일반 상대성 이론에 의한 시공간의 왜곡으로 인한 효과
2016년 여러 어려움을 딛고 LIGO 관측 성공

출처: LIGO.caltech, 중력파

[문화뉴스 MHN 권성준기자] 1915년 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)은 중력에 관한 역사적인 이론을 내놓게 되는데 바로 '일반 상대성 이론'이다. 그리고 이듬해인 1916년 아인슈타인은 자신의 이론을 통해 중력파의 존재를 예견하였고 100년의 시간이 흘러 2016년 물리학자들은 아인슈타인이 맞았음을 증명하였다.

2016년 LIGO(레이저 간섭계 중력파 관측소)에서 중력파 검출에 성공하여 LIGO 프로젝트에서 핵심적인 역할을 한 3명의 물리학자 라이너 바이스(Rainer Weiss, 1932~), 베리 배리쉬(Barry Barish, 1936~), 킵 손(Kip Thorne, 1940~)은 2017 노벨 물리학상을 받았다.

출처: Nobelprize.org
'​​​​​​라이너 바이스, 베리 배리스, 킵 손

중력파에 대해서 알아보기 위해선 먼저 '일반 상대성 이론'에 대해서 알아야 한다. '일반 상대성 이론'이란 서로 등속 운동을 하는 상태만 기술하였던 '특수 상대성 이론'에서 가속 운동까지 포함시킨 일반적인 이론이다.

'특수 상대성 이론'에 의하면 어떤 속도로 날아가는 물체는 '로런츠 변환'을 따른다. 뉴턴 역학적인 직관을 따랐을 때 '갈릴레오 변환'을 떠올리기 쉽지만 광속과 비슷한 속도로 달리는 경우 같은 극단적인 상황을 고려하면 '갈릴레오 변환'은 잘 맞지 않는다. 뉴턴은 시간을 관측자의 상태에 절대 변하지 않는 대상으로 여겼기 때문이다.

출처: 픽사베이

다시 말해 뉴턴은 우주 저편의 외계인의 1초나 빠른 속도로 날아가는 로켓을 탄 사람의 1초나 서울에서 가만히 서있는 사람의 1초나 모두 똑같은 1초라고 생각했다. 그러나 이 생각은 진공에서 빛의 속도가 언제나 일정함이 맥스웰의 전자기파 방정식을 통해 알려지면서 잘못됨을 깨닫게 되었다.

맥스웰의 전자기파 방정식을 통해 진공에서의 빛의 속도는 언제 어디서 재든 초속 30만 킬로미터를 가짐을 구할 수 있으며 이를 통해 아인슈타인은 달리는 관측자는 정지한 관자에 비해 시간이 느리게 가고 길이가 짧아지는 '로런츠 변환'을 따르는 것을 알게 되었다.

아인슈타인은 '로런츠 변환'을 받은, 즉 움직이는 관측자와 정지한 관측자가 계산한 물리법칙은 똑같아야 한다고 생각하였고 이를 통해 '일반 상대성 이론'을 만들면서 물질이 시공간을 휘어지게 만듦을 알아내었다.

출처: LIGO.caltech

'특수 상대성 이론'에서 만들어진 시공간의 개념은 '일반 상대성 이론'이 휘어진 공간에서의 기하학인 리만 기하학을 따르면서 질량에 의해 휘어질 수 있는 개념으로 바뀌었다. 그리고 아인슈타인은 이 휘어짐이 중력 현상을 발생시킨다고 생각했다.

시공간이 휘어졌다는 개념을 통해 아인슈타인은 질량을 가진 물체가 서로 끌어당기다 충돌하면 시공간의 일렁임이 생길 것이고 이 일렁임은 시공간을 매질로 한 파동의 형태로 전파된다고 생각하였으며 물리학자들은 이 파동을 중력파라 불렀다.

이 중력파를 검출하려는 시도는 1950~60년대 무렵부터 시작되었다. 하지만 당시엔 모든 시도가 실패하였는데 이는 중력파의 검출이 매우 어렵다는 점을 시사했다.

출처: LIGO.caltech, LIGO 전경

중력파 검출이 어려운 첫 번째 이유는 중력파가 시공간의 떨림이기 때문이다. 시공간의 떨림이 측정하기 어려운 이유는 일반적으로 어떤 진동을 관찰하기 위해선 휘어지는 물질을 가져다 두고 그 물체가 진동에 의해 휘어지면 원래 있던 위치와 거리 차이가 생겨 진동이 일어났음을 안다. 줄을 잡고 흔들면 줄의 위치가 변하는 것을 보고 우리는 진동이 퍼져나가는 것을 직관적으로 쉽게 알 수 있다.

하지만 중력파의 경우 거리도 같이 휘어져 버리기 때문에 거리 차이를 측정할 수가 없다. 그래서 중력파를 검출한 LIGO는 무식하게 큰 마이컬슨-몰리 간섭계를 각각 3000km 떨어진 워싱턴주와 루이지애나주에 놓아 측정하였다.

출처: 픽사베이

LIGO는 마이컬슨-몰리 간섭계를 만들기 위해 직각으로 두 레이저를 쏘아주는데 이 길이가 무려 4km나 된다. 마이컬슨-몰리 간섭계는 빛이 횡파이기 때문에 생기는 간섭무늬의 차이를 측정하는 간섭계로 에테르의 존재를 증명하기 위해 사용되었었다.

만약 중력파가 이 간섭계를 지나갈 경우 빛은 휘어진 시공간으로 인해 좀 더 먼 거리를 가게 되는데 이로 인해 위상의 차이가 생기게 되고 간섭무늬에 작은 차이가 발생하게 된다. 이 차이를 측정함으로써 중력파의 존재를 증명할 수 있는 것이다.

출처: LIGO.caltech, 두 블랙홀

검출이 어려운 두 번째 이유는 일상적인 물건들을 넘어 행성들이 충돌한다 할지라도 중력파의 신호가 너무 미미하다는 것이다.

겨우 행성 정도의 질량을 가진 물체들의 충돌이 만들어내는 중력파 에너지는 너무나 작아, 즉 주파수가 작아 간섭무늬를 확인하기 어렵다. 그래서 LIGO가 검출한 중력파는 13억 광년 떨어진 블랙홀들이 충돌해 생긴 중력파였다.

중력파의 검출은 아인슈타인의 '일반 상대성 이론'을 증명한 것 외에도 과학적으로 중요한 가치를 지닌다.

중력파는 전자기파와 달리 시공간의 진동이기 때문에 모든 물체를 통과할 수 있다. 그래서 물리학자들은 중력파를 통해 기존에 관측하지 못했던 지점을 관찰할 수 있을 거라 기대하며 심지어 블랙홀의 내부도 알아볼 수 있을 것으로 보고 있다.

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[MHN 과학] 아인슈타인 100년을 넘어 또 다시 옳았다, 2017 노벨 물리학상: 중력파

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