 정보를 제공한다고 믿는 이유가 바로 이 때문이다.


현재 중력파를 연구하는 학자들의 이목을 끌고 있는 것은 바로 초신성 폭발이다. 초신성 폭발 시의 중력파를 관측하면 별의 내부, 생성 원인에 대한 정보를 받을 수 있기 때문이다. 각국이 더 정밀하게, 더 많은 현상에서 중력파를 관측해낸다면 머지않은 미래에 우주 생성 초기의 정보를 갖는 중력파를 관측해낼 수 있다고 생각한다.




머지않아 우주 생성 초기의 정보를 가지고 있는 중력파가 관측된다면 인류는 우주 탄생 원인에 대하여 알게 되고 흔히 사람들이 말하는 ‘신의 영역’에 한걸음 다가설 수 있을 것이다.





칼럼소개 : 교과서에서 볼 수 없던 과학, 기사로 접해도 어렵게만, 멀게만 느껴지던 전문적인 과학 내용들을 학생의 입장에서, 학생을 위하여, 학생이 직접 공부하고 작성한 과학칼럼. 미래의 과학도로서 어떤 학생이라도 쉽게 읽고, 이해하고, 과학에 관심을 갖고, 전문적인 과학 지식을 얻어갈 수 있도록 하겠습니다.

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