3 5월 2021

[알아봅시다][물리학][사이언스N사피엔스] 아인슈타인의 생애 가장 행복했던 생각

[알아봅시다][물리학][사이언스N사피엔스] 아인슈타인의 생애 가장 행복했던 생각

[사이언스N사피엔스] 아인슈타인의 생애 가장 행복했던 생각

2021.04.29 18:09

등가원리의 이런 성질을 가장 잘 드러낸 영화가 ′인셉션′이다. 사람의 꿈을 조작한다는 내용의 이 영화에서는 꿈의 층위가 여러 단계로 나뉘어있다. 디스테이션/네이버영화 제공

등가원리의 성질을 가장 잘 드러낸 영화가 ‘인셉션’이다. 디스테이션/네이버영화 제공

1905년 특수상대성 이론을 완성한 알베르트 아인슈타인은 이후 이에 부합하는 중력이론을 고민하기 시작했다. 그때까지 알려진 중력이론은 당연히 뉴턴의 만유인력의 법칙이다. 아인슈타인은 만유인력의 법칙에 불만이 있었다. 자신의 특수상대성이론에 따르면 이 우주에서는 그 어떤 물리적 신호도 빛보다 빠를 수 없다. 만유인력의 법칙에서는 질량이 있는 두 물체가 즉각적으로 중력을 느낀다. 즉, 만유인력은 즉각적인 ‘원격작용(action at a distance)’ 이론으로 특수상대성이론과 잘 맞지 않는다. 아인슈타인은 자신의 새 이론에 대한 확신이 있었고, 이에 부합하는 새로운 중력이론이 필요하다고 느꼈다.

특수상대성이론을 발표한 지 2년이 지난 1907년 아인슈타인은 새 중력이론으로 향하는 중요한 돌파구를 찾았다. 바로 ‘등가원리(equivalence principle)’이다. 등가원리란 한마디로 관성력과 중력이 동등하다는 원리이다. 아인슈타인은 훗날 “생애 가장 행복했던 생각(the happiest thought of my life)이었다”고 회고했다.

관성력이란 가속 운동 때문에 생기는 가상의 힘이다. 버스가 갑자기 출발하면 몸이 뒤로 젖혀진다거나 모퉁이를 돌 때 바깥으로 쏠리는 것은 우리 몸이 원래 운동하던 관성을 유지하려는 성질 때문에 힘(관성력)을 받기 때문이다. 관성력은 정지좌표계에 있는 사람에게는 작용하지 않는다. 아무리 버스가 급출발하거나 모퉁이를 돌아도 정류장에 서 있는 사람에게는 (중력을 제외하고는) 아무런 힘이 작용하지 않는다. 버스가 일정한 속도로 움직일 때에는 버스 안에서도 관성력이 존재하지 않는다. 관성력은 오직 버스의 속도가 바뀌었기 때문에 생긴다. 

버스가 모퉁이를 도는 운동과 같은 원운동 또한 가속운동이다. 속도는 크기와 방향을 함께 갖는 양(벡터)이다. 원운동은 운동의 방향이 매순간 바뀌기 때문에 가속운동이다. 원운동은 고대 플라톤 이래로 이 우주의 가장 자연스러운 운동으로 간주되었다. 근대과학의 아버지라 불리는 갈릴레오조차도 행성의 궤도는 타원이라는 케플러의 법칙을 외면했고, 원운동은 관성의 법칙이 적용되는 등속운동으로 생각했다. 경험적으로 우리는 원운동을 할 때 바깥으로 쏠리는 힘, 즉 원심력을 느낀다. 원심력도 관성력의 일종이다. 세탁기의 탈수기능이나 실험실의 원심분리기도 모두 원심력을 이용한다.

사람의 꿈을 조작한다는 내용의 이 영화에서는 꿈의 층위가 여러 단계로 나뉘어있다. 디스테이션/네이버영화 제공

사람의 꿈을 조작한다는 내용의  영화 ‘인셉션’ 에서는 꿈의 층위가 여러 단계로 나뉘어있다. 디스테이션/네이버영화 제공

관성력이 중력과 등가라는 원리는 우리가 일상생활에서 매일 겪는 일이다. 엘리베이터를 타고 올라가면 엘리베이터가 위로 움직이는 순간 우리 몸이 무거워지는 것을 느낀다. 이는 엘리베이터가 위쪽 방향으로 순간적으로 가속운동(정지상태에서 움직이기 시작했으니 속도의 크기가 바뀌었다.)을 했기 때문이다. 그 결과 엘리베이터 안에 있는 사람은 가속운동의 반대방향, 즉 아래쪽으로 관성력을 받는다. 엘리베이터 안의 탑승객은 아래쪽으로 당기는 힘이 더해졌으므로 자신의 몸무게가 더 늘어난 것으로 느낀다.  

만약 엘리베이터는 정지해 있고 갑자기 탑승객의 몸무게나 지구의 질량이 늘어났다면 어떻게 될까? 만유인력의 법칙에 따르면 두 물체 사이에 작용하는 중력은 각 물체의 질량의 곱에 비례한다. 즉 각 물체의 질량이 늘어나면 그만큼 비례해서 중력이 커진다. 탑승객의 질량 또는 지구의 질량이 늘어나면 탑승객은 그만큼 아래쪽으로 당겨지는 힘을 더 크게 느낀다. 

등가원리란 탑승객의 입장에서 엘리베이터가 위로 가속하는지 중력이 강해졌는지를 구분할 길이 없다, 즉 그 두 효과는 동등하다는 원리이다. 

엘리베이터가 내려갈 때는 어떨까? 이때는 관성력이 위쪽을 향하므로 순간적으로 몸이 가벼워지는 느낌을 받는다. 이런 상황을 좀 극단으로 활용한 놀이기구가 자이로드롭이다. 자이로드롭은 사람들을 높은 곳까지 끌어올려 안전하게 자유낙하시키는 놀이기구이다. 물체가 자유낙하하면 지구를 향해 중력가속도의 크기로 가속된다. 이에 따른 관성력은 위쪽을 향한다. 이때 관성력의 크기는 가속도의 크기에 물체의 질량을 곱한 값과 같은데, 이는 정확하게 지구가 물체를 당기는 중력의 크기와 일치한다. 그 결과 자유낙하하는 물체에는 중력과 관성력이 상쇄돼 아무런 힘이 작용하지 않는다. 즉, 무중력상태가 된다. 자이로드롭이 높은 곳에서 떨어질 때 내장이 들리는 느낌을 받았을 것이다. 자유낙하를 하는 동안에는 우리 신체에 늘 작용하던 중력이 관성력에 의해 지워졌기 때문이다. 

등가원리란 탑승객의 입장에서 엘리베이터가 위로 가속하는지 중력이 강해졌는지를 구분할 길이 없다, 위키피디아 제공

등가원리란 탑승객의 입장에서 엘리베이터가 위로 가속하는지 중력이 강해졌는지를 구분할 길이 없다, 위키피디아 제공

자유낙하하는 사람의 관점에서는 자신은 아무런 힘도 작용하지 않는 무중력상태에 그저 가만히 있을 뿐이고, 엄청난 크기의 돌덩어리(지구)가 매초 초속 9.8m씩 속도를 증가시키며 자신에게 다가올 뿐이다. 반면 땅에 가만히 있는 사람에게는 관성력이 작용하지 않는다. 오직 중력만 작용할 뿐이어서 자유낙하하는 사람은 매초 초속 9.8m씩 속도가 커지면서 지면으로 돌진한다. 

자유낙하의 한 특이한 경우가 지구궤도를 도는 위성이다. 달이든 인공위성이든 우주정거장이든 일찍이 뉴턴이 지적했듯이 이 모두는 지구를 향해 끝없이 추락하는 사과와도 같다. 지구 주위를 도는 물체에게는 궤도 바깥을 향하는 원심력이 작용한다. 이 힘의 크기는 지구가 물체를 당기는 중력과 정확하게 똑같다. 그 때문에 위성의 궤도가 유지된다. 따라서 위성 자체에는 아무런 힘이 작용하지 않는다. 우주정거장이 무중력인 이유는 이 때문이다. 

등가원리의 이런 성질을 가장 잘 드러낸 영화가 ‘인셉션’이다. 사람의 꿈을 조작한다는 내용의 이 영화에서는 꿈의 층위가 여러 단계로 나뉘어있다. 영화 속 꿈의 1단계에서 픽업트럭이 강으로 자유낙하하는 장면이 있다. 그 순간 트럭 안에 모든 승객은 차량과 함께 무중력상태가 된다. 재미있게도 바로 이 순간 호텔에서 진행되는 꿈의 2단계에서도 모든 세상이 무중력상태로 변한다. 자유낙하하면서 무중력상태에 빠진 꿈의 1단계의 사람들이 다시 꿈을 꾸면 그 2단계 꿈속의 세상에서 중력이 지워진다는 기발한 발상이 영화적으로 아주 훌륭하게 구현되었다. 

영화 속에서 등가원리가 구현된 또 다른 사례가 우주선 속에서의 중력이다. 우주선이 지구 궤도를 돌고 있거나, 주변에 중력을 발휘할 무거운 천체가 하나도 없는 텅 빈 우주공간을 비행하고 있을 때는 우주선 안이 무중력상태이다. 잠시 몇 초, 몇 분 동안이라면 자이로드롭에서처럼 비싼 돈을 주고서라도 그런 상태를 즐겨보고 싶겠지만, 며칠을 무중력의 환경에서 생활한다는 것은 대단히 불편한 일이다. 어쨌든 우리는 한쪽 방향으로 일정한 힘이 작용하는 생태계에서 출현해 오랜 세월 진화하고 적응해 왔기 때문이다. 그렇다면 오랜 시간 우주선 안에서 보내야 할 우주비행사를 위해 인공의 중력을 만들어 지구 표면에서와 똑같은 환경을 만들어줄 필요가 있다. 

영화 ′인터스텔라(2014, 크리스토퍼 놀란)′의 인듀어런스 호. 네이버영화 제공

영화 속에서 등가원리가 구현된 또 다른 사례가 우주선 속에서의 중력이다. 영화 ‘인터스텔라(2014, 크리스토퍼 놀란)’의 인듀어런스 호. 네이버영화 제공

가장 간단하게 인공중력을 만드는 방법은 우주선을 빙빙 돌리는 것이다. 우주선에 원형의 구조물을 만들어 빙빙 돌리면 그 회전에 의한 원심 가속도가 중력가속도와 같게 만들 수 있다. 우주비행사가 그 구조물의 바깥쪽에 발을 디디면 지구 표면에서와 똑같은 중력환경을 느끼게 될 것이다. 우주비행사에게는 우주선의 일부 구조물이 회전하는지 지구 같이 무거운 천체가 중력으로 당기고 있는지를 구분할 능력도 없고 그럴 이유도 없다. 설령 신이 있다 하더라도, 신조차 이 둘을 구분할 수 없다는 것이 등가원리이다. 

이런 이유 때문에 영화 속의 수많은 우주선들은 빙빙 도는 구조물을 갖고 있다. 고색창연한 영화 ‘2001: 스페이스 오디세이’에서부터 ‘인터스텔라’의 인듀어런스호, ‘마션’의 헤르메스호, ‘엘리시움’의 우주구조물까지 똑같은 원리가 적용되었다. 물론 ‘스타워즈’나 ‘승리호’의 우주선과 우주구조물에서는 회전하는 장치가 보이지 않는다. 아마도 우리가 아직 잘 모르는 새로운 중력의 원리를 적용해 손쉽게 중력을 발생시켰기 때문이리라. 

등가원리가 왜 성립하는지에 대해서 아직 우리는 근본적인 이유를 잘 모른다. 엄밀하게 증명하거나 보다 근본적인 원리로부터 유도하지는 못해도 그냥 그러해야 할 것 같고 실제 실험적으로도 잘 성립할 뿐이다. 최근에는 등가원리가 어디까지 성립하는지를 확인하기 위해 인공위성에 시료를 담아 우주에서 실험을 진행하기도 했다. 그 결과는 약 100조 분의 1의 정밀도에서도 여전히 등가원리가 깨지지 않았다.

인공 중력 실험 준비모습. ESA 제공

인공 중력 실험 준비모습. ESA 제공

보통 사람들은 그게 뭐 그리 대단하다고 우주선까지 띄워서 그렇게 미세한 실험을 하려고 할까하고 생각할지도 모르겠다. 그러나 그게 과학자들이 하는 일이다. 그 어떤 위대한 법칙이라도 정말로 모든 상황에서 성립하는지, 얼마의 정밀도까지 확인할 수 있는지를 끝까지 파고든다. 만유인력의 법칙만 해도 태양계 정도의 규모에서는 그 정확성을 쉽게 확인할 수 있지만, 은하 이상의 거대규모나 분자 수준의 아주 미시적인 세계에까지 정확하게 작동하는지는 별개의 문제이다. 실제로 학계에서는 ‘수정 뉴턴 동역학(MOND)’이론을 도입해 우주에서의 각종 현상을 설명하려는 노력도 없지 않다. 

만약 1000조 분의 1의 정밀도에서 등가원리가 성립하지 않는다고 밝혀지면 어떻게 될까? 우선 그 사실을 입증한 연구진은 당연히 노벨상을 받을 것이다. 아마도 이점에 의견을 달리할 물리학자는 거의 없을 것이다. 그 다음 수순으로 등가원리에 기초한 일반상대성이론을 능가하는, 보다 포괄적이며 새로운 이론을 찾아 나설 것이다. 그렇다고 해서 아인슈타인이 완전히 틀린 것인가, 일반상대성이론은 포기해야 하는 것인가 라고 묻는다면 그 답은 부정적이다. 1천조 분의 1의 정밀도에서 성립하지 않는다면 뒤집어서 말해 등가원리가 그보다 낮은 정밀도에서 매우 잘 작동한다는 의미이다. 일반상대성이론도 그 정도까지의 정밀함을 요구하지 않는 수준에서는 매우 잘 작동한다는 뜻이다. 다만 일반상대성이론이 그보다 더 근본적인 어떤 새로운 이론의 근사적인 이론일 뿐임이 드러난 것이다. 새 이론은 보다 근본적이고 포괄적인 이론으로서 일반상대성이론을 자신의 한 극한적인 상황에서의 이론으로 포함하게 될 것이다. 물론 아직 이런 일이 벌어지지는 않았지만, 만약 현실이 된다면 이 얼마나 신나는 일인가. 그래서 과학자들은 확립된 법칙이라 하더라도 끊임없이 검증하고 확인하는 작업을 멈추지 않는다.

과학은 이런 식으로 발전해 나간다. 

1925년의 아인슈타인. 위키미디어 제공

1925년의 아인슈타인(오른쪽). 위키미디어 제공

※참고자료

-A. Einstein, The Collected Papers of Albert Einstein, Vol.7: The Berlin Years: Writings, 1918-1921 (English translation supplement) Page 136, Princeton University Press, 2002; https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol7-trans/152

-Pierre Touboul et al 2019 Class. Quantum Grav. 36 225006; DOI: 10.1088/1361-6382/ab4707.

※필자소개 

이종필 입자이론 물리학자. 건국대 상허교양대학에서 교양과학을 가르치고 있다. 《신의 입자를 찾아서》,《대통령을 위한 과학에세이》, 《물리학 클래식》, 《이종필 교수의 인터스텔라》,《아주 특별한 상대성이론 강의》, 《사이언스 브런치》,《빛의 속도로 이해하는 상대성이론》을 썼고 《최종이론의 꿈》, 《블랙홀 전쟁》, 《물리의 정석》 을 옮겼다. 한국일보에 《이종필의 제5원소》를 연재하고 있다.

 [출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=46186

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15 4월 2021

[물리학][우주최대속도] [사이언스N사피엔스] 이 우주의 속도제한, 그리고 E=mc²

[물리학][우주최대속도] [사이언스N사피엔스] 이 우주의 속도제한, 그리고 E=mc²

[사이언스N사피엔스] 이 우주의 속도제한, 그리고 E=mc²

2021.04.15 17:42

이탈리아 그란사소의 지하실험실에 설치된 거대한 중성미자 검출장치. 오페라 제공

이탈리아 그란사소의 지하실험실에 설치된 거대한 중성미자 검출장치. 오페라 제공

특수상대성이론에서는 상대적인 운동에 대해 물리법칙과 광속이 변하지 않도록 하기 위해 그 대가로 시간과 공간이 변한다. 특히 광속이 그 어떤 상대적인 운동에 대해서도 항상 불변이라는 조건은 우리의 직관경험과 상반되면서도 굉장히 강력한 조건이다. 상대성이론을 잘 모르는 사람들은 어떻게 그런 일이 가능할까 궁금할 것이다. 가령 주행 중인 자동차가 전조등을 켰을 때 그 빛의 속도는 광속에 자동차의 속도가 더해지지 않고 그냥 광속일 뿐이다. 아인슈타인은 상대적인 운동을 어떻게 하더라도 광속이 항상 광속인 그런 수학적인 해법을 찾아낸 것이고 그게 바로 특수상대성이론이다.

문제는 우리가 경험적으로 알고 있는 속도의 셈법이 정확하지 않다는 것이다. 앞선 회차에서 이미 말했듯이 상대적인 운동을 할 때에는 물체의 속도에서 움직이는 좌표계의 속도를 빼 주면 그 좌표계에서의 물체의 속도를 구할 수 있다. 이는 우리 일상의 경험과 일치한다. 이 셈법에서는 빛과 반대방향으로 광속으로 날아가면서 빛을 관측하면 그 빛은 광속의 2배로 진행해야 한다. 1+1=2가 되는 것과 똑같다. 광속불변에 따르면 그런 일은 벌어지지 않는다. 이 경우에도 광속은 여전히 광속이다. 광속불변이 지켜지는 상대성이론에서는 속도를 더할 때 1+1=2가 아니라 1+1=1의 셈법이 작동한다. 원래 우리가 알던 1+1 이라는 계산법에서는 분모에 아무것도 없지만 특수상대성이론의 정확한 셈법에서는 분모가 조금 복잡해진다. 그 복잡한 분모 때문에 1+1=1의 결과가 나온다. 관련된 속도들이 광속에 비해 작은 값이면 복잡한 분모는 거의 1에 가깝기 때문에 우리의 일상경험과 거의 일치하는 결과가 나온다. 또한 정확한 셈법에서는 아무리 상대속도를 더하더라도 광속을 넘어서는 결과가 나오지 않는다. 가령 자동차가 동쪽으로 광속의 90%로 달려가고 홍길동이 서쪽으로 광속의 80%로 달려간다면, 고전역학에서는 홍길동이 자동차가 광속의 170%로 달려가는 것으로 관측한다. 특수상대성이론의 새롭고 정확한 계산법에 따르면 분모가 복잡해져서 1+0.9*0.8=1.72의 값을 나눠줘야 한다. 즉, 홍길동이 관측한 자동차의 속력은 광속의 1.7/1.72=98.8% 밖에 되지 않는다.

일반적으로 새로운 셈법에서는 그 어떤 상대속도의 조합도 광속을 넘지 않는다. 물체의 운동에 대한 역학적인 분석을 해 보면 질량을 가진 물체의 속도가 점점 커지면 그 운동에너지도 점점 커지며, 물체의 속도가 광속에 가까이 다가가면 운동에너지는 무한대로 발산한다. 즉, 질량이 있는 물체를 광속으로 가속하려면 무한대의 에너지가 필요하다. 물리적으로는 불가능하다는 말이다. 한편 질량이 없는 물체는 빛과 마찬가지로 언제나 광속으로 진행한다. 따라서 광속은 정말 이 우주의 특별한 물리상수이면서, 우리 우주에서 물리적인 신호를 전달할 수 있는 제한속도로 작용한다.

광속이 궁극적인 제한속도라는 사실은 지금도 마찬가지이다. 2021년 현재 우리 인류가 알고 있는 과학지식으로는 광속을 넘어서는 물리적 신호는 없다. 이론적으로도 그렇고 실험적으로도 그렇다. SF 영화에서는 우주선들이 수시로 초광속 비행을 한다. 그러기 위해서는 지금 우리가 알고 있는 과학 패러다임을 넘어서는, 완전히 새로운 패러다임의 과학이 전제돼야 한다. 상대성이론과 함께 현대물리학을 떠받치는 또 다른 기둥인 양자역학에서는 상대성이론보다 훨씬 더 신묘한 현상들이 많다. 그러나 아무리 신묘한 양자역학적 현상이 있다 하더라도 광속제한은 여전히 극복할 수 없다. 양자역학의 가장 신기한 현상이라는 얽힘에서는 멀리 떨어져 있는 두 입자의 양자역학적인 상태가 즉각적으로 결정된다. 이를 이용한 양자전송을 흔히 ‘순간이동’이라 표현하면서 초광속으로 즉시 물리적인 신호를 전달할 수 있는 듯이 오해하는 경우가 많다. 사실은 그렇지 않다. 제아무리 양자얽힘이 날고 기어도 광속제한을 벗어날 수는 없다.

지난 2011년 중성미자라는 소립자의 성질을 연구하는 OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) 연구진이 초광속으로 비행하는 중성미자를 관측했다고 학계에 보고해 큰 파장이 일었다.

국제 중성미자 실험그룹인 오페라(OPERA)의 중성미자 속력측정 실험 개념도. 스위스 세른(CERN)에서 생성된 뮤온 중성미자 빔이 730킬로미터 떨어진 이탈리아 그란사소 지하실험실에서 검출된다. 오페라 제공

국제 중성미자 실험그룹인 오페라(OPERA)의 중성미자 속력측정 실험 개념도. 스위스 세른(CERN)에서 생성된 뮤온 중성미자 빔이 730킬로미터 떨어진 이탈리아 그란사소 지하실험실에서 검출된다. 오페라 제공

이 실험은 스위스 제네바에 있는 유럽원자핵연구소(CERN)에서 중성미자 빔을 쏘아 이탈리아의 그랑사소에 있는 검출기에서 관측하는 실험이었다. 중성미자는 질량이 거의 없고 다른 어떤 물질과도 물리적인 반응을 거의 하지 않는 유령 같은 입자이다. 중성미자의 비행거리는 약 730킬로미터였고 비행거리와 시간을 정밀하게 측정하기 위해 GPS까지 동원했다. 이 실험에서 1만6천여 개의 중성미자를 분석한 결과 평균적으로 빛보다 약 61나노초 빨리 비행한 것으로 관측되었다. 이 실험의 측정오차는 거리가 약 20cm, 시간은 약 10나노초에 불과했다. 61나노초면 극히 미세한 차이이지만 전 세계 과학자들을 경악시키기에 충분했다. 만약 이 결과가 사실이라면 현대물리학의 토대가 바닥부터 허물어질 것이기 때문이었다. 그래서 대다수의 과학자들은 OPERA의 결과에 회의적이었다. 지금까지 있었던 많은 다른 중성미자 실험들과 비교해도 초광속의 결과를 믿기 어려웠다. 다른 한편으로는 상대성이론을 조금씩 확장해 중성미자의 초광속 비행을 설명하려는 노력도 적지 않았다.

OPERA 연구진은 후속실험과 함께 혹시나 있을지 모를 실험상의 오류나 오차를 찾기 위해 노력했다. 그러다가 이듬해에 마침내 GPS 위성신호와 컴퓨터를 연결하는 광케이블이 느슨하게 연결된 것을 발견했다. 이 때문에 생긴 시차가 약 73나노초였다. 결국 OPERA의 초광속 중성미자는 이렇게 헤프닝으로 끝나고 말았다. 2012년 6월, 그랑사소에 있는 실험그룹의 대표자가 중성미자의 비행이 광속제한과 일치한다고 발표했다.
 
광속제한을 말할 때면 늘 등장하는 반대제안이 있다. 엄청나게 튼튼한 쇠막대를 준비해서 예컨대 제네바와 그랑사소를 연결한다. 기술적으로 어떻게 가능한지는 따지지 않는다. 마찰력 등도 없다고 가정한다. 제네바에서 충분히 큰 힘으로 쇠막대의 끝을 밀면 그랑사소에서 즉각적으로 (60나노초도 걸리지 않고) 그 신호를 받지 않을까? 아주 그럴 듯하게 들리지만 현실에서는 불가능한 일이다. 쇠막대의 한쪽 끝에 전해진 충격은 쇠막대를 구성하는 분자들을 통해 전달된다. 그런데 분자들 간의 결합은 기본적으로 전자기력이며 전자기력을 매개하는 주역은 다름 아닌 빛이다. 따라서 쇠막대를 통한 신호전달도 광속을 넘어설 수는 없다. 

상대성이론의 트레이드마크는 역시 E=mc²이다. 여기서 E는 에너지, m은 물체의 질량, 그리고 c는 광속이다. 따라서 이 식은 질량과 에너지가 같다는 뜻이다. 다만 그 변환인자가 광속의 제곱일 뿐이다. 보다 일반적인 식은 아래와 같다. 

만약 물체가 정지해 있다면 운동에너지 T=0이 된다. 그 결과가 E=mc²이다. 그러니까 E=mc²은 정지해 있는 물체가 가지는 에너지이다. 이런 개념은 고전역학에 존재하지 않는다. 질량 자체가 에너지로 전환될 수 있다는 사실은 상대성이론의 놀라운 결과이다. 그 놀라운 결과는 20세기 핵에너지의 발견과 개발, 핵무기 투하로 우리 모두가 목격했다. 우라늄 같이 무거운 원자핵이 중성자를 흡수하면 바륨과 크립톤 같은 더 가벼운 입자로 쪼개진다. 이 과정에서 반응 전후의 질량차이만큼이 에너지로 전환된다. 우라늄의 경우 원자핵당 원래 질량의 약 0.1% 정도가 에너지로 방출된다. 이 값이 매우 작아 보이지만 통상적인 화학반응(연소나 폭발 등)에서 나오는 에너지보다 수백만 내지 수억 배 더 크다. 원자핵이 분열할 때 이렇게 큰 에너지가 나오는 것은 질량결손이 에너지로 전환된다는 상대론적 결과가 아니면 설명할 수 없다. 이로써 인류는 역사상 전례 없는 새로운 에너지원을 손에 넣게 되었고 이를 활용한 전쟁무기는 전쟁의 판도를 완전히 바꾸었다. 가장 가까운 미래에 인류가 멸망할 수 있는 가장 유력한 가능성은 (고의적이든 우연적이든) 핵전쟁이다. 이 엄청난 에너지의 원조라 할 수 있는 아인슈타인은 이런 말을 남겼다.

“3차 세계대전에 어떤 무기가 등장할지 나는 잘 모른다. 다만 4차 세계대전에서는 막대기와 돌멩이로 싸우게 될 것이다.”

상대성이론은 단어가 비슷하다는 이유로 흔히 철학에서의 인식론적 상대주의와 혼동되곤 한다. 상대주의는 사람이 처한 상황에 따라 진리 또는 진실이 달라질 수 있다는 생각이다. 언뜻 생각하면 상대성이론에도 비슷한 면이 있다. 상대적인 운동에 따라 시간과 공간이 달라지고 동시성이 달라지고 눈에 보이는 현상이 달라진다. 그러나 상대성이론의 요점은 달라지는 현상이 아니라, 상대적으로 운동함에도 불구하고 변하지 않는 요소, 즉 불변인 요소이다. 그것이 물리법칙과 광속이다. 상대주의의 언어로 말하자면 사람들이 처한 상황이 다르더라도 항상 성립하는 진실의 기준이 있다는 말이다. 그러니까 상대성이론은 상대주의와 정반대의 철학을 갖고 있는 셈이다. 

상대성이론은 20세기 초반 미술의 큐비즘, 즉 입체파에도 영향을 주었다. 대표적인 인물은 그 위대한 피카소이다. 그의 유명한 그림인 ‘아비뇽의 처녀들’이나 ‘우는 여인’ 등을 보면 한 평면에 여러 시점에서 바라본 사람과 사물의 모습이 담겨 있다. 이는 그 이전까지 서양화를 지배했던 원근법을 근본적으로 파괴한 것이다. 피카소를 포함한 입체파는 상대성이론의 영향을 받은 것으로 전해진다. 물론 당시의 화가들이 상대성이론을 세세하고 정확하게 이해하지는 못했겠지만 시공간에 대한 새로운 해석과 접근은 피카소를 포함해 화가들이 공간을 해석하고 표현하는 데에 큰 영감을 주었다고 한다. 2차원 평면에 3차원 공간의 정보를 모두 온전하게 담는 데에는 한계가 있을 수밖에 없다. 입체파는 이 한계를 극복하기 위한 20세기 초반의 혁신적인 도전이었다. 

입체파의 그림을 상대성이론의 언어로 말하자면, 보는 관점에 따라 사람과 사물의 모습이 달라 보이지만, 예컨대 ‘우는 여인’이라는 실체는 변함이 없다. 상대성이론은 시점에 따라 다른 모습에 관한 이론이 아니라, 시점에 따라 다른 모습이 보이더라도 그와 상관없이 항상 똑같은 실체(물리법칙과 광속)에 관한 이론이다. 

우는 여인(통곡하는 여인), 파블로 피카소 1937년작.

우는 여인(통곡하는 여인), 파블로 피카소 1937년작.

※참고자료

-The OPERA collaboration., Adam, T., Agafonova, N. et al. Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam. J. High Energ. Phys. 2012, 93 (2012). https://doi.org/10.1007/JHEP10(2012)093

-“OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso” (Press release). CERN. September 23, 2011.

-Calaprice, Alice (2005). The new quotable Einstein. Princeton University Press. p. 173. ISBN 0-691-12075-7

 

※필자소개 

이종필 입자이론 물리학자. 건국대 상허교양대학에서 교양과학을 가르치고 있다. 《신의 입자를 찾아서》,《대통령을 위한 과학에세이》, 《물리학 클래식》, 《이종필 교수의 인터스텔라》,《아주 특별한 상대성이론 강의》, 《사이언스 브런치》,《빛의 속도로 이해하는 상대성이론》을 썼고 《최종이론의 꿈》, 《블랙홀 전쟁》, 《물리의 정석》 을 옮겼다. 한국일보에 《이종필의 제5원소》를 연재하고 있다.

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=45701

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1 4월 2021

[알아봅시다][물리학][시공간] [사이언스N사피엔스]시간과 공간이 아닌 시공간

[알아봅시다][물리학][시공간] [사이언스N사피엔스]시간과 공간이 아닌 시공간

[사이언스N사피엔스]시간과 공간이 아닌 시공간

2021.04.01 18:17

아인슈타인은 한때 시공간의 구조를 다르게 생각하자고 제안했다. 어떻게 하면 시간여행이 가능하게 될지 상상하고 상대성이론과 충돌하지 않는 논리와 개연성을 타진했다. 영화 백 투 더  퓨처 스틸 컷

아인슈타인은 한때 시공간의 구조를 다르게 생각하자고 제안했다. 어떻게 하면 시간여행이 가능하게 될지 상상하고 상대성이론과 충돌하지 않는 논리와 개연성을 타진했다. 영화 ‘백 투 더 퓨처’ 스틸 컷

‘상대성 이론’이 상대적으로 운동하는 두 관측자가 이 우주를 똑같이 볼 것인가에 관한 이론이라고 소개한 일이 있다. 여기서 ‘똑같음’의 기준이 무엇인지 한번 생각해 볼 필요가 있다. 갈릴레오 갈릴레이식의 고전적인 상대론에서는 간단하게 상대적인 속도만큼 더하거나 빼면 움직이는 좌표계에서의 운동도 쉽게 기술했다. 고전 상대론이 기술하는 현상은 우리의 직관적인 경험과 일치한다. 조금 다르게 말하자면, 고전 상대론에서는 눈에 보이는 현상이 똑같음의 기준이다.

눈에 보이는 현상이 똑같으려면 그 현상의 배경이 되는 시간과 공간이 항상 똑같으면 된다. 이것이 고전적인 뉴턴 역학에서의 절대적인 시간과 공간이다. 서로 상대적으로 운동하는 두 좌표계에 대해 시간과 공간은 절대적으로 똑같다. 이는 굳이 명시적으로 규정하지 않더라도 누구나 암묵적으로 당연하게 여겨 온 사실이었다. 

천재물리학자 알베르트 아인슈타인은 이 모든 것을 뒤집었다. 아인슈타인에게 중요한 것은 눈에 보이는 현상이나 절대적인 시간과 공간이 아니었다. 아인슈타인에게는 물리법칙과 광속이라는 물리상수가 더욱 중요했다. 그 결과 아인슈타인이 자신의 상대성이론을 만들 때에는 상대적으로 운동하는 두 관측자에게 물리법칙과 광속이 똑같을 것을 요구했던 것이다. 이 두 가지가 특수상대성이론의 두 가정이다. 

물리법칙이야 그렇다 치고, 광속이 똑같음의 절대적인 기준이라는 것은 무슨 의미일까? 아인슈타인은 고전 전자기학과 자신의 사고실험을 통해 광속은 물리학에서 아주 독특한 지위(모든 관성좌표계에서 항상 같은 값을 가진다는)를 가지고 있음을 간파했다. 달리 말하자면 광속은 우리 우주의 본질적인 속성을 담지하고 있는 물리상수이다. 즉, 광속은 ‘우주 본연의 언어’인 셈이다. 

반면 시간과 공간은 인간의 언어이다. 인간 자신의 편의를 위해 만든 개념들이다. 인간의 편의를 위한 개념이 우주의 본질을 담지하고 있을 이유는 없다. 인간 자체가 우주에서 그리 중요한 존재가 아니다. 인간의 인식에서도 지구가 우주의 중심에서 밀려난 것이 벌써 수백 년 전의 일이다. 그래도 시간과 공간이라는 개념은 꽤 쓸모가 있어서 적어도 아인슈타인 이전까지는 이 자연과 우주를 과학적으로 기술하는 데에 큰 문제가 없었다. 그러나 우주를 정확하게 기술하려면 역시 우주 본연의 언어를 이용해야 한다. 아인슈타인이 위대한 이유는 우주를 기술할 때 인간의 언어를 버리고 우주의 언어를 선택했기 때문이다. 그 언어는 바로 광속이었다. 그러니까 똑같음의 기준이 바뀐 것은 인간 중심에서 자연 중심으로 바뀐 것이라고도 할 수 있다. 

광속은 빛의 속력으로, 대략 말하자면 빛이 이동한 거리를 그 동안 걸린 시간으로 나누면 구할 수 있다. 즉, 광속이라는 개념에는 시간과 공간이 함께 들어가 있다. 이는 광속이라는 우주의 언어를 시간과 공간이라는 인간의 언어로 ‘번역’ 또는 ‘해석’한 결과라고 볼 수 있다. 갈릴레오와 뉴턴 이래 고전물리학이 한 일은 대체로 이런 방식이었다. 아인슈타인은 이것을 뒤집었다. 우주를 정확하게 기술하려면 우주 본연의 언어를 이용해야 한다. 즉, 시간과 공간이 아니라 광속을 중심에 놓고 자연을 기술해야 한다. 따라서 시간과 공간으로 광속을 이해할 것이 아니라, 광속을 중심으로 시간과 공간을 ‘번역’하고 ‘해석’해야만 한다. 광속불변이라는 특수상대성이론의 두 번째 가정의 진정한 의미는 바로 이것이다. 

이렇게 광속 중심의 관점에서 다시 자연을 바라보면 놀라운 일들이 생긴다. 

1931년 윌슨 산 천문대를 방문한 아인슈타인(왼쪽)이 후커망원경을 들여다보고 있다. 이때 아인슈타인은 52세였다. 동아사이언스DB

1931년 윌슨 산 천문대를 방문한 아인슈타인(왼쪽)이 후커망원경을 들여다보고 있다. 이때 아인슈타인은 52세였다. 동아사이언스DB

첫째, 앞서 말했듯이 광속이라는 개념에는 시간과 공간이 함께 들어가 있다. 따라서 상대적인 운동이 어떠하든 광속이 불변이려면 상대적인 운동에 따라 시간과 공간이 따로따로 놀 수가 없고 모종의 방식으로 서로 얽혀들어야만 한다. 이는 고전역학에서는 있을 수 없는 일이다. 고전역학에서는 시간은 시간이고 공간은 공간일 뿐으로 각각은 서로 독립적이다. 그러나 상대성이론에서는 시간과 공간이 서로 독립적이지 않다. 이들은 하나의 ‘시공간’을 형성해 서로 유기적으로 관계를 맺어야만 한다. 그 결과 상대성이론에서는 1차원의 시간과 3차원의 공간이 따로 존재하지 않고 이들이 하나로 합쳐진 ‘4차원 시공간’을 형성한다. 

둘째, 그 결과 시간과 공간이 운동 상태에 따라 달라진다. 이는 상대적인 운동에 따라 물리법칙과 광속을 항상 똑같이 유지하기 위해 치러야 할 대가이다. 공짜 점심은 없다. 고전역학에서는 눈에 보이는 현상과 절대적인 시간 및 공간을 유지하기 위해 상대적인 운동에 따라 물리법칙(방정식)과 광속이 변했다. 상대성이론에서는 그 반대이다. 결론만 말하자면 움직이는 좌표계의 시간이 늦게 가고 진행방향의 길이가 짧아진다. 고전역학에서는 상상도 못할 일이다. 시간이 느려진다는 것은 정확히 말해 1초의 간격이 길어진다는 뜻이다. 이를 ‘시간 팽창’이라 부른다. 정지한 사람이 봤을 때 움직이는 좌표계 속에서의 모든 것이 ‘슬로우 모션’으로 움직인다. 시간이 팽창하는 정도는 속도의 함수로 주어지는데 광속에 가까울수록 그 효과가 아주 커진다. 반면 우리가 일상에서 접하는 느린 속도(광속에 비해)에서는 시간 팽창효과가 미미하다. 

시간이 팽창하는 딱 그만큼 진행하는 방향의 길이도 짧아진다. 황당한 SF 소설 같은 얘기로 들리겠지만, 모두 사실이다. 지난 100여 년 동안 엄격한 실험과 검증도 모두 통과했다. 예컨대, 소립자 중에 뮤온이라는 입자가 있다. 전자와 모든 물리적 성질이 비슷하지만 질량만 전자보다 200배 남짓 더 무겁다. 뮤온의 수명은 약 백만 분의 2초이다. 뮤온은 우주에서 날아온 입자들에 의해 지구 대기의 상층에서 만들어진다. 고전역학의 관점에서 보자면 뮤온이 광속(초속 약 3억 미터)으로 날아간다 하더라도 수명이 백만 분의 2초니까 비행거리가 겨우 600미터에 불과하다. 많은 수의 뮤온이 대기 상층에서 만들어지더라도 대부분은 금세 다른 입자들로 붕괴해 버리기 때문에 지표면까지 도달하는 뮤온의 개수는 극히 적다. 실제 실험에서는 예상보다 훨씬 많은 수의 뮤온이 지표 근처에서 검출된다. 그 이유는 광속에 가까운 속도로 비행하는 뮤온의 시간이 늦게 가기 때문이다. 즉, 지표면에 가만히 있는 우리에게는 이미 백만 분의 2초가 지났더라도 비행 중인 뮤온의 시계는 천만 분의 2초가 지났을 수도 있다. 그 결과 실제 뮤온은 고전역학에서 예상하는 것보다 훨씬 먼 거리를 날아갈 수 있다.

한편 비행 중인 뮤온의 관점에서는 어떻게 될까? 뮤온과 함께 움직이는 좌표계에서는 뮤온은 정지해 있고 지면이 뮤온에게 빠른 속력으로 다가오고 있다. 이 좌표계에서는 뮤온의 시간이 팽창되지 않는다. 뮤온은 100만분의 2초의 수명을 살 뿐이다. 다만 뮤온과 지면 사이의 길이가 수축된다. 그 결과 뮤온은 짧은 생을 살면서도 지면 가까이에 도달할 수 있다! 지구 대기의 상층에서 만들어진 뮤온이 지표면 가까이 도달할 수 있다는 결과는 똑같지만 그 과정은 지구 표면에 정지한 좌표계와 뮤온과 함께 움직이는 좌표계에서 전혀 다르다. 이처럼 상대성이론에서는 눈에 보이는 현상이 좌표계에 따라 얼마든지 다를 수 있다. 이는 물리법칙과 광속이 어느 관성좌표계에서나 똑같아야만 한다는 조건을 만족하기 위한 대가이다. 

빛원뿔(lightcone). 아인슈타인의 특수상대성이론에 등장하는 수식(오른쪽 박스)을 시간과 공간을 축으로 한 그래프로 그리면 기울기가 빛의 속력(c)인 원뿔 두 개가 머리를 맞댄 모양이 나온다. 이 그래프는 빛에 의해 만들어진 원뿔처럼 생겼다고 해서 ‘빛원뿔’이라고 불린다. 어떤 물리적인 사건이 원점(현재)에서 일어났을 때 세 영역 중 한 곳을 향하게 된다. 빛보다 느리게 진행될 경우 ‘시간꼴 영역’으로(하늘색 화살표), 빛이(또는 빛과 같은 속도로) 운동할 경우엔 ‘빛꼴 영역’으로(주황색 화살표) 빛보다 빠르게 진행될 땐 ‘공간꼴 영역’으로 향한다(회색 화살표). 이중 시간꼴 영역과 빛꼴 영역으로의 진행이 우리 세계에서 일어날 수 있는 경우이며, 이때를 원점의 사건과 나중의 사건이 인과 관계로 연결돼 있다고 한다.

빛원뿔(lightcone). 아인슈타인의 특수상대성이론에 등장하는 수식(오른쪽 박스)을 시간과 공간을 축으로 한 그래프로 그리면 기울기가 빛의 속력(c)인 원뿔 두 개가 머리를 맞댄 모양이 나온다. 이 그래프는 빛에 의해 만들어진 원뿔처럼 생겼다고 해서 ‘빛원뿔’이라고 불린다. 동아사이언스DB

특수상대성이론의 이런 기묘해 보이는 결과들 때문에 예전부터 이와 관련한 수많은 ‘역설’들이 있었다. 이들 역설의 대부분은 특수상대성이론으로 충분히 설명된다. 그중 가장 유명한 것이 쌍둥이 역설이다. 상황은 이렇다. 쌍둥이가 있는데 한 명(갑이라 하자)은 지구에 남고 다른 한 명(을이라 하자)은 우주선을 타고 멀리 있는 별까지 우주여행을 한 뒤에 지구로 다시 돌아온다. 누가 나이를 더 먹을까? 갑의 입장에서는 을이 움직였으니까 을이 나이를 덜 먹는다. 반면 을의 입장에서는 자신은 가만히 있고 갑이 지구와 함께 멀어졌다가 다시 가까워졌으니까 갑이 나이를 덜 먹는다고 여길 것이다. 그렇다면 둘이 지구에서 다시 만났을 때 누가 더 나이를 먹었을까 하는 것이 쌍둥이 역설이다. 

쌍둥이 역설에서 가장 중요한 점은 갑과 을의 관계가 전혀 대칭적이지 않다는 사실이다. 을이 지구에서 멀어지는 좌표계와 지구로 가까워지는 좌표계는 서로 다른 관성좌표계이다. 을이 멀리 있는 별을 찍고 다시 지구로 돌아오는 순간 을은 새로운 좌표계로 갈아 탄 셈이다. 반면 갑은 지구에 계속 머물러 있었으니까 하나의 좌표계에만 남아 있었다. 갑과 을의 이런 차이 때문에 둘은 서로 대칭적이지 않다. 수리적으로 자세히 분석해 보면 을이 나이를 덜 먹는다. 모순이나 역설은 없다. 

과학동아DB

과학동아DB

길이수축과 관련된 역설도 있다. 상황은 이렇다. 10량짜리 고속철이 터널을 지나고 있다. 터널의 길이는 열차 5량의 길이와 똑같다. 지면에 서 있는 사람의 입장에서는 고속철이 아주 빠른 속도로 달릴 때 진행방향으로 길이가 줄어든다. 따라서 고속철이 충분히 빠른 속도로 달린다면 10량짜리 고속철이 열차 5량 길이에 해당하는 터널 속에 완전히 들어갈 수도 있다. 고속철 입장에서는 어떨까? 이 좌표계에서는 고속철이 가만히 있고 터널이 굉장히 빠른 속도로 고속철에 다가오고 있다. 따라서 터널의 길이가 더 짧아진다. 그 결과 고속철이 터널 안에 완전히 다 들어가는 상황은 일어나지 않는다. 왜 두 좌표계에서 서로 다른 현상을 보게 되는 것일까? 누구의 관측이 옳을까? 

특수상대성이론에서는 이 또한 모순이나 역설이 아니다. 상대적으로 운동하는 사람들은 서로 다른 현상을 목격할 수도 있다. 눈에 보이는 것에만 매달려서는 안 된다. 지면에 대해 정지한 좌표계에서는 고속철의 앞끝이 터널의 출구에 이르고 고속철의 뒤끝이 터널의 입구에 이르는 사건이 동시에 일어났다. 그러나 고속철의 좌표계에서는 두 사건이 동시에 일어나지 않는다. 정지좌표계에서나 운동하는 좌표계에서나 광속은 항상 똑같기 때문에 정지좌표계에서 동시에 일어난 일이 운동하는 좌표계에서는 동시에 일어나지 않는다. 동시성을 확인할 물리적 신호인 빛은 좌표계와 상관없이 항상 일정하게 움직이는데 동시성을 따져야 할 사건은 좌표계에 따라 정지해 있거나 움직이기 때문이다. 

변하지 않는 것은 눈에 보이는 현상이 아니다. 물리법칙과 광속이 변하지 않는다. 특수상대성이론에서는 이를 유지하기 위해 다른 모든 것이 변할 수 있다. 

3살 때의 아인슈타인. 위키피디아 제공

3살 때의 아인슈타인. 위키피디아 제공

※필자소개 

이종필 입자이론 물리학자. 건국대 상허교양대학에서 교양과학을 가르치고 있다. 《신의 입자를 찾아서》,《대통령을 위한 과학에세이》, 《물리학 클래식》, 《이종필 교수의 인터스텔라》,《아주 특별한 상대성이론 강의》, 《사이언스 브런치》,《빛의 속도로 이해하는 상대성이론》을 썼고 《최종이론의 꿈》, 《블랙홀 전쟁》, 《물리의 정석》 을 옮겼다. 한국일보에 《이종필의 제5원소》를 연재하고 있다.

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=45312

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29 3월 2021

[천체 물리학] 주변 물질 삼키고 에너지 내뿜는 블랙홀 자기장 모습 첫 포착

[천체 물리학] 주변 물질 삼키고 에너지 내뿜는 블랙홀 자기장 모습 첫 포착

주변 물질 삼키고 에너지 내뿜는 블랙홀 자기장 모습 첫 포착

2021.03.24 23:00

천문학자들이 지구에서 5500만광년 떨어진 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀의 편광을 처음으로 관측하고 영상을 공개했다. 이 영상은 M87 은하 중심 블랙홀 가장자리 영역이 어떻게 편광돼 있는지 보여준다. 편광은 빛이 모든 방향으로 진행되는 게 아니라 한쪽으로만 진행되는 현상으로 블랙홀 가장자리의 강력한 자기장이 영향을 주는 것으로 분석됐다. 이를 통해 에너지를 양쪽 방향으로 강력하게 뿜어내는 ′제트′를 만들어낸다. 아래쪽 나선형의 밝은 선들은 블랙홀 주변의 자기장과 연관된 편광의 방향을 직접 보여주고 있다. 한국천문연구원 제공.

천문학자들이 지구에서 5500만광년 떨어진 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀의 편광을 처음으로 관측하고 영상을 공개했다. 이 영상은 M87 은하 중심 블랙홀 가장자리 영역이 어떻게 편광돼 있는지 보여준다. 편광은 빛이 모든 방향으로 진행되는 게 아니라 한쪽으로만 진행되는 현상으로 블랙홀 가장자리의 강력한 자기장이 영향을 주는 것으로 분석됐다. 이를 통해 에너지를 양쪽 방향으로 강력하게 뿜어내는 ‘제트’를 만들어낸다. 아래쪽 나선형의 밝은 선들은 블랙홀 주변의 자기장과 연관된 편광의 방향을 직접 보여주고 있다. 한국천문연구원 제공.

한국 과학자들이 참여한 국제 연구진이 우주의 블랙홀이 주변 물질을 빨아들이고 막대한 에너지를 방출하는 메커니즘을 설명할 현상을 관측을 통해 발견했다. 2019년 4월 블랙홀 영상이 처음 공개된 데 이어 블랙홀이 주변 물질을 어떻게 흡수하고 고에너지 물질인 ‘제트’를 내뿜는지 관측을 통해 근거를 확인한 건 처음이다.

한국을 포함해 미국, 유럽, 일본, 남미, 아프리카 등 전세계 연구기관 65개, 과학자 300명 이상이 참여하는 국제 공동 프로젝트 ‘사건지평선망원경(EHT)’ 연구팀은 지구에서 5500만 광년 떨어진 처녀자리 은하단의 한가운데에 있는 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀에서 강력한 자기장의 존재를 설명하는 ‘편광’ 현상을 처음으로 관측하고 이 영상을 국제학술지 천체물리학저널 회보에 24일 공개했다.

블랙홀은 사물을 끌어당기는 힘인 중력이 매우 강해 모든 물질을 빨아들이는 천체다. 빛까지 못 빠져나오기 때문에 인간의 눈으로는 볼 수도 없다. 블랙홀은 대부분 물질을 흡수하지만 일부 물질을 방출한다. 블랙홀의 강한 중력에 빨려들어가기 직전 방출되는 물질은 에너지를 양쪽 방향으로 강력하게 뿜어내는 ‘제트’를 생성한다.

편광은 특정 방향으로만 진동하며 진행하는 빛을 뜻하는데 이번에 블랙홀의 가장자리에서 발견된 편광은 블랙홀에 강력한 자기장이 존재한다는 근거로 쓰인다. 강력한 자기장의 영향으로 M87 은하 중심부의 블랙홀에 고에너지 물질의 흐름인 제트가 발생하는 것으로 설명된다.

EHT 이론연구그룹 연구책임자인 제이슨 덱스터 미국 콜로라도볼더대 교수는 “M87 은하 중심 블랙홀 주변의 뜨거운 가스 일부는 가장자리의 강한 자기장의 압력으로 블랙홀 중심의 강한 중력에너지를 이기고 밖으로 밀려 멀리 제트의 형태로 날아간다는 사실을 확인했다”고 밝혔다. 

○편광은 강력한 자기장 존재의 근거

빛을 포함하는 전자기파는 자기장과 전기장이 수직을 이룬 상태에서 진행한다. 특별한 방향성을 주지 않는다면 모든 방향으로 진행한다. 우주의 둥근 천체는 모든 방향으로 동일하게 빛을 발산하기 때문에 이를 관측하면 구 형태를 띤다는 사실을 알게 된다. 외부에서 강한 자기장이 영향을 주면 한쪽 방향으로만 정렬된 전자기파가 나오는데 이를 편광이라고 한다. 블랙홀 가장자리에서 처음으로 관측된 편광으로 강력한 자기장이 존재한다는 사실을 확인할 수 있고 자기장으로 인해 양쪽 방향으로 강한 에너지를 내뿜는 제트가 생성되는 셈이다. 

EHT 연구팀은 앞서 2019년 4월 10일  국제학술지 ‘천체물리학 저널 레터스’에 “2017년 4월 남극, 안데스산맥 등 전 세계 8곳에 있는 전파망원경이 처녀자리 은하단의 한가운데에 있는 M87 블랙홀을 동시에 관측해 그 모습을 처음으로 확인했다”고 발표했다.

이후 M87을 지속적으로 관측하고 분석한 결과 M87 블랙홀 주변의 빛에서 편광을 발견해 이번에 공개한 것이다. 조일제 한국천문연구원 전파천문본부 연구원은 “블랙홀을 직접 보고 연구를 할 수 있게 되면서 빛들이 블랙홀에 의해 어떤 영향을 받는지, 또 아인슈타인의 일반상대성 이론을 검증할 수 있다는 점에서 의미가 있다”고 말했다. 

M87 은하 중심과 주변을 다양한 해상도의 전파망원경으로 편광 관측한 결과를 비교한 영상이다. 맨 위부터 순서대로 HST(광학망원경), 칠레의 밀리미터·서브밀리미터간섭계(ALMA), 세계 각지의 전파망원경으로 하나의 천체를 동시 관측하는 초장기선전파간섭계(VLBI), EHT연구팀이 관측한 M87 은하 중심부 관측 영상이다. 전파망원경의 해상도가 높을수록 블랙홀을 세밀하게 관측할 수 있다. 한국천문연구원 제공.

M87 은하 중심과 주변을 다양한 해상도의 전파망원경으로 편광 관측한 결과를 비교한 영상이다. 맨 위부터 순서대로 HST(광학망원경), 칠레의 밀리미터·서브밀리미터간섭계(ALMA), 세계 각지의 전파망원경으로 하나의 천체를 동시 관측하는 초장기선전파간섭계(VLBI), EHT연구팀이 관측한 M87 은하 중심부 관측 영상이다. 전파망원경의 해상도가 높을수록 블랙홀을 세밀하게 관측할 수 있다. 한국천문연구원 제공.

EHT는 스페인과 미국, 남극, 칠레 등 지구 전역에 흩어진 8대의 전파망원경을 하나의 큰 전파망원경처럼 구현했다. 지구상에서 멀리 떨어진 전파망원경으로 동시에 하나의 천체를 관측하면 마치 하나의 거대한 망원경으로 본 것처럼 해상도가 높아진다. 공개된 관측 영상은 각 전파망원경에 수신된 신호 데이터를 분석하고 이를 물리적으로 구현한 것이다. 마치 TV에 수신된 전파 신호를 영상으로 구현하는 것과 유사하다.

대만 타이페이 천체물리연구원의 박종호 연구원은 “EHT는 현재 새로운 관측소가 추가되고 있고 성능이 향상되고 있다”며 “향후 EHT 관측 연구로 블랙홀 주변의 자기장 구조를 더 정확하게 드러내고 블랙홀 주변 물질의 특성에 대해 더 많은 사실을 알려줄 것으로 기대한다”고 설명했다. 

EHT 한국 연구팀은 한국천문연구원이 일부 지분을 보유한 미국 하와이 제임스클라크맥스웰 망원경(JCMT)과 칠레의 아타카마 대형 밀리미터·서브밀리미터간섭계(ALMA)로 M87 중심 블랙홀 편광 관측 영상을 만드는 데 기여했다. EHT 연구팀에는 국내에서 한국천문연구원 등 총 10명의 한국 연구자도 참여하고 있다. 해외 기관에서 참여하는 한국인 연구자도 4명이다. EHT 한국연구팀을 이끌고 있는 손봉원 천문연 책임연구원은 “천문연이 보유하고 있는 한국우주전파관측망(KVN)을 활용한 관측을 수행하고 있다”고 말했다. 

 

  • 김민수 기자 reborn@donga.com

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=45067

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29 3월 2021

[소립자 물리학] 현대물리학 표준모형 깨지나…과학계 새 입자 ‘렙토쿼크’ 발견 가능성에 주목

[소립자 물리학] 현대물리학 표준모형 깨지나…과학계 새 입자 ‘렙토쿼크’ 발견 가능성에 주목

현대물리학 표준모형 깨지나…과학계 새 입자 ‘렙토쿼크’ 발견 가능성에 주목

2021.03.24 20:00

CERN 제공

유럽입자물리연구소(CERN)의 LHCb 연구팀이 표준모형에 없는 새로운 입자가 존재할 가능성을 발견했다. 사진은 LHCb에서 B 메존 입자가 전자와 양전자로 붕괴되는 모습. CERN 제공

현대 입자물리학의 경전으로 불리는 ‘표준모형’에는 없는 새로운 입자가 발견된 것일까. 유럽입자물리연구소(CERN)의 LHCb 연구팀이 22일 논문 사전 공개 사이트인 ‘아카이브(arXiv)’에 올린 논문이 물리학계를 흥분시키고 있다. BBC는 23일(현지시간) “우리를 둘러싼 세상을 설명하는 가장 정교한 이론인 표준모형에 금이 갈 수 있는 발견”이라고 평가했다. 

표준모형은 물질을 구성하는 기본 입자와 이들 사이의 상호작용을 설명하는 현대 입자물리학의 핵심이론이다. 쿼크 6개와 렙톤 6개, 이들을 매개하는 입자 4개 등 16개의 기본입자와 이들에 질량을 부여하는 힉스까지 총 17개의 입자로 세상의 모든 현상을 설명한다. 

CERN은 2010년 둘레 27km의 거대강입자가속기(LHC)에서 양성자끼리 충돌시키는 실험을 진행해 표준모형의 17개 입자 중 마지막까지 발견되지 않던 힉스를 2012년 발견해 표준모형을 완성시켰다. 그런데 이번에는 표준모형에도 없는 가상의 입자인 ‘렙토쿼크(leptoquark)’의 존재 가능성이 제기된 것이다. 양운기 서울대 물리천문학부 교수(CERN CMS 한국팀 대표)는 “이번 측정 결과가 맞다면 힉스 발견보다 더 큰 발견이 될 수도 있다”고 말했다. 

이번 연구는 LHC의 4개 검출기 중 하나인 LHCb 실험 데이터에서 나왔다. LHCb에서는 바닥쿼크가 다른 쿼크와 짝을 이룬 입자인 B 메존이 생성된다. 표준모형에 따르면 B 메존의 바닥쿼크는 뮤온 2개나 전자 2개로 붕괴되는데, 둘의 발생 확률이 같아야 한다. 

연구팀이 2011~2018년 LHCb의 충돌 데이터를 분석한 결과 뮤온 붕괴가 전자 붕괴보다 15% 더 적게 일어났다. 이는 표준모형에서 설명하는 사건 외에 새로운 종류의 사건이 생길 수 있음을 의미하고, 연구팀은 그 가능성으로 표준모형에는 없는 렙토쿼크라는 입자가 존재할 수 있다고 설명했다. 

연구를 이끈 미테시 파텔 영국 임페리얼칼리지런던 교수는 BBC에 “처음 결과를 확인했을 때 몸을 떨 정도로 흥분했다”며 “표준모형을 넘어선 새로운 발견이라고 단정하기는 이르지만, 입자물리학 연구에 몸담은 20년간 가장 흥미로운 발견임은 확실하다”고 말했다. 

CERN 제공

LHCb 검출기가 설치된 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC) 내부. CERN 제공

렙토쿼크의 존재 가능성이 이번에 처음 제기된 건 아니다. 연구팀은 2년 전에도 동일한 결과를 한 차례 발표한 바 있다. 다만 당시에는 입자 발견의 신뢰도가 2.5시그마(σ)로 낮은 편이었다. 연구팀은 2017~2018년 LHCb의 충돌 데이터를 추가해 데이터 분석량을 80% 늘려 이번에는 신뢰도를 3시그마로 높였다. 이는 1000번 실험할 때 가짜 신호가 한 번 나오는 수준이라는 의미다. 

양 교수는 “입자물리학에서는 입자 발견의 신뢰도가 5시그마일 경우 사실상 발견으로 인정하며, 이는 350만 번 실험에서 가짜 신호가 한 번 나오는 수준”이라며 “이번 발견은 서로 다른 방식으로 상호작용하는 새로운 입자나 힘이 존재할 가능성이 있다는 뜻”이라고 설명했다. 

LHCb 연구진은 내년에 CERN이 LHC를 재가동하면 추가로 데이터를 얻어 분석할 계획이다. 콘스탄티노스 페트리디스 영국 브리스톨대 교수는 BBC에 “인류는 여전히 우주의 많은 부분을 이해하지 못하고 있어 새로운 발견이 기대가 된다”며 “우주를 구성하는 95%의 물질이 무엇인지 모르고, 심지어 물질과 반(反)물질의 비율이 그토록 차이가 나는 이유도 모른다”고 말했다. 

  • 이현경 기자 uneasy75@donga.com

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=45072

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29 3월 2021

[정보과학] 컴퓨터 과학 선구자 앨런 튜링, 호킹 제치고 영국 50파운드 새 지폐 주인공

[정보과학] 컴퓨터 과학 선구자 앨런 튜링, 호킹 제치고 영국 50파운드 새 지폐 주인공

컴퓨터 과학 선구자 앨런 튜링, 호킹 제치고 영국 50파운드 새 지폐 주인공

2021.03.26 13:28

영국 중앙은행인 잉글랜드은행이 25일(현지시간) 앨런 튜링이 새겨진 새 50파운드 지폐를 공개했다. 잉글랜드은행 제공

영국 중앙은행인 잉글랜드은행이 25일(현지시간) 앨런 튜링이 새겨진 새 50파운드 지폐를 공개했다. 잉글랜드은행 제공

영국 중앙은행인 잉글랜드은행이 25일(현지시간) 천재 수학자 앨런 튜링이 새겨진 새 50파운드(약 7만7900원) 지폐 도안을 공개했다. 지폐 뒷면은 튜링이 죽기 3년 전인 1951년 찍은 그의 초상과 서명, 0과 1의 이진법으로 나타낸 생일 코드, ‘튜링 기계’를 나타내는 수학기호 등이 담겼다.

 
튜링은 튜링 기계와 튜링 테스트 등 컴퓨터 개발에 필요한 기초적인 개념을 만들어 ‘컴퓨터의 아버지’ ‘인공지능(AI)의 아버지’ 등으로 불린다. 

튜링의 오른 어깨 옆으로 물결 모양의 띠 안에는 0과 1로 이뤄진 25자리 숫자 ‘1001000111100000111101111’이 등장하는데, 이는 그의 생일인 1912년 6월 23일을 이진법으로 나타낸 것이다. 컴퓨터가 0과 1을 이용해 이진법 연산을 한다는 점에서 컴퓨터 과학의 발전에 기여한 그의 업적을 표현한 것이다. 

튜링은 스스로 생각하고 다양한 작업을 할 수 있는 튜링 기계를 만들고 싶어했는데, 1936년 발표한 논문이 시초로 꼽힌다. 튜링은 논문에서 기계적인 방식으로 참과 거짓을 판단할 수 있는지 수학적으로 입증했고, 이 과정에서 튜링 기계의 개념을 처음 도입했다. 새 50파운드 지폐에 인쇄된 ‘qi’ ‘Sj’ 등이 배치된 행렬식은 논문에 등장하는 튜링 기계의 핵심 논리다. 

이밖에 튜링의 왼 어깨 아래로 그의 서명이 새겨졌고, 지폐 앞장의 위조방지 홀로그램은 컴퓨터 칩 모양으로 디자인해 튜링의 업적을 기렸다. 

잉글랜드은행 제공

영국의 새 50파운드 지폐 뒷면은 앨런 튜링의 초상과 함께 숫자, 수학식 등 그의 업적을 기리는 다양한 요소들로 디자인됐다. 잉글랜드은행 제공

튜링은 제2차 세계대전 당시 영국군 암호해독반에서 독일군 잠수함 부대의 암호체계인 ‘에니그마(Enigma)’를 1시간 만에 해독하는 ‘브리시티 봄베(British Bombe)’를 개발해 연합군의 승리에 결정적인 역할을 했다. 

하지만 튜링의 삶은 불운했다. 전쟁이 끝나자 암호해독 연구는 기밀이 됐고 그는 국가의 감시 대상이 됐다. 1952년에는 동성애 혐의로 기소됐고, 2년 뒤 시안화물 중독으로 죽음을 맞았다. 당시 영국 정부는 그의 죽음을 자살로 결론 냈지만, 역사학자들 사이에서는 지금도 주장이 엇갈린다.

앤드루 베일리 잉글랜드은행 총재는 가디언에 “튜링은 컴퓨터 과학의 선구자이지만 동성애자라는 이유로 가혹한 대접을 받았다”며 “새 50파운드 지폐에 그를 새김으로써 그의 업적과 그의 상징을 축하할 것”이라고 말했다. 

한편 튜링이 새 50파운드 지폐의 주인공으로 낙점된 건 2019년이었다. 당시 천재 물리학자 스티븐 호킹, 정치인이 되기 전에 화학자였던 마거릿 대처 전 영국 총리 등 쟁쟁한 과학자 후보가 989명이나 올라왔지만 이들을 제치고 최종적으로 튜링이 선정됐다. 

튜링이 새겨진 새 50파운드 지폐는 6월 23일부터 유통된다. 현재 50파운드 지폐에는 증기기관을 발명해 18세기 산업혁명을 이끈 제임스 와트가 새겨져 있다.  

  • 이현경 기자 uneasy75@donga.com

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=45138

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21 3월 2021

[천체 물리] 지구 두 차례 위협한 소행성 자전 속도 빨라지고 있다…충돌 위험 커질수도

[천체 물리] 지구 두 차례 위협한 소행성 자전 속도 빨라지고 있다…충돌 위험 커질수도

지구 두 차례 위협한 소행성 자전 속도 빨라지고 있다…충돌 위험 커질수도

2021.03.18 12:55

소행성 ‘2012 TC4’의 3차원(3D) 형상 모형. 긴축이 15m, 짧은축이 8m인 찌그러진 감자 모양이라는 사실은 이번에 처음 확인됐다. 한국천문연구원 제공

소행성 ‘2012 TC4’의 3차원(3D) 형상 모형. 긴축이 15m, 짧은축이 8m인 찌그러진 감자 모양이라는 사실은 이번에 처음 확인됐다. 한국천문연구원 제공

지난 10년간 두 차례 지구를 스치듯 지나간 소행성 ‘2012 TC4’의 자전 속도가 빨라지고 있다는 사실이 처음 확인됐다. 자전 속도 변화는 향후 소행성 궤도에 영향을 줄 수 있어 소행성의 지구 충돌 위험을 예측하는 데 중요하다. 

한국천문연구원은 체코 카렐대와 공동으로 이 같은 내용을 확인해 미국천문학회가 발행하는 ‘천문학 저널(Astronomical Journal)’ 2월 11일자 온라인판에 게재했다고 18일 밝혔다. 

2012 TC4는 2012년 지구에서 약 9만5000km 떨어진 지점을 통과했다. 2017년에는 이보다 더 가까운 달 궤도 안으로 진입해 정지궤도위성이 몰려 있는 고도 3만6000km 바깥 지점인 고도 약 5만km를 지나가며 긴장시켰다. 

그간 2012 TC4는 비주축 자전운동을 한다는 정도만 알려져 있었다. 비주축 자전운동은 팽이가 쓰러지기 전에 비틀거리며 회전하듯 세차운동과 자전이 동시에 일어나는 현상을 말한다. 

천문연은 전 세계 21개 천문대로 이 소행성의 밝기 변화를 추적하는 캠페인을 주도해 관측 데이터를 수집했다. 그 결과 2012~2017년 5년 사이에 소행성의 자전 속도가 18초 빨라졌다는 사실이 확인됐다. 또 이는 소행성이 태양에너지를 흡수하고 재방출하는 과정에서 생기는 ‘요프 효과’ 때문인 것으로 나타났다.    

 

논문의 제1 저자인 이희재 한국천문연구원 박사후연구원은 “자전 주기는 27.8분, 세차 주기는 8.5분으로 빠르게 회전하는 소행성”이라며 “긴축이 15m, 짧은축이 8m인 찌그러진 감자 모양을 하고 있다는 사실도 처음 확인했다”고 말했다. 

이번 연구는 천문연이 추진 중이 소행성 아포피스 탐사에도 도움이 될 전망이다. 아포피스는 2029년 4월 14일 지구에서 매우 가까운 3만1000km 떨어진 지점을 통과할 것으로 예상되면서 천문연은 이 시기에 맞춰 탐사선을 아포피스에 보내는 계획을 추진하고 있다.  

이 박사후연구원은 “아포피스의 경우 최근 지구와의 충돌 확률은 더 낮아진 것으로 알려졌다”며 “탐사 성공률을 높이기 위해 이번 소행성 관측 경험을 토대로 아포피스의 자전 주기와 형상을 더욱 자세히 조사할 계획”이라고 말했다.   

 

 [출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=44871

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18 3월 2021

[알아봅시다][물리][아인시타인] [사이언스N사피엔스]특수상대성 이론이 등장하기까지

[알아봅시다][물리][아인시타인] [사이언스N사피엔스]특수상대성 이론이 등장하기까지

[사이언스N사피엔스]특수상대성 이론이 등장하기까지

2021.03.18 16:00

아인슈타인이 대학 시절을 보낸 스위스 연방공대 전경. 취히리 연방공대 제공

아인슈타인이 대학 시절을 보낸 스위스 연방공대 전경. 취히리 연방공대 제공

20세기 물리학은 그 이전의 19세기 물리학과 많은 면에서 뚜렷하게 구분된다. 흔히 이 둘은 현대물리학과 고전물리학으로 불린다. 현대물리학은 20세기를 거치며 방대한 분야에서 눈부신 성과를 이룩했는데 이를 떠받치는 큰 기둥이 둘 있다. 바로 상대성이론과 양자역학이다. 이 두 분야의 발전에 모두 크게 기여한 사람이 바로 앨버트 아인슈타인이다. 상대성  이론은 아인슈타인이 거의 혼자서 만들었으니 기여도라는 걸 따지는 게 무의미할 정도이다. 양자역학에 대해서는 아인슈타인이 일생을 두고 반대했는데 그 과정에서 양자역학을 옹호했던 과학자들이 아인슈타인을 극복하면서 양자역학이 크게 발전하였다. 

아인슈타인이 특수상대성 이론을 발표한 때는 1905년으로, 1879년생인 아인슈타인이 26세 되던 해였다. 이때 아인슈타인은 스위스 특허청의 심사관으로 일했다. 1900년에 취리히 공대를 졸업한 아인슈타인은 특허청에서 안정적인 직장을 얻기까지 꽤 힘든 시간을 보냈다. 수학, 물리학 과외 교습도 했었고 대학 강사 자리도 알아보고 있었다. 캠퍼스 커플이었던 4년 연상의 밀레바 마리치는 아기를 임신 중이었고 아인슈타인이 특허청에 취직한 1902년 리제를이라는 이름의 딸을 낳았다. 아인슈타인과 마리치가 정식으로 결혼한 것은 1903년이었다. 특허청에서 일자리를 구한 것은 대학시절 절친한 친구였던 마르셀 그로스만의 아버지가 베른의 특허청장과의 친분을 이용해 도와준 덕분이었다. 요즘 유행하는 말로 하자면 ‘친구 아빠 찬스’를 쓴 셈이었다.

1905년은 아인슈타인에겐 ‘기적의 해’로 불린다. 1666년이 뉴턴에게 ‘기적의 해’였다면 말이다. 이해에 아인슈타인은 여러 편의 논문을 썼다. 브라운 운동에 관한 논문은 원자와 분자의 존재를 확증할 수 있는 내용을 담고 있었다. 광전효과(금속에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 현상)에 관한 논문은 1921년 아인슈타인에게 노벨상을 안겼다. 그리고 특수상대성 이론의 효시가 되는 논문도 1905년에 나왔다.  

1905년 아인슈타인의 특수상대성 이론 논문

1905년 아인슈타인의 특수상대성 이론 논문

상대성 이론에는 특수상대성 이론(special theory of relativity)과 일반상대성 이론(general theory of relativity)이 있다. 보통 일상의 언어로는 일반이론이 더 쉽고 특수이론이 더 어려워 보인다. 한번은 모처에서 상대성 이론 강연을 하기로 했는데, 강연 순서를 특수상대성이론-일반상대성이론의 순서로 보냈더니 담당자가 순서가 바뀐 것 아니냐고 내게 되물었다. 물리학에서는 대개 특수한 상황이 물리적으로 더 쉽고 일반적인 상황이 더 어려운 경우가 많다. 상대성 이론에서도 그렇다. 

상대성 이론이란 한마디로, 움직이는 사람과 정지한 사람이 똑같은 물리 현상을 보게 될 것인가에 관한 이론이다. 즉, 상대적으로 운동하는 사람들 사이의 관계에 관한 이론이라고도 할 수 있다. 그 상대적인 운동이 속도가 변하지 않는 등속운동인 경우에 적용되는 이론이 특수상대성 이론이고, 속도가 변하는 운동인 경우에 적용되는 이론이 일반상대성 이론이다.

역사상 상대성 이론이 적용되는 상황이 심각해지는 경우가 있었다. 바로 지구중심설과 태양중심설이 대립할 때였다. 만약 지구가 스스로 돌면서 태양주변을 다시 돌고 있다면 그 위에 살고 있는 우리는 왜 지구의 움직임을 알지 못한단 말인가? 예컨대, 지구가 서쪽에서 동쪽으로 돌고 있다면 나무에서 떨어지는 사과는 나무 바로 아래가 아니라 나무의 서쪽으로 치우쳐 떨어져야 하지 않을까? 17세기까지도 사람들이 코페르니쿠스를 믿지 않고 갈릴레오의 주장을 반대했던 데에는 종교적인 이유만 있었던 것이 아니었다. 갈릴레오는 자신을 향한 이런 논리를 반박하는 데에 《대화》의 지면을 할애했다. 갈릴레오의 논리는 이랬다. 항해 중인 배의 돛대에서 공을 떨어뜨리면 그 공은 배의 뒷면에 떨어지지 않고 돛대 바로 아래에 떨어진다. 왜냐하면 공이 배와 함께 이미 같이 움직이고 있었기 때문이다. 21세기 버전으로 말하자면, 지하철에서 스마트폰을 떨어뜨리면 객차의 뒤쪽으로 밀려 떨어지지 않고 바로 발아래에 떨어진다. 따라서 이런 실험만으로는 배(또는 지하철)가 움직이는지 정지해 있는지 확인할 수가 없다. 지구의 자전도 마찬가지이다. 이런 이유로 갈릴레오는 상대성 이론의 원조로 꼽힌다. 

갈릴레오의 상대성 이론(또는 고전적인 상대성 이론)에서는 상대적인 운동을 하는 두 사람이 물체의 속도를 서로 달리 관측할 뿐 나머지는 모두 똑같다. 예컨대 지하철을 타고 가면서 철길 옆 도로 위를 같은 방향으로 달리는 자동차를 바라보면, 도로 위에서 자동차를 봤을 때보다 훨씬 느리게 움직인다. 왜냐하면 자동차를 관측하는 나 자신이 지하철과 함께 지면에 대해 자동차와 같은 방향으로 움직이고 있기 때문이다. 그러니까, 움직이는 사람이 관측한 물체의 속도는 정지한 사람이 관측한 속도에서 관측자 자신이 움직이는 속도를 빼줘야 한다. 이처럼 고전적인 상대론에서는 상대적인 운동을 하는 관측자들이 물체의 운동을 상대운동의 속도 차이만큼 서로 다르게 볼 뿐이다. 이는 우리의 일상적인 직관경험과 잘 부합한다. 이 체계에서는 상대적인 운동을 하는 관측자들의 눈에 보이는 현상이 본질적으로 달라지지 않는다. 

현대물리학 거장들과 함께한 막스 플랑크(가운데). 좌측부터 발터 네른스트, 알버트 아인슈타인, 막스 플랑크, 로버트 밀리컨, 막스 폰 라우에. 모두 노벨상 수상자들이다. 과학동아DB

현대물리학 거장들과 함께한 막스 플랑크(가운데). 좌측부터 발터 네른스트, 알버트 아인슈타인, 막스 플랑크, 로버트 밀리컨, 막스 폰 라우에. 모두 노벨상 수상자들이다. 과학동아DB

고전 물리학, 특히 전자기학에 정통했던 아인슈타인은 여기에 의문을 품었다. 일화에 따르면 아인슈타인은 청소년 시절부터 빛에 대한 사고실험을 했다. 만약 빛의 속도로 달려가면서 빛을 바라보면 어떻게 될까? 여기서 빛 대신 자동차를 넣으면 그 답이 무엇인지 우리는 쉽게 추정할 수 있다. 자동차와 나란히 달리는 지하철이 자동차와 같은 속도로 진행한다면, 지하철 안의 승객들은 자동차가 정지해 있는 것으로 관측하게 된다. 이 추론을 그대로 연장한다면, 빛의 속도로 날아가는 아인슈타인은 ‘정지한 빛’을 보게 될 것이다. 아인슈타인을 당혹스럽게 만든 것이 바로 이 결론이었다. 빛이 정지한다는 게 대체 무슨 뜻일까?

과학자들은 수 세기에 걸쳐 빛을 연구해 왔고 19세기 중반 제임스 맥스웰의 연구 덕분에 빛은 전자기파의 일종임이 밝혀졌다. 그러나 빛이 정지하는 현상을 어떤 형태로든 본 적이 없었다. 아인슈타인은 빛이 정지한다는 것은 완전히 넌센스라고 생각했다. 한걸음 더 나아가 아인슈타인은 빛은 모든 관성좌표계에서 항상 일정한 속도로만 움직인다고 가정했다. 이것이 이른바 ‘’으로, 특수상대성이론의 2가지 가정 중 두 번째 가정이다. 여기서 관성좌표계란 관성의 법칙이 성립하는 좌표계이다. 하나의 관성좌표계에 대해 속도가 일정한 등속운동을 하는 모든 좌표계는 관성좌표계이다. 

광속불변은 우리의 일상적인 직관경험과 크게 어긋난다. 예컨대 홍길동이 에스컬레이터에서 걸어가면 밖에서 봤을 때는 에스컬레이터가 움직이는 속도와 홍길동이 에스컬레이터에 대해서 걷는 속도가 더해져 홍길동은 더 빨리 움직인다. 만약 홍길동이 에스컬레이터에 서서 스마트폰을 켜면 어떻게 될까? 홍길동이 걷는 경우로부터 유추해 본다면 홍길동의 스마트폰에서 나온 빛은 밖에서 봤을 때 원래의 광속에다가 에스컬레이터가 움직이는 속도가 더해져야만 할 것이다. 경우에 따라서는 정지상태에서의 광속보다 더 빠를 수도 있다. 광속불변이 말하는 바는, 이런 경우에도 빛은 여전히 광속으로 움직인다는 말이다. 광원과 관측자가 어떻게 상대적인 운동을 하든 광속은 변화가 없다. 

또 이 가정에 따르면 19세기 과학자들이 전자기 파동으로서의 빛의 매개물인 에테르가 필요 없다. 에테르의 특이한 성질과 존재여부는 19세기 물리학의 큰 과제 중 하나였다. 에테르를 검출하려는 모든 시도는 실패했는데 특히 1887년 미국의 마이컬슨과 몰리가 간섭계를 이용해 정밀하게 수행했던 실험이 유명하다. 그러나 에테르가 검출되지 않았다고 해서 에테르가 아예 없다고 생각한 과학자는 거의 없었다. 똑똑한 과학자들은 에테르가 존재하더라도 마이컬슨-몰리 실험에서 검출되지 않는 이유와 논리를 만들어낼 수 있었다. 정작 에테르 문제에 대한 해법은 가장 간단한 데에 길이 있었다. 아인슈타인은 그 존재 자체를 부정함으로써 새로운 상대성 이론을 만들어 문제를 원천적으로 해결했다. 

우주에서 최대 속도를 갖는 물질은 빛이다. 아인슈타인의 특수상대성이론은 이를 전제로 한다. 과학동아DB

우주에서 최대 속도를 갖는 물질은 빛이다. 아인슈타인의 특수상대성이론은 이를 전제로 한다. 과학동아DB

특수상대성 이론의 첫 번째 가정은 모든 관성좌표계에서 물리법칙이 똑같다는 내용이다. 이는 언뜻 생각하기에 당연히 그러해야만 할 것 같다. 서로 등속운동하는 두 좌표계는 어느 쪽이 움직이고 어느 쪽이 정지해 있는지를 구분하는 것이 의미가 없다. 오직 상대적인 운동만 의미 있을 뿐이다. 그렇다면 이 두 좌표계에 적용되는 물리법칙이 다를 것이라고 상상하기 어렵다. 문제는 이 평범해 보이는 요구조건이 잘 작동하지 않는다는 점이다. 앞서 소개했던 고전적인 상대성이론을 맥스웰의 전자기론, 즉 맥스웰 방정식에 적용하면 정지한 좌표계와 움직이는 좌표계에서의 맥스웰 방정식이 달라진다. 만약 맥스웰 방정식이 전자기 현상을 설명하는 올바른 물리법칙이라면, 상대적으로 운동하는 두 사람에 대해 전자기 법칙이 달라진다는 뜻이다. 그렇다면 우리가 이 법칙을 과연 ‘자연의 법칙’이라고 부를 수 있을지도 의문이다. 이런 역사적인 배경이 있었기 때문에 1905년의 특수상대성 이론 논문의 제목은 ‘움직이는 물체의 전기동역학에 관하여’였다.

아인슈타인은 이 두 가지 가정으로부터 시작해 수학적으로 일관된 새로운 상대성 이론을 만드는 데에 성공했다. 아예 처음부터 광속 불변을 지켰고 물리법칙의 동일함을 지켰기 때문에 달라져야 하는 것은 상대적으로 운동하는 두 좌표계 사이의 관계, 즉 상대성이론 자체였다. 아마도 많은 사람들은 어떻게 달리는 자동차의 전조등처럼 움직이는 광원의 광속이 여전히 광속으로 유지될 수 있는지 궁금할 것이다.

특수상대성 이론에 따르면 애초에 상대적으로 운동하는 관측자들 사이에서 갈릴레오식으로 속도를 더하고 빼는 셈법이 틀렸다. 그러나 묘하게도 전혀 다른 방식으로 틀리지는 않아서 물체의 속도나 상대속도가 광속에 비해 그리 크지 않으면 갈릴레오의 속도 셈법과 크게 다르지 않다. 또한 새로운 셈법에서는 상대속도를 어떻게 더하거나 빼더라도 광속을 넘어서는 속도를 만들어낼 수 없다. 가령 자동차가 광속으로 달려가면서 전조등을 켜거나, 관측자가 자동차와 반대방향으로 광속으로 달려가더라도 광속은 여전히 광속이다. 아인슈타인이 사고 실험했던 상황에서도 광속은 여전히 광속이다. 그러니까 광속은 우리 우주에서 대단히 특별한 상수라고 할 수 있다. 아인슈타인은 그 중요성을 간파하고 자신의 이론을 세울 때 하나의 가정으로 도입한 것이다. 특수상대성이론은 두 가지 가정으로부터 거의 기계적으로 도출되는 결론이다. 물리학자들이 흔히 말하듯, 중요한 것은 물리적인 내용이지 수학이 아니다. 아인슈타인이 뛰어난 것은 이처럼 물리적인 실체를 꿰뚫어볼 수 있는 위대한 통찰력 때문이다. 

알베르트 아인슈타인. (1897~1966). 미 의회 도서관 제공

알베르트 아인슈타인. (1897~1966). 미 의회 도서관 제공

※참고자료

데니스 오버바이, 《젊은 아인슈타인의 초상》(김한영·김희봉 옮김), 사이언스북스.
 Albert Einstein (1905) “Zur Elektrodynamik bewegter Körper”, Annalen der Physik 17: 891.

※필자소개 

이종필 입자이론 물리학자. 건국대 상허교양대학에서 교양과학을 가르치고 있다. 《신의 입자를 찾아서》,《대통령을 위한 과학에세이》, 《물리학 클래식》, 《이종필 교수의 인터스텔라》,《아주 특별한 상대성이론 강의》, 《사이언스 브런치》,《빛의 속도로 이해하는 상대성이론》을 썼고 《최종이론의 꿈》, 《블랙홀 전쟁》, 《물리의 정석》 을 옮겼다. 한국일보에 《이종필의 제5원소》를 연재하고 있다.

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=44885

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11 3월 2021

[천체물리] 약 130억 광년 밖 초기 우주서 제트 내뿜는 퀘이사 관측

[천체물리] 약 130억 광년 밖 초기 우주서 제트 내뿜는 퀘이사 관측

2021.03.09 00:00

제트 가진 퀘이사로는 가장 멀어…”기록 곧 깨질 것”

제트를 가진 가장 멀리있는 퀘이사 'P172+18' 상상도

[ESO/M. Kornmesser 제공/ 재판매 및 DB 금지]

지구에서 약 130억 광년 떨어진 곳에서 초대질량 블랙홀이 빛에 가까운 속도로 물질을 분출하는 제트 현상이 포착됐다.

이는 우주가 생성되고 약 7억8천만 년밖에 안 된 시점으로, 지금까지 확인된 제트 현상 중 가장 멀리서 관측된 것이어서 초기 우주에 관한 이해를 넓힐 중요한 단서를 제공해 줄 것으로 기대를 모으고 있다.

미국 국립전파천문대(NRAO)와 유럽남방천문대(ESO) 등에 따르면 독일 막스 플랑크 천문학연구소의 에두아르도 바냐도스 박사 등이 참여한 연구팀은 가장 멀리서 관측된 “전파가 밝은”(radio-loud) 퀘이사에 관한 연구 결과를 국제학술지 ‘천체물리학 저널'(The Astrophysical Journal)에 발표했다.

퀘이사(Quasar)는 초대질량 블랙홀이 주변 물질을 빨아들이며 밝은 빛을 내는 ‘활동은하핵'(AGN)을 가진 은하를 가리킨다.

연구팀이 관측한 ‘P172+18’은 퀘이사 중에서도 제트 현상을 보이는 전파가 밝은 퀘이사다. 전파 대역에서 광도의 대부분을 제트가 차지해 제트 현상을 가진 퀘이사를 전파가 밝은 퀘이사로 부른다.

퀘이사 중에는 P172+18보다 더 먼 곳에서 관측된 것도 있지만 제트까지 가진 퀘이사로는 P172+18이 가장 먼 것으로 기록됐다. 퀘이사 중에서는 약 10%만 제트 현상을 보인다.

P172+18는 지난 2015년 하와이 할레아칼라 천문대의 전천(全天) 탐사 광학 망원경인 ‘판-스타스'(Pan-STARRS)를 통해 가시광으로 처음 포착돼 퀘이사 후보에 올랐다. 이후 전파망원경 배열인 칼 G. 잰스키 초대형배열(VLA) 등을 통해 같은 위치에서 전파원이 확인됐으며, ESO의 초거대망원경(VLT) 등을 동원한 후속 관측을 통해 블랙홀의 질량과 주변 물질을 빨아들이는 속도 등이 확인됐다.

연구팀은 P172+18의 블랙홀이 태양 질량의 3억 배에 달하는 초대질량 블랙홀로 주변 물질을 빠르게 빨아들이고 있으며, 지금까지 관측된 것 중 가장 빠른 속도로 덩치를 키우고 있다고 밝혔다.

연구팀은 P172+18의 초대질량 블랙홀이 급속히 팽창하는 것과 강력한 제트 사이에 연관성이 있는 것으로 추정하고 있다.

제트가 블랙홀 주변의 가스를 불안정하게 만들어 블랙홀로 떨어지는 가스의 양을 늘렸을 수 있다는 것인데, 이런 퀘이사를 연구함으로써 빅뱅 이후 초기 우주에서 초대질량 블랙홀이 등장할 수 있었던 과정을 이해할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 앞으로 극대망원경(ELT) 등 첨단 망원경이 가동되면 P172+18과 같은 전파가 밝은 퀘이사를 더 많이, 더 멀리서 발견하게 될 것으로 전망했다.

바냐도스 박사는 “이번 관측을 통해 P172+18가 세운 거리 기록이 곧 깨질 것으로 낙관하고, 믿고있으며, 그렇게 되길 희망한다”고 했다.

연합뉴스

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=44592

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28 2월 2021

[영상·음향+]화성 탐사선 퍼시비어런스 ‘공포의 7분’과 화성의 바람소리

[영상·음향+]화성 탐사선 퍼시비어런스 ‘공포의 7분’과 화성의 바람소리

2021.02.23 12:31

NASA 제공

NASA 제공

이달 19일 화성에 착륙에 성공한 미국항공우주국(NASA)의 화성 탐사로버 퍼시비어런스가 화성으로 내려가는 순간을 촬영한 동영상이 공개됐다. 퍼시비어런스의 낙하산이 펴지는 장면부터 감속을 위해 엔진을 분사하며 화성의 지표면에 먼지 바람이 이는 장면이 생생하게 잡혔다. 화성의 소리를 담은 퍼시비어런스의 첫 녹음도 공개됐다.

 

NASA가 23일 공개한 영상에는 퍼시비어런스가 착륙하는 ‘공포의 7분’이 생생하게 담겼다. 영상은 퍼시비어런스를 담은 캡슐이 화성 상층 대기권에 시속 2만 100km로 진입한 뒤 230초 후 시작된다. 화성 표면에서 11km 떨어진 지점이다. 가로 46cm, 세로 66cm로 압축됐던 낙하산이 1초 만에 21.5m 너비로 펴지면서 감속을 시작한다. 이후 화성 대기에 들어가면서 퍼시비어런스를 대기 마찰열로부터 보호한 열 보호 방패가 화성으로 떨어져 나간다. 퍼시비어런스와 로버를 표면에 내려놓을 스카이크레인이 외부로 노출되는 순간이다.

분화구가 곳곳에 퍼져 있는 화성의 표면이 생생하게 보인다. 화성에 점차 다가갈수록 바람 자국이 생긴 화성 표면이 드러난다. 화성 표면에 2130m까지 다가가자 감속을 위해 스카이크레인에 달린 8개의 역추진 엔진이 분사되면서 표면에 먼지 바람이 일어난다. 스카이크레인에 나일론 줄로 매달린 퍼시비어런스의 알루미늄 바퀴가 시속 2.6km 속도로 표면에 접촉하자 스카이크레인이 충돌을 피하려 가속하며 먼 곳으로 떠나는 모습까지 담겼다.

마이클 왓킨스 NASA 제트추진연구소(JPL) 임무책임자는 “우리는 마침내 화성에 착륙하는 동안 ‘7분의 공포’라고 부르는 장면을 맨 앞 열에서 보게 됐다”며 “낙하산이 폭발로 열리는 것부터 착륙할 때 먼지와 파편이 날아가는 장면에 이르기까지 정말 경외심을 불러일으킨다”고 말했다.

화성에 착륙한 퍼시비어런스의 옆 모습을 카메라로 촬영했다. NASA 제공

화성에 착륙한 퍼시비어런스의 옆 모습을 카메라로 촬영했다. NASA 제공

영상은 캡슐과 스카이크레인, 퍼비시어런스에 있는 5개 카메라에서 촬영됐다. JPL은 로버 하강과 착륙 과정을 보여주는 사진 2만 3000여 장과 30기가바이트 정보를 수집했다고 밝혔다. 다만 로버에 부착한 마이크는 하강 중 소리를 담는 데 실패했다. NASA는 “시각 장애가 있는 우주 팬들의 경험을 향상시키고 전 세계인의 참여를 유도하고 영감을 주기를 바랬다”며 마이크를 차량에 추가한 이유를 밝혔다.

하지만 로버에 달린 다른 마이크는 살아남았다. 퍼시비어런스는 20일 자신이 착륙한 예저로 분화구에서 들리는 소리를 녹음해 지구로 보냈다. NASA가 23일 공개한 분화구의 소리를 들어 보면 퍼시비어런스의 기계음 너머로 화성의 바람 소리가 희미하게 들린다.

퍼시비어런스가 녹음한 화성의 바람 소리와 퍼시비어런스 기계음 포함(https://soundcloud.com/nasa/first-sounds-from-mars-filters-out-rover-self-noise)

퍼시비어런스가 녹음한 화성의 바람 소리(퍼시비어런스 기계음 제거 https://soundcloud.com/nasa/first-sounds-from-mars-filters-out-rover-self-noise)

퍼시비어런스는 착륙 후 항법용 돛대(마스트)를 수직으로 세웠다. 돛대는 수평으로 누인 상태로 발사됐었다. 마스트에는 주변을 고화질로 촬영할 마스트캠-Z가 장착됐다. 로버가 보내온 파노라마 사진을 보면 화성의 지평선이 선명한 가운데 지형 대부분이 바위가 드문드문 있는 흙 바닥인 것이 확인된다.

퍼시비어런스가 마스트캠을 활용해 촬영한 화성의 파노라마 사진이다. NASA 제공

퍼시비어런스가 마스트캠을 활용해 촬영한 화성의 파노라마 사진이다. NASA 제공

NASA는 퍼시비어런스 시스템과 주변 환경에 대한 초기 관측을 이어갈 계획이다. NASA JPL은 22일 퍼시비어런스에 장착된 7개 장비 중 5개를 확인하고 화성환경역학분석기로 첫 기상 관측을 수행했다.

스티브 주르지크 NASA 국장 대행은 “화성에 어떻게 착륙하는지, 왜 그렇게 어려운지, 또 얼마나 멋진 일인지 궁금해하는 사람들을 위해 우주 탐사 역사상 가장 상징적인 시각 자료를 제공했다”며 “차량을 제작하고 화성으로 가는 데 필요한 놀라운 공학 수준과 정밀성을 강화했음을 보여준다”고 말했다.

  • 조승한 기자 shinjsh@donga.com

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=44203

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