어둠 속에 있는 아름다움 찾기

[뉴욕타임스] Finding Beauty in the Darkness (2016.02.11)

본격적인 미 대통령 후보 경선과, 경제, 이민, 테러로 걱정거리에 둘러싸인 나라의 분위기 속에서, 혹자는 왜 우리가 우주의 먼 구석에서 일어난 사건으로 생긴 미세한 진동에 관한 뉴스에 신경써야 하는 지 궁금할 것이다.

대답은 간단하다. 지난 수 주에 걸쳐 우리에게 달콤한 말만 던지는 정치쇼는 우리가 인간으로 산다는 것의 의미에 대해 어떤 최하의 것을 비춰주는 반면에, 낯선 물리 실험에서 발견된 이 미세한 진동은 최상의 것을 비춰주기 때문이다. 과학자들은 우주를 향한 새롭고 광활한 창을 열기 위해 거의 불가능에 가까운 확률을 극복했다. 그리고 만약 역사가 증거가 된다면, 우리가 우주를 관측하는 새로운 눈을 가지게 되었을 때마다 우리가 있는 곳과 그 안에 우리 자신에 대한 이해는 완전히 바뀌었다.

1609년 갈릴레오가 망원경으로 목성을 보았을 때, 그는 목성 주위를 도는 위성들을 관측했다. 천체는 지구를 중심으로 돈다는 아리스토텔레스의 이론을 부수는 발견이었다. 1964년 벨 연구소의 아르노 펜지아스와 로버트 윌슨이 천체에서 방출되는 전파를 탐지했을 때, 우주는 어떤 강력한 대폭발로 시작했다는 것을 발견했다.

백년 전, 아인슈타인은 일반 상대성 원리(공간 자체가 휘거나 확장, 축소되며 질량의 존재에 반응한다는 것을 암시한다)를 새롭게 발견하였고, 이것을 이용하여 우리가 손을 움직이거나 어떤 물체를 옮길 때마다, 호수 중간에 물결이 퍼지는 것처럼, 공간의 구조 안에서 요동이 빛의 속도로 바깥쪽으로 전파된다는 것을 보여주었다. 이 중력파들이 공간을 지나가면서 문자 그대로 물체 사이의 거리가 진동하 듯 교대로 늘어났다 줄어들었다 하게 만들 것이다.

물론 이것은 인간이 경험할 수 있는 영역 밖이다. 술을 마시지 않고는 거실의 크기는 반복적으로 줄어들거나 커지지 않는다. 하지만 사실은 그런 현상이 일어난다. 중력파로 생긴 공간의 진동은 너무 작아서 그 기복의 크기는 한번도 측정된 적이 없었다. 그리고 절대 측정되지 않을 것이라고 생각하는 온갖 이유가 있었다.

그러나 목요일에 레이저 간섭 중력파 관측소, 줄여서 LIGO는 10억 광년 밖에 있는 거대한 두 블랙홀이 충돌하고 합쳐지며 발산하는 중력파 신호가 관측되었다고 공표했다. 얼마나 멀리 떨어져 있을까? 우선 1광년은 약 9.5조km이다.

이 중력파를 보기 위해서, 과학자들은 거대한 탐지기 두 개를 지었다. 하나는 워싱턴 주에, 또 하나는 루이지에나에 있고, 양쪽 다 약 4km의 길이에 서로 직각인 관측기 터널 두 개로 구성되어 있다. 각각의 터널 쪽으로 레이저 빔을 쏘고, 터널 끝 거울에 반사되어 돌아온 시간이 각각 얼마나 걸렸는지 시간을 측정함으로써, 관측자들이 정확한 터널의 길이를 잴 수 있다. 만약 우주에서 온 중력파가 두 터널의 탐지기를 거의 동시에 지나가게 되면, 한 쪽 터널의 길이는 줄어드는 동안 다른 한 쪽은 늘어나며 교대로 반복될 것이다.

관측한 신호를 잡아내기 위해서는 두 터널 사이의 주기적인 길이차를 양자 하나 크기의 만 분의 일보다 작은 오차로 측정할 수 있어야 했다. 이것은 지구와 지구에서 가장 가까운 항성 사이의 거리를 인간의 머리카락 굵기의 정확도로 측정하는 것과 같다.

만약 이것이 가능하다는 사실이 놀랍지 않다면, 다음을 다시 읽어보아라. 이 길이차는 너무 작아서 터널 끝의 거울이 원자의 양자 역학적인 진동 때문에 위치가 미세하게 움직이게 되는 것만으로도 중력파 신호를 삼켜버릴 수 있었다. 이 문제를 극복을 위해 과학자들은 양자 광학의 최신 기술에서 도움을 받을 수 있었다.

LIGO 실험에서 관측했다는 충돌한 두 블랙홀은 방대했다. 하나는 태양 질량의 약 36배, 다른 하나는 29배에 달했다. 충돌과 병합으로 태양의 62배에 해당하는 블랙홀이 만들어졌다. 만약 기초적인 덧셈으로 무엇이 잘못된 것 같다면, 맞게 생각한 것이다. 여기서 나머지 태양 3배에 해당하는 질량은 어디로 사라졌을까?

중력파의 형태로 변한 순수한 에너지 속으로이다. 태양은 매초 10억개의 수소 폭탄이 터지는 세기로 10억년 동안 붉게 탈 것이다. 그 과정 중 아인슈타인의 유명한 공식 E=mc2에 따르면, 전체 질량의 오직 작은 일부만이 에너지로 변할 것이다. 그러나 두 블랙홀이 충돌할 때 태양 전체 3배의 질량이 1초보다 짧은 시간에 사라지고 순수한 에너지로 변환되었다. 그 순간, 그 충돌은 관측 가능한 전 우주의 다른 모든 항성이 생산하고 있던 에너지보다 더 큰 에너지를 생산했다.

더 빠른 자동차나 더 좋은 토스터기를 만드는 것이 아니라면 이런 과학이 무슨 소용이냐고 사람들이 정말 자주 묻는다. 그러나 사람들은 피카소의 그림이나 모짜르트의 음악에 관해서는 같은 질문을 거의 하지 않는다. 이러한 과학적 창의력의 정점에서 우주 속의 우리가 있는 곳을 바라보는 우리의 관점이 바뀐다. 미술, 음악, 문학과 마찬가지로 과학은 놀라게 하고, 흥분시키고, 황홀감에 빠트리고, 어리둥절하게 할 수 있는 자질을 가지고 있다. 과학의 이러한 측면(과학의 문화적인 기여, 과학의 인문주의)이 아마 과학의 가장 중요한 특징일 것이라 생각한다.

놀라운 자연의 신비를 관측한 놀라운 실험의 위업으로부터 우리는 우주에 관해 무엇을 더 배울 수 있는가? 해답은 아무도 모른다. 미래의 중력파 관측소는 블랙홀의 새로운 성질들을 밝힐 수 있을 것이다. 이것은 아마도 은하계, 별의 진화와 중력에 관한 비밀을 밝힐지도 모른다. 마침내 우리는 빅뱅의 중력파를 관측할 지도 모르고, 그것은 물리현상에 대한 우리들의 이해를 더욱 확장시킬 것이다.

중력파는 블랙홀의 “사상의 지평선” 근처에서 발생한다. 우주의 출구라고 불리며, 한 번 들어가면 영원이 돌아올 수 없는 곳이다. 예를 들면, 이 부근에서는 시간이 크게 느려진다. 영화 “인터스텔라”를 보았다면 모두 알 것이다. (우연히도 “인터스텔라”의 원고는 LIGO 실험의 계획을 도왔던 물리학자 중 한명인 킵 토른이 썼다.)

궁극적으로, 사상의 지평선 근처에서 진행 과정을 탐색하거나 초기 우주의 중력파를 관측함으로써, 우리는 우주의 기원에 대하여 더 많은 것을 알아내거나, 심지어는 다른 우주의 존재가 가능한지 여부를 알아낼 수도 있다.

모든 아이들은 한 때 우리가 어디에서 왔고 어떻게 왔는지 궁금해 한다. 우리가 우주 밖을 자세히 들여다 보는 LIGO와 같은 장비를 만들어서 이러한 질문에 대답하고자 노력할 수 있다는 것은, 인간이라는 것에 대해 가장 축복해야할 자질인 끊이지 않는 호기심과 상상력의 증거이다.

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