22 7월 2022

[새로운과학뉴스][물리] [사이언스샷] 제임스 웹 우주망원경, 135억년 전 은하까지 포착했다

[새로운과학뉴스][물리] [사이언스샷] 제임스 웹 우주망원경, 135억년 전 은하까지 포착했다

[사이언스샷] 제임스 웹 우주망원경, 135억년 전 은하까지 포착했다

기존 최고 기록보다 1억년 앞당겨

 
제임스 웹 우주망원경으로 포착한 135억년 전 은하인 GLASS-z13. 우주가 탄생한 지 3억년 밖에 지나지 않았다./NASA

제임스 웹 우주망원경이 첫 컬러 영상을 발표한지 1주일 만에 우주 관측 사상 가장 오래된 은하를 발견하는 데 성공했다. 추가 관측을 통해 확증되면 최고(最古) 은하 기록이 1억년 더 앞당겨진다.

스위스 제네바대의 파스칼 외시 교수와 미국 하버드-스미스소니언 천체물리학연구소의 로한 나이두 박사 연구진은 지난 20일(현지 시각) 논문 사전 출판사이트 아카이브(arXiv)에 “제임스 웹 우주망원경으로 135억년 전 은하인 GLASS-z13을 발견했다”고 밝혔다.

빅뱅 3억년 지난 초기 우주 포착

제임스 웹은 미국과 유럽, 캐나다가 25년간 13조원을 들여 개발한 사상 최대 크기의 우주망원경이다. 올 1월 지구에서 150만㎞ 떨어진 관측 지점에 도착했다. 미 항공우주국(NASA·나사)은 지난 12일 지난 6개월 동안 제임스 웹 우주망원경이 포착한 우주 컬러 사진 5가지를 세상에 공개했다.

우주는 138억년 전 대폭발(빅뱅·Big Bang)로 탄생했다. 이번 연구진이 포착한 은하의 나이는 빅뱅이 일어난 지 3억년밖에 되지 않았다. 지금까지 최고 기록은 외시 교수가 2015년 허블 우주망원경으로 큰곰자리에서 발견한 GN-z11로, 빅뱅 이후 4억년 전 지난 134억년 전의 은하로 확인됐다.

 
134억년 전 은하인 GLASS-z11(위)과 135억년 은하 GLASS-z13 (아래)./하버드-스미스소니언 천체물리학연구소

나사는 앞서 제임스 웹의 관측 결과를 처음 발표하면서 “제임스 웹 우주망원경은 빅뱅 직후인 135억년 전의 초기 우주까지 관측할 수 있을 것”이라고 기대했다. 1주일 만에 당시 예측이 실현된 셈이다.

연구진은 이번에 135억년 전의 은하 GLASS-z13과 함께 GN-z11과 비슷한 나이의 GLASS-z11도 발견했다. 두 은하는 이미 태양 10억 개에 맞먹는 질량으로 성장한 것으로 보인다고 연구진은 밝혔다.

특히 GLASS-z11은 이미 나선형 원반 구조까지 형성해 초기 은하에서 별이 예상보다 빨리 생성됐음을 보여줬다. 두 은하의 크기는 작다. GLASS-z13은 지름이 1600광년(1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞)이며 GLASS z-11은 2300광년이다. 이에 비해 우리은하는 지름이 10만광년에 이른다.

 
조 바이든 미 대통령이 12일 공개한 제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 영상. 지구에서 40억광년(1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 SMACS 0723 은하단이다. 멀리서 온 빛을 증폭하고 휘어지게 하는 중력렌즈 역할을 해 초기 우주에서 온 빛을 확인할 수 있다./NASA

적색편이 현상 관측해야 확증 가능

같은 날 이탈리아 국립천체물리학연구소의 마르코 카스텔라노 박사 연구진도 역시 아카이브에 제임스 웹 관측을 토대로 GLASS-z13이 가장 오래된 은하라고 발표했다.

과학자들은 앞으로 제임스 웹 우주망원경이 빅뱅 이후 2억년 이내의 초기 우주까지 관측할 수 있을 것이라고 기대했다. 지난 31년 동안 작동한 허블 우주망원경은 가시광선을 주로 감지하지만, 제임스 웹은 적외선까지 포착할 수 있기 때문이다. 가시광선은 별이 탄생하는 우주 먼지와 구름 지역을 통과하기 어렵지만 파장이 긴 적외선은 이를 통과할 수 있다.

연구진은 이번 연구 결과를 확증하기 위해 제임스 웹의 추가 관측이 필요하다고 밝혔다. 이번에는 은하에서 나온 빛의 파장을 기준으로 밝기를 비교했다. 과학자들은 오래된 은하의 나이를 확실하게 알려면 빛을 성분별로 분석하는 분광(分光) 관측이 필요하다고 본다. 이른바 적색편이(赤色偏移)를 알아내는 방법이다.

적색편이는 우주 팽창 자체 때문에 빛의 파장이 길어지는 현상이다. 1923년 미국의 천문학자 에드윈 허블은 은하의 파장이 예상했던 것보다 더 긴 붉은색 쪽으로 치우친 것을 발견했다. 이를 통해 허블은 우주 팽창을 확인했다.

우주 팽창이 적색편이를 유발하는 것은 구급차의 사이렌 소리와 비교하면 알 수 있다. 사이렌을 울리는 구급차가 다가오면 소리가 높게 들리지만, 지나쳐 멀어지면 소리가 낮아진다. 낮은 소리는 파장이 길다. 마찬가지로 빛을 내는 천체가 관측자로부터 멀어지면 빛의 파장이 길어진다.

[출처] https://www.chosun.com/economy/science/2022/07/22/ZF62HE4DUJD3RJJPA547SKFYLU/

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13 7월 2022

130억 광년 태초의 빛…제임스웹 망원경 첫 풀컬러 사진 공개

130억 광년 태초의 빛…제임스웹 망원경 첫 풀컬러 사진 공개

중앙일보

입력 2022.07.12 18:06

업데이트 2022.07.13 02:18

미항공우주국이 첫 공개한 제임스웹 우주망원경으로 찍은 SMACS 0723 은하단 이미지. [AP=연합뉴스]

미항공우주국이 첫 공개한 제임스웹 우주망원경으로 찍은 SMACS 0723 은하단 이미지. [AP=연합뉴스]

 “팔을 뻗으면 닿을 수 있는 거리에 있는 모래 한 알. 그 크기 만한 밤하늘 한 조각 속에 빛나고 있는 수천 개의 은하들. 이들은 지금까지 관측할 수 있었던 그 어느 천체보다 가장 멀리 있으면서도 가장 선명하고 모습을 드러냈다.”  138억 년 우주 역사 속 첫 별의 비밀을 밝힌다는 제임스웹우주망원경(JWST)의 첫 번째 관측 이미지를 빌 넬슨 미국 항공우주국(NASA) 국장은 이렇게 표현했다.

미국 항공우주국(NASA)이 JWST가  관측한 첫 번째 총 천연색 이미지들을 정식으로 공개했다. 11일 오후(현지시간) 조 바이든 미국 대통령이 백악관에서 주최한 공개행사에서 JWST의 첫 관측 사진 한 장을 맛보기 삼아 공개한 데 이어, 다음날 오전 NASA가 첫 이미지를 포함, 총 5장의 이미지를 정식으로 발표했다.
조 바이든 미국 대통령은 “오늘은 역사적인 날”이라면서“천문학에 대한 과학기술과 인류 전체를 위한 우주탐사에 있어 역사적인 순간”이라고 말했다.

그래픽=김경진 기자 capkim@joongang.co.kr

그래픽=김경진 기자 capkim@joongang.co.kr

11일 백악관에서 공개한 첫 사진 속에는 지구에서 46억 광년 떨어진 은하단 ‘SMACS 0723’의 이미지를 중심으로 130억 광년 떨어진 초기 우주 은하들이 함께 나타났다. ‘SMACS 0723’은하단이 중력렌즈 역할을 하면서, 그 뒤로 가려져 있던 130억 광년 너머 초기 은하의 모습이 붉고 길죽하게 휘어진 모습을 하고 있다. 양성철 한국천문연구원 책임연구원은 “사진 전체에 걸쳐서 보이는 희미하고 작은 점들은 중력렌즈 효과와 관계없이 관측된 초창기 은하일 가능성이 높다”고 말했다.

제임스웹우주망원경이 찍은 남쪽고리성운 [사진 NASA]

제임스웹우주망원경이 찍은 남쪽고리성운 [사진 NASA]

사진은 JWST의 근적외선 카메라(NIRCAM)로 촬영한 것으로, 서로 다른 파장의 이미지들을 총 12시간 반의 노출을 통해 만들었다. 이번 사진과 유사해 보이는 허블우주망원경의 울트라딥필드 사진은 JWST보다 해상도가 낮을 뿐 아니라, 촬영하는데만 수주 이상의 시간이 걸렸다. 중력렌즈 효과로 드러난 은하단 뒤의 초기 우주천체 또한 잡히지 않았다.

임명신 서울대 물리천문학부 교수는 “JWST가 우주 천체 역사의 시초를 보여줄 것이라고 기대했는데, 첫 번째로 공개된 사진이 바로 JWST의 그런 능력을 보여주고 있다”고 말했다.
NASA는 이날 ‘SMACS 0723 은하단’ 외에도 지구에서 7600광년 떨어져 있는 용골자리 대성운(Carina Nebula)과 남쪽고리성운, 스테판 5중주 은하군의 이미지와 1150광년 떨어진 외계 거대행성 WASP-96b의 대기 성분 분석 자료를 추가로 공개했다.

제임스웹우주망원경이 찍은 스테판 5중주 은하군. [사진 NASA]

제임스웹우주망원경이 찍은 스테판 5중주 은하군. [사진 NASA]

JWST은 빅뱅 직후인 우주 최초의 별을 관측하는 것 외에도, 태양계 밖 외계행성 속 생명의 존재 가능성을 찾는 임무도 가지고 있다. 12일 공개한 외계 거대행성 WASP-96b의 대기 분석 자료가 이에 해당한다. 외계 행성의 대기에서 나오는 적외선을 JWST에 실린 분광기를 이용해 분석하는 방법이다. 외계행성 대기 구성 성분에서 대기 구성 성분에서 메탄과 산소 같이 공존이 불가능한 대기 성분이 대량으로 발견되면 생명체가 존재한다고 판단할 수 있다. 이번 외계행성 WASP-96b의 대기분석에서는 생명의 흔적을 찾을 수는 없었지만, 과거 관측에선 알 수 없었던 구름ㆍ연무에 대한 증거와 함께 물을 의미하는 뚜렷한 특징 또한 포착됐다. WASP-96b는 봉황자리에 위치한 거대 가스 행성으로, 질량은 목성의 절반 정도다. 2014년 발견된 이 행성은 3∼4일의 공전 주기로 항성을 돈다.

임명신 서울대 교수는 “케플러우주망원경이 그간 수많은 외계행성의 존재를 발견해왔다면 이제는 머잖아 생명이 실제 살아있는 외계행성 발견을 통해 지구가 거대 우주 속에 유일하게 생명체가 살고 있는 곳이 아님을 밝혀줄 것”이라고 말했다. 그는 또 “우주 탄생 2억~3억 년 뒤 만들어진 첫 별은 수소와 헬륨으로만 구성돼 있다고 예측되는데 JWST은 그 우주 탄생의 비밀을 풀어줄 것”이라고 덧붙였다.

제임스웹우주망원경이 찍은 용골자리 대성운. [사진 NASA]

제임스웹우주망원경이 찍은 용골자리 대성운. [사진 NASA]

JWST은 허블우주망원경의 대를 이을 차세대 적외선 우주망원경으로, 지난해 12월25일 크리스마스에 남미 프랑스령 기아나의 쿠루 우주기지에서 아리안-5 로켓에 실려 발사됐다. 최종 목적지는 지구에서 150만㎞ 떨어진 라그랑주 포인트 L2 지점이다. 태양과 지구의 중력이 균형을 이루는 곳이기 때문에 천체망원경이 태양을 중심으로 지구와 나란히 공전할 수 있다. 이 덕분에 관측하려는 천체를 지속적으로 들여다 볼 수 있다. 지구궤도를 90분에 한 번씩 돌면서 같은 사진을 여러 번 찍어 빛을 모으는 방식으로 특정 우주 지점을 관찰하는 허블우주망원경과는 차원이 다른 방식이다. 지난 2월 라그랑주 포인트 L2 지점에 안착한 JWST는 그동안 자세 제어와 온도조절 등 기능 안정화 작업을 해왔다.

외계 거대행성 WASP-96b의 대기성분 분석. 자료:NASA

외계 거대행성 WASP-96b의 대기성분 분석. 자료:NASA

[참고] https://www.joongang.co.kr/article/25086345

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31 8월 2021

[새로운 과학 뉴스][생물] 자손 낳는 인공생명체 세계 첫 탄생

[새로운 과학 뉴스][생물] 자손 낳는 인공생명체 세계 첫 탄생

자손 낳는 인공생명체 세계 첫 탄생

2021.03.30 00:00

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미국 크레이그 벤터 연구소가 생명을 유지하면서 동시에 세포 분열을 통해 자손 번식까지 할 수 있는 진정한 의미의 인공생명체 ‘JCVI-syn3A’를 합성하는 데 성공했다. 사진은 전자현미경으로 관찰한 JCVI-syn3A의 세포 분열 과정. NIST/MIT 제공

스스로 생명을 유지할 뿐 아니라 자손 번식까지 가능한 진정한 의미의 인공생명체가 세계 최초로 탄생했다. 미국 크레이그 벤터 연구소는 국립표준기술연구소(NIST), 매사추세츠공대(MIT) 비트및원자센터와 공동으로 스스로 성장한 뒤 균일하게 분열하는 인공생명체 ‘JCVI-syn3A’를 합성하는 데 성공했다고 국제학술지 ‘셀’ 29일자에 발표했다. 

크레이그 벤터 연구소 연구진은 2016년 생명체가 살아가는 데 필요한 최소한의 유전자 473개로 구성된 단세포 인공생명체 ‘JCVI-syn3.0’를 합성했다. JCVI-syn3.0은 아데닌(A), 구아닌(G), 티민(T), 시토신(C) 등 4종류의 염기를 인공적으로 조합한 염기쌍 53만1000개로 이뤄졌다. 

JCVI-syn3.0은 생명체가 살아가는 데 필수적인 최소한의 유전자만 갖추고 생존할 수 있음을 보여 생명체의 기본 조건을 갖춘 것으로 평가 받았지만, 자손 번식에서는 크기와 형태가 고르지 못하게 분열하는 등 한계를 드러냈다.  

연구진은 5년간 세포 분열에 관여하는 유전자 7개를 포함해 총 19개의 유전자를 찾아내 JCVI-syn3.0에 추가했다. 그 결과 세포 분열을 일으켜 세대 증식이 가능한 인공생명체 JCVI-syn3A를 만드는 데 성공했다. JCVI-syn3A의 모세포에서 증식한 딸세포는 크기와 형태, 유전자 구성에서 완전히 일치했다.

연구진은 NIST의 특수 전자현미경을 이용해 살아있는 이를 확인했다. MIT 연구진은 전자현미경 관찰이 진행되는 중에도 JCVI-syn3A에 영양분을 공급해 세포 분열이 계속 일어나도록 돕는 일종의 ‘미니 아쿠아리움’을 설계했다.    

이대희 한국생명공학연구원 합성생물학전문연구단 책임연구원은 “살아있는 생명체는 세포 분열을 통해 모세포와 동일한 딸세포로 증식할 수 있어야 한다”며 “생명 유지뿐 아니라 증식도 가능해졌다는 점에서 JCVI-syn3A는 진정한 의미의 인공생명체에 더 가까워졌다”고 말했다. 

JCVI-syn3A는 JCVI-syn3.0에 유전자 19개가 추가돼 유전자가 총 492개이지만, 4000여 개를 보유한 대장균이나 3만 개 수준인 인간 세포와 비교하면 훨씬 ‘슬림’하다. 인공생명체 중에서는 여전히 최소한의 유전자를 보유 있다. 

인공생명체 ‘JCVI-syn3A’의 개념도. 2016년 만든 인공생명체 JCVI-syn3.0에 세포 분열에 관여하는 유전자 7개 등 유전자 총 19개를 추가해 만들었다. NIST/Emily Pelletier 제공

JCVI-syn3A처럼 게놈을 직접 디자인해 인공생명체를 만드는 합성생물학 연구는 최근 세계적으로 주목받고 있다. 인공생명체 기술을 이용해 식품, 약물, 연료 등 유용한 물질을 경제적으로 생산할 수 있기 때문이다. 안전성도 담보된다. 이 책임연구원은 “기존 미생물을 이용해 의약품을 제작하는 경우 인체에 유해한 유전자가 들어있을 수 있어 사용 승인을 얻기가 까다롭다”며 “인공생명체를 이용할 경우 이런 점에서 훨씬 자유롭다”고 말했다. 

국내에서도 합성생물학 연구가 진행 중이다. 이 책임연구원은 지난해부터 박테리오 파지의 게놈을 인공적으로 합성하고 있다. 올해는 KAIST와 공동으로 인공생명체 제작 플랫폼을 구축하는 ‘K-바이오파운드리(Biofoundry)’도 본격적으로 시작한다.  

이 책임연구원은 “무수한 염기 조합을 자동으로 생성하는 바이오파운드리 로봇을 도입해 인공생명체 설계와 제작을 자동화할 계획”이라며 “DNA 합성 비용이 계속 저렴해지고 있는 만큼 머지 않아 바이오파운드리를 이용해 원하는 미생물을 만들고 이를 이용해 약물을 개발하는 시대가 올 것”이라고 전망했다.  

  • 이현경 기자 uneasy75@donga.com

[출처] https://www.dongascience.com/news.php?idx=45191

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29 8월 2021

[새로운 과학뉴스][생물] 인체세포 뚫는 코로나 바이러스 스파이크 단백질 생산과정 밝혀졌다

[새로운 과학뉴스][생물] 인체세포 뚫는 코로나 바이러스 스파이크 단백질 생산과정 밝혀졌다

인체세포 뚫는 코로나 바이러스 스파이크 단백질 생산과정 밝혀졌다

2021.08.25 18:30

사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2). 미국 국립알레르기전염병연구소(NIAID) 제공

사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2). 미국 국립알레르기전염병연구소(NIAID) 제공

신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19)을 유발하는 사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2)는 인체 세포에 침입하면 유전체를 복제하고 이 복제된 유전체를 이용해 바이러스 껍데기와 효소가 되는 단백질을 생성한다.

국내 연구팀이 이 과정을 고해상도로 측정해 바이러스의 단백질 생성 효율을 조절하는 새로운 인자를 찾아냈다. 이 인자는 바이러스가 인체 세포에 침투할 때 필요한 ‘스파이크 단백질’ 생성과 연관이 있는 것으로 나타나 향후 인자를 표적으로 하는 치료제 개발이 기대되고 있다.

박만성 고려대 의대 교수와 김윤기 고려대 생명과학과 교수, 백대현 서울대 생명과학부 교수팀은 사스코로나바이러스-2가 인체 세포가 침입한 후 일어나는 유전체 발현 변화의 양상을 측정한 연구결과를 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 25일자에 소개했다.

바이러스가 단백질을 생성하는 것은 2단계 과정을 거친다. 유전체에서 필요한 부위(유전자)의 리보핵산(RNA)만 읽어 일종의 ‘사본’에 해당하는 RNA를 따로 만든다. 유전체에서 단백질을 만들 때 필요한 중간 매개 유전물질인 ‘전사체(mRNA)’다. 유전체가 일종의 ‘바이러스의 종합 설계도’라면 전사체는 ‘불필요한 부분을 뺀 ‘핵심 설계도’ 사본에 해당한다. 

김빛내리 기초과학연구원(IBS) RNA연구단장과 장혜식 연구위원, 김동완 연구원팀은 앞서 지난해 4월 ‘전사체’ 전체를 해독한 결과를 국제학술지 ‘셀’에 발표했다. 당시 바이러스의 유전체을 해독한 연구는 기존에도 보고된 일이 있지만, 바이러스 유전자의 정확한 위치와 수, 특성까지 정확히 밝힌 것은 처음이다.

TIS-L의 기능을 저해함으로써 사스코로나바이러스-2유전자 발현을 교란하여 바이러스의 감염성을 억제하려는 전략에 대한 모식도이다. 한국연구재단 제공

TIS-L의 기능을 저해함으로써 사스코로나바이러스-2유전자 발현을 교란하여 바이러스의 감염성을 억제하려는 전략에 대한 모식도이다. 한국연구재단 제공

박만성 ·김윤기 ·백대현 교수팀은 전사체 해독에서 더 나아가 ‘번역체’를 해독했다. 번역체는 전사체를 해독해 단백질을 생산하는 과정의 종합적 양상을 뜻한다. mRNA로부터 단백질이 생성되는 번역 과정은 그동안 많이 알려지지 않았다. 연구팀은 차세대 염기서열해독기술이 활용해 사스코로나바이러스-2 감염 후 시간별로 유전체의 번역과 전사 양상을 측정하고, 번역체 지도를 그렸다.

연구팀은 번역체 지도에서 바이러스의 단백질 생성 효율을 조절하는 신규 인자인 ‘TIS-L’을 발굴했다. TIS-L은 코로나19 백신의 주요 표적인 스파이크 단백질을 비롯해 바이러스 단백질들의 번역 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 백대현 교수는 “기존에 연구자들이 잘 주목하지 않았던 지역에서 번역이 가장 활발하게 일어났다”며 “이를 표적으로 한 치료제 개발의 단초가 될 수 있다. 후속 연구를 진행 중”이라고 말했다.

연구팀은 인간 유전자의 발현 패턴 변화도 함께 분석했다. 그 결과 인체 세포가 사스코로나바이러스-2에 감염된 후 8시간까지인 감염 초기에 세포 스트레스와 관련한 유전자들이, 그 이후에는 면역 반응과 관련한 유전자들이 크게 반응함을 확인했다. 연구팀은 “바이러스의 병태생리학적 기전을 이해하기 위한 실마리를 제공했다”고 밝혔다.

왼쪽부터 김윤기 고려대 생명과학과 교수와 박만성 고려대 의대 교수, 백대현 서울대 생명과학부 교수. 한국연구재단 제공

왼쪽부터 김윤기 고려대 생명과학과 교수와 박만성 고려대 의대 교수, 백대현 서울대 생명과학부 교수. 한국연구재단 제공
  • 고재원 기자 jawon1212@donga.com

[출처] https://www.dongascience.com/news.php?idx=48945

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24 8월 2021

[사이언스N사피엔스] 방사능의 발견

[사이언스N사피엔스] 방사능의 발견

2021.08.19 12:00

과학자 커플의 대명사인 퀴리 부부. 1906년 피에르가 교통사고로 47세에 사망하면서 마리 퀴리는 힘든 나날을 보냈다. 동아사이언스DB

과학자 커플의 대명사인 퀴리 부부. 1903년 방사능 발견 공로로 베크렐과 함께 노벨물리학상을 공동으로 수상했다. 피에르는 마차사고로 47세에 유명을 달리했다. 동아사이언스DB

독일의 기계공학자이자 물리학자인 빌헬름 뢴트겐은 1895년 진공관과 음극선을 연구하다 우연히 X선을 발견했다. 19세기 중반 이후 진공관과 음극선은 과학자들의 최고의 장난감으로 꼽혀왔다. 많은 과학자들이 미지의 이 신상 아이템을 연구하기 위해 몰려들면서 우연한 과학적 발견들이 쏟아졌다. 프랑스의 앙리 베크렐도 그 중 한 명이다. 그는 뢴트겐이 음극선을 연구하다 전혀 엉뚱한 X선을 발견한 것처럼  X선을 연구하다 전혀 엉뚱한 방사능을 발견했다.

베크렐은 인광체가 X선과 관련이 있다고 생각했다. 인광체는 태양에 노출시켰다가 어두운 곳으로 옮겨도 한동안 빛을 낸다. 이때 X선도 함께 나올 수도 있다고 생각해 이를 확인하는 실험을 진행했다. 베크렐은 여러 종류의 인광체를 햇빛에 노출시켰다가 검은 종이로 감싼 사진건판을 곁에 가져다 놓았다. 이 실험에서 베크렐은 예상했던 결과를 얻었다. 사진건판에는 인광체의 흔적이 고스란히 남았다. 인광체에서 아마도 X선과 비슷한 뭔가가 나왔을 것이다. 그러나 구리 같은 금속은 통과하지 못했다. 

잇따른 실험에서 베크렐은 흥미로운 결과를 얻었다. 날씨가 흐려 인광체가 충분히 햇빛에 노출되지 않아 시료를 모두 실험실에 보관했는데 얼마 뒤에 보니 사진건판에 뚜렷한 흔적이 남았다. 그 뒤에는 아예 시료를 암실에 두고 결과를 분석했다. 베크렐은 우라늄을 포함한 인광염에서 햇빛 노출여부와 상관없이 사진건판에 흔적을 남기는 결과를 얻었다. 이것이 방사능의 발견으로 1896년의 일이었다. 

방사능(radioactivity)이라는 말을 만든 사람은 폴란드 출신으로 파리 소르본대에 유학 중이던 마리아 스크워도프스카였다, 마리아는 거기서 피에르 퀴리를 만나 결혼(1895년)했고, 이후 마리 퀴리로 더 널리 알려지게 된다.

방사능이란 한 마디로 말해 입자나 파동의 형태로 에너지를 방출하는 성질이나 능력을 말한다. 이때 방출되는 입자나 파동의 흐름을 ‘방사선’이라 하고, 이런 성질을 가진 물질을 ‘방사성 물질’이라 부른다. 보통 불안정한 상태의 원자핵을 가진 원소가 보다 안정적인 상태로 바뀌는 과정에서 방사선을 방출한다. 마리가 X선과는 다른 새로운 현상에 관심을 갖고 역청우라늄광을 연구하던 1890년대 말에는 아직 원자핵 등과 같은 원자의 내부구조에 대한 이해가 전혀 없을 때였다. 마리가 박사과정 연구를 본격적으로 시작했던 1897년에야 겨우 영국의 물리학자 조지프 톰슨이 전자를 발견했다. 영국의 물리학자 어니스트 러더퍼드가 원자핵을 발견한 것은 1911년의 일이다. 

마리에게 박사학위 논문 주제로 방사능을 추천한 것은 다름 아닌 베크렐이다. 마리는 역청우라늄광에서 우라늄보다 더 강력한 방사선이 나온다는 사실을 알아냈다. 이는 그 안에 우라늄보다 더 강력한 방사능을 가진 모종의 원소가 숨어 있음을 뜻한다. 마리는 남편 피에르와 함께 역청우라늄광에서 강력한 방사능을 가진 미지의 원소를 분리하기 위해 노력했다. 그렇게 각고의 노력 끝에 마리와 피에르는 두 원소를 분리하는 데 성공했다. 하나는 마리가 자기 조국의 이름을 따서 폴로늄(Po, 84)이라 붙였고 다른 하나는 라듐(Ra, 88)이라 붙였다. 방사능을 발견하고 연구한 공로로 베크렐과 마리와 피에르 부부는 1903년 노벨물리학상을 함께 수상했다.

베크렐이 전체 연구업적에서 2분의 1을 기여한 공로가 마리와 피에르가 각각 4분의 1을 기여한 공로가 인정됐다. 같은 해 마리 퀴리는 박사 학위를 받았다. 마리와 피에르가 엄청난 성과를 낸 연구실은 비가 새는 헛간을 약간 개조한 공간이었다. 

마리 퀴리. 1934~1867

마리 퀴리. 1934~1867

하지만 불행히도 1906년 피에르가 마차 사고로 유명을 달리했다. 길을 건너다 현기증으로 쓰러진 피에르를 마차가 덮쳤는데, 이를 두고 현기증의 원인이 방사선 때문이지 않을까 추측하기도 한다.

1911년 마리는 새로운 두 원소 폴로늄과 라듐을 발견한 공로로 노벨화학상을 단독으로 수상했다. 물리학상, 화학상, 생리의학상 등 세 개의 과학 분야 노벨상 가운데 서로 다른 분야에서 노벨상을 둘 이상 수상한 경우는 아직까지도 마리가 유일하다. 마리를 제외하고는 존 바딘이 같은 학문 분야인 물리학상에서 2회(1956, 1972; 모두 공동), 프레데릭 생어가 화학상에서 2회(1958 단독, 1980 공동), 라이너스 폴링이 화학상(1954년 단독)과 평화상(1962 단독)을 받은 것이 복수 수상자의 전부이다. 

나중에 기회가 되면 다시 설명하겠지만, 마리의 딸인 이렌 졸리오퀴리는 자신의 남편 프레데릭 졸리오와 함께 1935년 노벨화학상을 받았다. 새로운 방사성 원소를 합성한 공로였다. 그러니까 마리 집안에서만 네 명의 노벨상 수상자가 나온 셈이다. 부모와 딸과 사위가 노벨상 수상자인 경우는 전무후무하다. 

좌로부터 피에르 퀴리와 큰딸 이렌, 그리고 마리퀴리. 위키미디어 제공

좌로부터 피에르 퀴리와 큰딸 이렌, 그리고 마리퀴리. 위키미디어 제공

방사능이 발견된 뒤에도 한동안은 그 정체나 메커니즘이 정확하게 밝혀지지 않았다. 멀쩡한 시료에서 에너지가 방출되니 에너지보존법칙이 파괴된다고 여기는 사람도 있었다. 물론 에너지는 여전히 보존된다. 원자 안에서 무슨 일이 일어나는지 정확하게 이해하려면 상대성이론과 양자역학이 필요하다. 이는 20세기로 넘어가야 한다. 방사선에도 여러 종류가 있다는 사실은 20세기가 시작되기 전에도 알려져 있었다. 당시에는 그 정체를 정확히 알지 못했다. 그래서 편의상 알파, 베타, 감마 하는 식으로 불렀다. 지금도 여전히 방사선의 대표주자는 알파선, 베타선, 감마선이다. 아마도 동양의 과학자가 이름을 붙였다면 갑·을·병을 썼을지 모르겠다. 

알파선은 양성자 둘과 중성자 둘로 이루어진 헬륨의 원자핵이다. 베타선은 전자이고 감마선은 파장이 아주 짧은 전자기파이다. 감마선의 파장은 X선보다 더 짧다. 인체에 해로운 영향을 미치는 것이 바로 이들 방사선이다. 베타선, 즉 전자의 흐름은 얇은 금속판으로도 막을 수 있다. 헬륨 원자핵은 전자보다 수천 배 더 무겁고 더 크다. 그래서 종이 한 장 정도로도 막을 수 있다. 반면 감마선은 투과력이 아주 좋아서 두꺼운 콘크리트나 납덩어리가 필요하다. 알파선은 투과력이 낮아 안심해도 될 것 같지만, 만약 알파선을 내는 방사성 물질이 몸 속으로 들어온다면 사정이 달라진다. 방사선의 내폭에 따른 세포손상 위험도 항상 염두에 둬야 한다.

서로 다른 종류의 방사선이 존재함을 확인하고 알파, 베타, 감마라는 이름을 붙인 과학자는 러더퍼드였다. 그는 뉴질랜드 출신의 물리학자로서 장학금을 받고 영국 캐번디시연구소로 갈 수 있었다. 그때는 뢴트겐이 X선을 발견한 1895년이다. 러더퍼드는 이듬해 베크렐이 방사능을 발견하자 곧 연구에 착수해 서로 다른 성질의 두 가지 방사선인 알파선과 베타선이 있음을 알아냈다. 

러더퍼드는 그뒤 1898년 캐나다 몬트리올의 맥길대의 연구교수로 자리를 옮겼다가 미국 예일대를 거쳐 1906년 다시 영국의 맨체스터대로 돌아왔다. 맥길대에 있는 동안 러더퍼드는 영국 출신의 과학자 프레데릭 소디와 함께 방사능 현상을 심도 있게 연구했다. 그 결과 방사성 원소는 방사선을 방출하면서 원래와는 다른 원소로 변환된다는 사실을 알아냈다. 

이는 당시로는 대단히 놀랍고도 과감한 주장이었다. 왜냐하면 주기율표의 원소는 결코 변하지 않는 불변의 존재로 여겨졌기 때문이다. 원소가 이렇게 바뀌는 것은 중세의 연금술에서나 가능한 일이다. 러더퍼드는 소디와 함께 방사능이 자연의 연금술사임을 규명한 셈이다. 

원소의 분열과 방사능 물질의 화학에 관한 연구 업적을 인정받아 1908년 노벨 화학상을 수상한 어니스트 러더퍼드. 위키미디어 제공

원소의 분열과 방사능 물질의 화학에 관한 연구 업적을 인정받아 1908년 노벨 화학상을 수상한 어니스트 러더퍼드. 위키미디어 제공

러더퍼드는 방사성 원소가 일정한 시간이 흐르면 기하급수로 그 존재량이 줄어듦을 확인했다. 방사능이라는 현상이 어떤 원소에서 입자와 파동의 형식으로 에너지가 빠져나가는 현상이고 그 양은 원래 원소의 총량에 비례하므로 원래의 방사성 원소의 양은 시간에 따라 기하급수로 줄어든다는 사실은 쉽게 예상할 수 있는 결과이다. 이때 원래 양의 절반이 줄어드는 데에 결리는 시간을 반감기라고 한다. 갑상선암의 원인으로 알려져 있는 아이오딘131의 반감기는 8일이다. 요즘 한창 유명한 삼중수소는 12.3년이다. 스트론튬90은 29년, 세슘137은 30년, 탄소14는 5,730년이다. 염라대왕의 뜻을 담고 있는 플루토늄239의 반감기는 2만4천년이고 천연 우라늄의 대부분을 차지하는 우라늄238의 반감기는 45억년이다.

러더퍼드는 이 공로로 1908년 노벨화학상을 단독으로 수상했다. 소디 역시 동위원소의 존재를 확인했는데 그 공로가 인정돼 1921년 노벨화학상을 단독으로 받았다. 두 사람은 원자 내부에 화학 반응에서 얻을 수 있는 에너지보다 훨씬 더 큰 에너지가 있다고 추론했다. 

러더퍼드는 영국으로 다시 돌아온 뒤 역사적으로 유명한 알파입자 산란실험을 통해 1911년 원자핵을 발견했다. 이 업적으로 노벨물리학상을 다시 줘도 되지 않을까 싶은데 그런 일이 일어나지는 않았다. 지금 우리는 원자 안에 전자와 원자핵이 있고, 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 이루어져 있음을 잘 알고 있다. 또 방사능이란 불안정한 원자핵이 각종 방사선을 내놓으면서 보다 안정된 원자핵으로 바뀌는 과정(방사성 붕괴)이라는 사실도 이해하고 있다. 그러나 러더퍼드가 원자핵을 발견한 것이 겨우 1911년이었으니까 (중성자는 1932년 발견) 러더퍼드와 소디는 원자핵이라는 개념도 없을 때 이미 방사능 현상의 본질을 꿰뚫어보고 있었던 것이다. 

방사능 발견과 연구의 선구자였던 베크렐과 퀴리(마리가 아니라)의 이름은 방사능의 세기를 나타내는 단위에 남아 있다. 1베크렐(Bq)은 1초에 원자핵 하나가 붕괴하는 세기이다. 퀴리(Ci)도 기본적으로 베크렐과 다르지 않으나 그 단위가 조금 다를 뿐이다. 즉, 1퀴리는 37기가베크렐(GBq), 즉 370억 베크렐과 같다. 그러니까 1퀴리는 매초 370억 개의 원자핵이 붕괴하는 세기이다. 이처럼 베크렐과 퀴리는 방사성 물질, 즉 방사선을 내는 원인물질의 세기를 측정하는 단위이다. 이와 달리 시버트(Sv)는 방사선이 인체에 미치는 영향을 측정하는 단위이다. 베크렐이 같더라도 시버트는 다를 수 있다. 

방사선· 방사능 단위. 한국원자력의학원 제고

방사선· 방사능 단위. 한국원자력의학원 제공

※참고문헌

-The Nobel Prize in Physics 1903. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021. Sat. 31 Jul 2021. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1903/summary/

-존 그리빈, 《사람이 알아야 할 모든 것 과학》(강윤재·김옥진 옮김), 들녘.
-Nobel Prize facts. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021. Sat. 31 Jul 2021. https://www.nobelprize.org/prizes/facts/nobel-prize-facts

-E. Rutherford and F. Soddy, “The Cause and Nature of Radioactivity”, Philosophical Magazine Series 6, 4(1903).

 
 

※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] https://www.dongascience.com/news.php?idx=48814

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5 8월 2021

[새로운 과학뉴스] [김우재의 보통과학자] 얼마나 많은 논문이 잘못됐을까

[새로운 과학뉴스] [김우재의 보통과학자] 얼마나 많은 논문이 잘못됐을까

[김우재의 보통과학자] 얼마나 많은 논문이 잘못됐을까

2021.07.15 14:00

게티이미지뱅크 제공

게티이미지뱅크 제공

”일단 조사는 할 수 있는 만큼 해야 된다고 보고요. 왜냐하면 우리나라 교수 사회가 이 문제에 대해서 아직도 심각하게 생각하지 않는 것 같아요. 예를 들어서 부모하고 추억을 쌓는 문제고 내 자식인데 너무 뛰어났다. 이런 식으로 인터뷰하는 교수들이 대부분이고 잘못했다라고 한 사람이 없더라고요. 이건 제 생각에는 처벌 규정이 너무 낮고요. 교수 사회가 가지고 있는 그 어떤 인식이 너무 낮다. 국민들한테 이런 학계가 얼마나 잘못돼 있고 이런 걸 알리기 위해서라도 교육부가 한 20년치 정도 다 조사를 했으면 좋겠습니다.” -김우재, CBS 김현정의 뉴스쇼 인터뷰 중

황우석이 쏘아 올린 학술생태계의 도덕적 해이

학자가 일반 시민보다 청렴하지 않다는건 이제 상식이 됐다. 한국 사회에서 학술논문의 조작이 사회적인 이슈가 된건 2005년 황우석 사태가 시초다. 황우석 전 서울대 교수는 존재하지도 않는 줄기세포로 논문을 쓴 것도 모자라, 저명한 국제학술지인 사이언스에 논문을 게재했다. 국내의 과학자들도, 해외의 심사위원들도, 황우석 사단 내부의 고발자가 등장하기 전까지 논문조작을 아무도 눈치채지 못했다. 논문 조작을 알아낼 확실한 방법은 지금도 존재하지 않는다. 여전히 과학기술 분야에서 논문 조작은 내부 고발이나 누군가의 제보를 통해서만 그 실체를 드러낸다.

얼마나 많은 과학기술 분야의 논문이 조작되었는지 아무도 정확하게 짐작하지 못한다. 하지만 게재된 논문의 철회를 감시하는 사이트인 ‘리트랙션워치’가 발표한 통계에 따르면 논문이 게제된 이후 철회되는 비율은 약 0.02% 즉, 1만 편의 논 문 중 약 2 편 정도가 철회되는 정도다. 또한 한 편의 논문이 철회된다고 해서 해당 교신저자가 발표하는 논문의 숫자는 줄어들지 않는다고 한다. 게다가 논문이 철회된 교신저자의 다른 철회되지 않은 논문의 인용빈도수에는 아무런 변화가 없었다. 물론 여러번 논문철회를 당한 저자의 경우, 여러가지 학계에서의 제재를 통해 논문출판의 빈도수가 줄어들긴 했지만, 시간이 지나면서 논문수는 다시 정상으로 돌아오는 경향성을 보였다. 즉, 과학기술계의 논문철회는 저자의 논문출판에 어느정도 영향을 미치긴 하지만, 심각한 정도로 경력에 영향을 주지는 않는 것으로 보인다.

2006년 미국세포생물학 학술지인 ‘세포생물학저널(The Journal of Cell Biology)’은 2002년부터 게재 승인된 논문의 사진을 전수 조사해서 사진 조작의 흔적을 찾고 있다. 그리고 출판이 완료된 논문의 4분의 1에서 하나 이상의 조작의 흔적을 발견했다. 학술지의 연구윤리 지침을 위반하는 사진 편집의 흔적을 가진 논문이 25%나 되었던 것이다. 물론 대부분의 논문에 실린 사진은 저자들이 보유하고 있던 원본 사진에 의해 의혹이 해소됐고  논문의 내용이나 결론을 바꿀만한 성질의 것이 아니었지만, 전체 게재 승인된 논문 중 약 1%의 논문은 명백한 부정행위를 저지른 것으로 알려졌다. 즉, 아무리 심사위원들이 열심히 논문을 검수해도 저명한 학술지에 실리는 논문의 약 1%는 명백한 논문 조작임에도 출판된다는 뜻이다.

물론 과학기술 논문을 둘러싼 데이터 조작 문제는 뉴턴과 멘델, 그리고 유명한 밀리컨의 기름방울 실험에 이르기까지 역사적으로 오랫동안 나타난 주제다. 그리고 과학교과서와 과학의 진보가 증명하듯이, 과학기술계에서의 논문조작은 과학이라는 학문의 방법론적 체계만 제대로 작동한다면 과학이라는 학문의 진보에 큰 영향을 미치지 못한다. 물론 그건 논문이 과학기술계에서 발표되었을 때의 이야기다.

논문표절이라는 뜨거운 감자

과학기술 분야의 논문조작은 인문사회과학 분야에선 논문 표절로 나타난다. 그리고 한국사회는 언젠가부터 고위관료 청문회나 선거철만 되면 논문표절이라는 뜨거운 감자에서 단 한번도 자유로운 적이 없었다. 표절이 문제가 되는 상당수 논문은 과학기술논문이 아닌 인문사회과학과 예체능계열에서 나타난다. 최근 논란이 되고 있는 대선후보자 배우자의 학위논문 표절 역시 인문사회과학 분야의 논문이다. 논문표절은 이제 청문회의 단골소재가 된 위장전입처럼 한국의 고위층을 비롯한 학계 전반에 너무나 널리 퍼진 도덕적 해이의 전형적인 사례가 됐다.

논문표절을 찾아내는건 아주 쉬운 일이다. 이제 한국에선 대학생 리포트조차 표절검사기를 돌려야만 제출할 수 있을 정도니, 이번 대선후보의 배우자 논문처럼 논문표절검사가 불가능하던 시절의 논문이 아니라면, 적어도 이제 한국학계에서 논문표절은 불가능한 일이 됐다. 문제는 논문을 둘러싼 도덕적 해이가 다른 문장과 데이터를 베끼는 표절에만 있는게 아니라는 데 있다. 학술생태계에서 논문은 일종의 화폐로 사용된다. 즉, 학계에 종사하는 연구자에게 논문은 자신을 표현할 수 있는 거의 모든 것이다. 따라서 모든 연구자는 논문을 출판하기 위해 전력을 다한다. 하지만 좋은 학술지에 실을 수 있는 논문의 수는 제한되어 있고, 연구자의 숫자는 계속해서 늘어나고 있다. 

예를 들어 몇 년전 한국사회를 발칵 뒤집었던 전 법무부장관의 딸이 쓴 논문은, 논문표절이나 조작은 아니지만 저자자격을 두고 큰 문제가 됐고, 거대야당 대표의 아들이 서울대에서 발표한 포스터 역시 고등학생 수준으로 석사학위생이나 할 수 있는 그런 연구의 대표저자가 될 수 있느냐의 여부가 문제가 됐다. 한 명문대 교수는 본인 실험실 대학원생을 시켜 자기 자식의 논문실험을 대신해주었다가 교수직을 박탈당했고, 서울대를 비롯한 한국 교수들이 본인 자식을 논문저자로 등록했다가 들통난 사건은 이미 유명한 이야기가 됐다. 만에 하나 한국 교수들이 본인 자식이 아니라 친구나 지인의 자식들을 논문 저자로 등재한 것까지 전수조사 한다면, 한국의 교수사회는 풍지박산이 날 것이라는 말이 있을 정도로, 우리 사회에서 논문은 학자들의 학술발표용 도구가 아니라, 무한경쟁 사회 속에서 계급사다리를 오르기 위해 사용되는 자본주의의 도구가 되어버렸다.

지금 대선후보의 배우자 논문을 매일 공격하는 국회의원들 역시 표절에서 자유롭지 않다. 한국의 정치인 대부분은 국민의 혈세로 만들어지는 정책자료집을 베끼고 또 베끼는 것으로 유명하다. 심지어 이렇게 표절로 작성되는 정책자료집은 철회도 되지 않고, 국회의원직 유지에도 아무런 영향을 미치지 않는다. 논문표절처럼 국회의원 정책자료집 또한 디지털화해서 표절검사기를 돌려야 한다. 

학문이 당장 실용적으로 사회에 기여할 필요는 없다. 하지만, 학문이 언젠가 사회에 기여하려면, 연구는 진실해야 한다. 하지만 이제 학술생태계의 논문은 경쟁을 위한 도구로 전락해버렸고, 논문표절과 데이터조작은 너무나 당연한 일상이 됐다. 게티이미지뱅크 제공

학문이 당장 실용적으로 사회에 기여할 필요는 없다. 하지만, 학문이 언젠가 사회에 기여하려면, 연구는 진실해야 한다. 하지만 이제 학술생태계의 논문은 경쟁을 위한 도구로 전락해버렸고, 논문표절과 데이터조작은 너무나 당연한 일상이 됐다. 게티이미지뱅크 제공

학술생태계가 논문의 도덕적 해이에서 벗어나는 방법

도덕적으로 가장 신성해야할 대학이 연구부정행위는 물론 교수의 갑질, 청소노동자 학대에 이르기까지 도덕적으로 타락한 장소가 됐다는 건 매우 처참한 일이다. 문제는 이런 대학의 도덕적 해이에도 불구하고, 여전히 우리 사회는 뉴스에 잠시 분노할 뿐, 이런 문제의 궁극적 해법을 찾는데에는 관심이 없다는 점이다. 학문이 바로 사회를 바꾸지는 않지만 한 사회가 육성한 학문의 저력은 수십년에서 수백년에 걸려 그 사회의 구조를 변화시키는 원동력이 된다. 우리가 대학과 학문을 자정시켜야 하는 이유는, 그 곳에 국민의 혈세가 투입되기 때문이 아니라, 바로 그 공간이 곧 우리 사회의 미래와 직결되어 있기 때문이다.

30대의 나이로 거대야당의 대표가 된 이준석 대표는 시험과 같은 경쟁을 통해 사회에 공정이 자리잡을 수 있다고 믿는 대표적인 능력주의의 신봉자다. 물론 능력주의에 대한 논의는 여전히 학계는 물론 우리의 현실 속에서도 열려 있다. 존 롤스 하버드대 교수는 《공정으로서의 정의》에서 분명히 경쟁을 위한 출발선의 불평등을 지적하고 있지만, 그 출발선이 모두 평등해지길 기다릴 수 없는 상황에서, 누군가는 수능이나 학력고사 같은 시험제도야말로 가장 공정한 경쟁이라고 생각할지 모른다. 그들에게 바로 그 시험의 성적 분포와 학생의 부모가 지닌 경제력 수준과의 밀접한 상관 관계를 보여주는 일은 무의미하다. 민주주의 사회에서 제도란 결국 사회 대다수의 구성원이 원하는 방향으로 자리잡아가기 때문이다.

학술생태계에서 논문을 둘러싼 도덕적 해이가 일어나는 원인은 이미 명확하게 알려져 있다. 최근 네덜란드의 연구자들을 대상으로 실시한 대규모의 설문조사는 무려 53%에 달하는 설문참여자들이 자신의 연구과정에 연구진실성 문제가 있다는 충격적인 결과를 내놓았다. 즉, 절반 이상의 연구자들이 자신의 연구에 어느 정도 문제가 있다고 실토했다는 뜻이다. 물론 네덜란드의 연구자들이 연구진실성에 대해 좀 더 높은 윤리적 가치를 부여하기 때문에 이런 결과가 나왔을 수도 있지만, 아마 연구진실성에 대해 전세계적으로 비슷한 설문조사를 해도, 크게 다른 결론이 나오지는 않을 것이다.

연구자가 자신의 논문을 표절하거나 조작하는 가장 근본적인 원인은 경력에 대한 ‘압박’ 때문이다. 학계에서 뒤쳐질 수 있다는 두려움, 교수에게 밉보일 것이라는 두려움, 연구비를 받지 못할 것이라는 두려움, 연구소나 직장에서 해고당할지 모른다는 두려움 등이다. 즉, 가장 청렴해야 할 학계가 가장 비도덕적인 개인들의 집합으로 변해버린 이유는 언제부터인가 학자들이 모두 논문이라는 화폐를 두고 무한경쟁을 시작했기 때문이다. 물론 학계에서 경쟁이 나쁜 것만은 아니다. 공정한 경쟁은 학문의 발전을 위한 필수적인 문화다. 하지만 연구자의 생존 자체가 위협받는 지금과 같은 열악한 현실 속에서, 논문의 연구진실성 문제는 끊임없이 우리를 괴롭히게 될 것이다.

물론 이런 문제를 해결하는 방법은 있다. 이미 학술 출판의 문제를 통해 살펴보았듯이 논문의 사전심사제도를 없애고 논문을 사후심사하는 것이다. 블록체인은 그런 논문출판의 새로운 방식에 도움을 줄 수 있다. 문제는 학계가 문제의 해결책을 알고 있지만, 그 누구도 고양이 목에 방울을 달려하지 않는다는데 있다. 논문의 도덕적 해이를 해결하려면 연구자 개인의 연구윤리를 따지기 전에 학술생태계가 처한 구조적 문제를 철저히 해부하고 송곳 같은 해결책을 찾으려는 노력이 필요하다. 한국연구재단은 그런 일을 하라고 국민세금으로 만든 공공기관이다. 연구재단이 단발적인 처방이 아니라, 한국의 건강한 학술 생태계를 위해 궁극적인 해결책을 고안할 수 있길 바란다. 

※필자소개 

김우재 어린 시절부터 꿀벌, 개미 등에 관심이 많았다. 생물학과에 진학했지만 간절히 원하던 동물행동학자의 길을 자의 반 타의 반으로 포기하고 바이러스학을 전공해 박사학위를 받았다. 이후 박사후연구원으로 미국에서 초파리의 행동유전학을 연구했다. 초파리 수컷의 교미시간이 환경에 따라 어떻게 변하는지를 신경회로의 관점에서 연구하고 있다. 모두가 무시하는 이 기초연구가 인간의 시간인지를 이해하는데 도움이 될 것이라고 주장하고 다닌다. 과학자가 되는 새로운 방식의 플랫폼, 타운랩을 준비 중이다. 최근 초파리 유전학자가 바라보는 사회에 대한 책 《플라이룸》을 썼다.

[출처] https://www.dongascience.com/news.php?idx=47991

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25 7월 2021

[생물][동물간에서 인간과 같은 전쟁이] 침팬지떼, 고릴라떼 공격해 잡아먹었다…패싸움 최초 목격 [영상]

[생물][동물간에서 인간과 같은 전쟁이] 침팬지떼, 고릴라떼 공격해 잡아먹었다…패싸움 최초 목격 [영상]

침팬지떼, 고릴라떼 공격해 잡아먹었다…패싸움 최초 목격 [영상]

[중앙일보] 입력 2021.07.25 13:07   수정 2021.07.25 15:55

야생 침팬지들이 고릴라들을 공격하는 모습. 유튜브 화면 캡처

야생 침팬지들이 고릴라들을 공격하는 모습. 유튜브 화면 캡처

수십 마리의 야생 침팬지들이 고릴라들을 공격해 죽이는 모습이 독일 연구팀에 의해 처음으로 관찰됐다고 CNN이 22일(현지시간) 보도했다.
 
독일 오스나브뤼크대학과 막스플랑크 진화인류학연구소 연구진들은 침팬지와 고릴라가 평화롭게 지내왔다는 이전 관찰 결과를 뒤집는 충돌 장면을 목격했다고 지난 19일 국제학술지 네이처지에 발표했다.
 
연구팀은 아프리카 가봉에 있는 로앙고 국립공원에서 침팬지 45마리를 대상으로 상호작용, 도구 사용, 의사소통 등을 관찰해오던 중, 2019년 2월 침팬지들이 무리를 지어 고릴라를 공격하는 모습을 처음 목격했다. 연구팀은 처음 침팬지들이 고릴라 주변에서 휴식을 취할 것으로 예상했지만 잔인한 공격이 이뤄지는 것을 보고 깜짝 놀랐다.  
 
연구 보고서를 작성한 라라 서든은 “처음에는 침팬지들의 비명만 들렸고 서로 다른 두 침팬지 집단 사이에 싸움이 벌어진 것으로 생각했다. 그러나 곧이어 고릴라들의 특징인 가슴을 두드리는 소리가 들렸고 침팬지들이 무리지어 5마리의 고릴라들과 싸우는 것을 목격했다”고 밝혔다.
 
첫 번째 충돌은 침팬지 27마리와 고릴라 5마리였다. 약 52분간 충돌했다. 새끼 고릴라 1마리가 죽고 침팬지 3마리가 다쳤다. 같은 해 12월 침팬지 27마리와 고릴라 7마리가 79분간 두 번째 맞붙었다. 이 싸움으로 새끼 고릴라 1마리가 죽었고 성인 암컷 침팬지가 죽은 고릴라를 먹기도 했다.
 
막스플랑크연구소의 토비아스 데쉬너 연구원은 “이는 침팬지의 존재가 고릴라에 치명적 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 첫 번째 증거이다. 침팬지가 고릴라를 공격하는 놀라운 일이 어떻게 일어났는지 조사할 계획”이라고 말했다.
 
침팬지와 고릴라는 지금까지 야생에서 평화적으로 지내는 것으로 알려져 왔다. 오스나브루크 대학의 인지생물학자 시몬 피카는 지금까지 알려진 침팬지와 고릴라들의 행동 양식에 비춰볼 때 이번 공격은 특히 놀랍다고 말했다.

로앙고 국립공원의 침팬지 수컷들. 사진 로앙고 침팬지 프로젝트

로앙고 국립공원의 침팬지 수컷들. 사진 로앙고 침팬지 프로젝트

연구팀은 한정된 먹이를 나눠 먹어야 하는 것이 침팬지들이 고릴라들을 공격하게 한 것으로 추측하고 있다. 데쉬너는 “식량 자원 공유로 경쟁이 격화되면서 침팬지들과 고릴라들 간에 적대감이 형성됐을 수 있다”고 말했다.
 
로앙고 국립공원은 아프리카 사하라 이남의 가봉 해안에 펼쳐져 있는 보호구역으로 코끼리, 물소 그리고 많은 다른 종들의 서식지이다. 이 지역은 심각한 멸종위기종인 서부 로랜드 고릴라의 서식지이다. 침팬지도 세계자연보전연맹(IUCN)에  멸종위기종으로 지정돼 있다.

[출처] https://news.joins.com/article/24113191?cloc=joongang-home-newslistleft#none

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10 5월 2021

지 프라임,렙토쿼크…새 입자가 LHC 실험결과 설명할까

지 프라임,렙토쿼크…새 입자가 LHC 실험결과 설명할까

2021.05.10 13:11

B중간자(B0)가 왼편에서 오른쪽으로 날아가며 붕괴할 때 방출되는 입자가 여러 층으로 이뤄진 검출기(LHCb)에 검출되는 모습이다. B중간자가 붕괴되면 전자 또는 뮤온이 같은 확률로 방출된다고 알려져 있었는데 최근 이를 뒤집는 실험결과가 나왔다. CERN 제공

B중간자(B0)가 왼편에서 오른쪽으로 날아가며 붕괴할 때 방출되는 입자가 여러 층으로 이뤄진 검출기(LHCb)에 검출되는 모습이다. B중간자가 붕괴되면 전자 또는 뮤온이 같은 확률로 방출된다고 알려져 있었는데 최근 이를 뒤집는 실험결과가 나왔다. CERN 제공

3월 23일 온라인으로 열린 한 물리학회(Ren contres de Moriond)에서도 새로운 기본 입자 발견 가능성이 제기됐다. 이 가능성은 스위스와 프랑스 국경지대 지하에 건설된 유럽입자물리연구소(CERN) 거대강입자충돌기(LHC)의 4개 검출기 중 LHCb를 이용해 B중간자(B meson)의 붕괴를 관측하던 중 발견됐다. 

B중간자는 6종류의 쿼크 중 바닥 쿼크(bottom quark)를 포함해 총 2개의 쿼크로 이뤄진 입자다. B중간자는 다양한 경로로 붕괴하는데, 그 중 매우 드물게 또 다른 중간자인 K중간자로 붕괴하면 기본입자인 전자와 전자의 반물질인 양전자로 구성된 ‘전자-양전자 쌍’이나, 또 다른 기본입자인 뮤온과 뮤온의 반물질인 반뮤온으로 구성된 ‘뮤온-반뮤온 쌍’이 방출된다. 전자와 뮤온이 방출될 확률은 지금까지 확립된 표준모형 이론에 따라 동일한 것으로 알려졌다. 전자와 뮤온이 모두 표준모형 상에서 렙톤(경입자)으로 분류되기 때문에, 이를 ‘렙톤  보편성(lepton universality)’이라 한다.

그런데 LHCb에서 2014년 렙톤 보편성에 어긋나는 실험결과가 처음으로 나왔다. B중간자가 전자로 붕괴된 것이 뮤온으로 붕괴된 경우보다 더 많다는 결과가 발표된 것이다. 렙톤 보편성이 틀렸다는 것은 곧 현재의 표준모형에서 잘못된 부분이 있다는 의미가 된다. 

LHCb 연구팀은 이후 2015~2018년 데이터까지 모두 종합해 재검토한 결과를 3월 말 논문 사전 공개 사이트인 ‘아카이브’에 발표했다. B중간자가 전자로 붕괴하는 경우는 뮤온으로 붕괴하는 경우보다 15% 더 많았다.

통계적 유의성은 3.1 시그마였다. 이는 측정값이 우연으로 나타났을 가능성이 약 1000분의 1이라는 뜻으로, 학계에서는 ‘증거’로써의 역할을 할 수 있다. 

LHCb 연구팀은 두 가지 가능성을 제시했다. 하나는 ‘지 프라임(Z prime)’이라는 새로운 입자의 존재 가능성이다. 지 프라임은 힘을 전달하는 운반체로 힘의 크기가 극도로 약해 지금까지 흔적이 보이지 않았지만, 전자와 뮤온에 다르게 상호작용하는 입자일 수 있다. 또 하나는 ‘렙토쿼크(leptoquark)’라는 새로운 입자다. 이 입자는 동시에 쿼크와 렙톤으로 붕괴하는 특성을 가졌을 수 있다. 또는 단순히 표준모형을 일부 보완해야 할 수도 있다.

이번 연구결과가 과학적 발견으로 인정받기 위해서는 통계적 유의성이 5 시그마 이상을 달성해야 한다. LHC 뮤온압축솔레노이드(CMS) 검출기를 이용해 입자물리학 연구를 진행 중인 양운기 서울대 물리천문학부 교수는 “앞선 뮤온 자기모멘트 측정 실험값과 이번 B중간자 붕괴 실험값이 둘 다 이론과 어긋난 이유는 미지의 새로운 입자 때문일 수도 있지만, 서로 다른 요인 때문일 수도 있다”고 설명했다. 

LHCb는 대대적인 업그레이드를 거쳐 2022년부터 재가동 될 예정이다. arXiv: 2103.11769

  • 서동준 기자 bios@donga.com

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=46445

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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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