2월 11일 전 세계를 깜짝 놀라게 한 과학적 발표가 있었습니다. 그 발표는 바로 중력파를 관측했다는 것입니다. 많은 사람들은 놀라기 보다는 중력파가 뭐야?라고 생각했을 것입니다. 저 또한 개념이 없어서 이게 무슨 발견이며 무슨 의미가 있을까? 뚱하게 봤습니다. 그런데 생각보다 이 개념은 어렵지는 않습니다. 이 중력파를 3분에 설명하는 동영상이 있어서 이 동영상 자료를 이용해서 설명해 보겠습니다.
시공간을 왜곡 시키는 중력
중력파를 알기 위해서는 중력에 대해서 좀 알고 있어야 합니다. 세상에는 여러가지 힘이 있습니다. 전자기력, 강력, 약력 그리고 중력이 있습니다. 이중에서 중력은 우리가 만유인력이라고 배웠습니다. 이 중력은 우리가 잘 느낄 수 없지만 시공간을 왜곡시킵니다. 영화 <인터스텔라>를 통해서 중력이 강하면 어떻게 시간과 공간을 왜곡 시키는 지를 배웠습니다.
이 중력을 설명할 때 가장 흔하게 사용하는 방법이 매트리스 위에 무거운 볼링공을 올리는 것입니다. 이렇게 매트리스 위에 볼링공을 올리면 메트리스가 쑥 들어가죠. 이런 비유를 하는 이유는 무거운 물체가 매트리스 주변의 공간을 왜곡하는 모습을 쉽게 볼 수 있기 때문입니다. 시공간의 왜곡을 3차원으로 묘사하는데 이 보다 더 탁월한 비유도 없습니다.
매트리스 위에 무서운 물체를 올릴수록 매트리스는 더 깊이 들어갑니다. 마찬가지로 질량이 무거운 물체일수록 시공간의 왜곡은 더 크게 일어납니다. 따라서 지구보다 태양이 시공간을 더 많이 왜곡 시킵니다.
우리 지구가 태양 주위를 빙빙 도는 이유는 태양이라는 거대한 질량을 가진 별이 시공간을 왜곡 시켰고 그 태양 중량의 영향을 받는 태양 중력장에서 빙빙 돌고(공전) 있습니다. 그리고 지구의 중력장 안에서 달이 지구를 빙빙 돌고 있습니다. 이렇게 힘의 균형이 이루어진 상태에서 행성들은 서로 빙빙 돌고 있는 것이 우주입니다.
중력파란 무엇인가?
이렇게 무거운 질량의 물체가 지나가면 무거운 물체가 있어서 쑥 꺼졌던 매트리스가 평평해 지면서 매트리스가 복원이 됩니다. 쑥 들어갔던 매트리스가 복원이 되면서 작은 파동을 만듭니다. 호수 위에 있던 거대한 배가 갑자기 쑥 들어 올려지면 배가 있던 자리에 호수 물이 채워지면서 호수는 출렁이게 됩니다. 이때 작은 파동을 만드는데 이게 바로 연못의 잔물결이라고 비유되는 중력파입니다.
큰 물체가 왜곡한 시공간이 원래 상태로 되면서 만들어내는 파동이죠. 그러나 지금까지 거대한 물체가 갑자기 사라진 적이 없습니다. 서서히 이동하는데 서서히 이동하면 그 중력파가 강하지 않습니다. 그런데 갑자기 거대한 물체가 사라지거나 거대한 물체의 질량이 사라지는 일이 발생했습니다.
바로 2개의 블랙홀이 빙빙 돌다가 둘이 합쳐지면서 태양 무게의 3배나 되는 질량이 에너지로 바뀐 사태가 일어났습니다.
이렇게 태양 질량의 3배나 되는 질량이 갑자기 사라지자 그 사라진 중력만큼의 시공간 왜곡을 메꾸다가 거대한 파동을 일으켰습니다. 이 거대한 파동인 중력파를 2015년 9월 14일 지구에서 관측하게 됩니다.
이 중력파는 중력과 에너지를 가지는 것이라면 어떤 것이든 발생 시킬 수 있습니다. 예를 들어 두 사람이 팔짱을 끼고 빙글 빙글 돌아도 시공간의 왜곡을 발생 시켜서 중력파를 발생시킵니다. 그러나 중력이라는 힘은 우주의 4가지 힘 중에서 가장 약한 힘이라서 크게 느끼지 못합니다.
따라서 이 중력파를 감지하려면 고속으로 회전하는 중성자 별이나 블랙홀 같은 고속으로 운동하는 거대한 질량을 가진 존재만이 우리가 중력파를 느끼게 할 수 있습니다.
중력파는 어떻게 측정하나?
중력파는 호수위의 잔 물결처럼 중력파가 지나갈 때 잠시 잠깐 시공간의 왜곡을 만들어냅니다.
시공간의 왜곡을 측정하는 방법은 간단합니다. 두 사람이 일정한 거리에 서서 빛을 쏩니다. 이 빛이 반대편에 서 있는 사람의 거울을 맞고 다시 자신에게 돌아오는 속도를 항상 기록하고 있다가 이 빛이 돌아오는 속도가 달라지면 시공간의 왜곡이라고 감지합니다. 줄자로 측정할 수 있지만 줄자는 줄자라는 관측도구 자체도 시공간 왜곡에 영향을 받기 때문에 빛을 이용해서 측정을 합니다.
왜냐하면 빛의 속도는 우주에서 유일하게 이런 시공간의 왜곡에 영향을 받지 않기 때문입니다. 어떤 속도에서도 빛은 동일한 속도를 보이는 독특한 존재입니다.
참고로 이번 중력파는 지구로부터 13억 광년 떨어진 두 블랙홀이 회전하다가 충돌해서 만들어진 파동입니다. 그 파동이 13억 년을 지나서 지금 도착했네요. 떨어진 거리도 거리지만 이걸 관측한 닝겐도 대단합니다.
미국은 2010년 경 라이고(LIGO)라는 레이저 간섭계 중력파 관측소를 업그레이드 합니다. 이 라이고는 L모양로 되어 있는데 한 쪽의 길이가 무려 4km나 됩니다.
4km 끝에는 큰 거울이 있습니다. 이 거울에 대고 24시간 레이저 빛을 쏘고 그 돌아오는 시간을 측정하고 있습니다.
2015년 9월 14일 드디어 시공간의 변화를 관측했습니다. 잠시 잔깐 4km의 거리가 잠시 축소 되었다가 다시 확장 되는 것을 관측했습니다.
그럼 얼마나 시공간이 변화 되었냐 놀랍게도 그 왜곡의 크기가 양성자의 만 분의 1입니다. 1mm 이런 차원이 아닙니다. 쉽게 비유하자면 지구와 화성까지의 거리에 수 mm 변화가 했다고 볼 수 있습니다.
여기서 깜짝 놀랄 분이 많죠. 어떻게 그걸 측정해? 그만큼 미국이 기술 강국이라는 소리이고 인류가 엄청난 기술을 가지고 있다는 소리이기도 합니다.
그러나 워낙 작은 변화이기 때문에 지구의 지진, 연구원의 발로 만드는 진동 지나가는 자동차가 만드는 진동 등 수 많은 잡음과 같은 진동 속에서 이 작은 시공간의 왜곡이 잡음인지 중력파인지 알 수 없습니다.
이에 과학자들은 라이고(LIGO)를 2개 설치합니다. 한 개는 미국 루이지애나 리빙스턴에 1개, 또 1개는 워싱턴 주 핸포드에 설치했습니다. 이렇게 2곳에 설치했습니다. 2개를 설치한 이유는 2개의 라이고에서 거의 동시간에 비슷한 왜곡 현상을 관측하면 그게 중력파일 확률이 높기 때문입니다.
실제로 2개의 라이고에서 거의 비슷한 시간에 중력파 왜곡이 관측되었습니다. 그러나 똑같은 시간에 일어나면 중력파가 아닙니다. 중력파는 파동이기 때문에 1곳의 라이고에서 먼저 관측되고 빛의 속도로 중력파가 달려간 중력파가 약간의 시간 후에 다른 1곳의 라이고에서 관측되었습니다.
그리고 작년 9월에 관측된 이 데이터를 수 개월간 잡음을 제거하는 과정(이 과정은 소프트웨어 처리 기술로 한국인도 참여했다고 하죠)을 거친 후에 얼마 전에 발표를 했습니다.
중력파 발견의 의미
그래서 중력파를 발견해서 내 삶에 무슨 의미가 있냐고 묻는다면 별 의미는 없습니다. 일반인들에게는 거의 의미가 없죠.
또한, 이번 발견은 기존의 아인슈타인이 만든 상대성 이론을 더욱 강하게 만드는 증거일 뿐 새로운 이론을 만드는 것도 아닙니다.
그러나 중력파 검출로 우리는 또 다른 감각 기관을 갖추게 되었습니다. 지금까지 가시광선을 분석해서 우주를 관측하는 허블 망원경을 지나 전자파를 통해서 우주를 관측하는 전파망원경으로 우주와 지구를 관측했습니다. 그러나 이 2개의 관측 도구는 중력 등에 의해서 쉽게 왜곡이 될 수 있습니다. 빛은 중력에 의해서 왜곡 되기 때문에(속도는 동일하고 그 속도를 이용해서 중력파를 관측) 실제를 관측하기에는 한계가 있습니다. 그러나 이 중력파는 모든 물질에 영향을 받지 않고 통과합니다.
즉 모든 힘에 영향을 받지 않고 쭉 뚫고 지나갑니다. 따라서 이걸 잘 이용하면 인류는 또 하나의 관측도구를 만들 수 있고 좀 더 선명한 우주를 관측할 수 있습니다.
유럽과 일본도 미국처럼 이 중력파 관측소를 건설 중에 있다고 하죠. 선진국은 이렇게 기초과학에 많이 투자하는데 한국은 기초과학에 투자하면 그거 투자하면 돈이 나와 쌀이 나와라고 비난만 합니다. 그러니 평생 노벨 과학상이 나오기 힘든 나라입니다.
