[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

‘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

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. 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

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

※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.

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.

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. 

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.

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. 

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

2021.03.24 20:00

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. 

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. 

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) 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. 

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.