공부하고 정리하고

[왼쪽부터 라이너 바이스 교수, 배리 배리시 교수, 킵 손 교수]

이번 노벨물리학상은 중력파를 최초로 검출한 연구진에게 수여됐습니다. 이 연구진은 레이저 간섭계 중력파관측소(LIGO)의 연구진입니다. 실제 관측은 2016년에 하였고 수상을 이번에 하였습니다.
중력파란 시공간의 휘어짐이 퍼져나가는 파동을 말합니다. 이를 1915년 그때로부터 100년이 넘게 흐른 지금 아인슈타인의 예측이 실험으로 검증이 된 것입니다.

아인슈타인은 1905년에 빛의 속도는 일정하며 어떤 물체도 광속을 도달하여 넘을 수 없음을 말합니다. 이는 특수상대성이론입니다. 이로부터 11년 뒤 1916년에 일반상대성이론을 발표합니다. 우선 상대론이라는 것은 현재 우리가 서 있는 지구라는 환경이 한 관성계라면 다른 환경에 있는 관성계는 지구의 환경과 다른 관성계임이 틀림없습니다. 이 상대적인 관성계끼리의 차이는 시간 지연과 길이수축이라는 현상으로 예상이 되었고 관측이 됩니다. 특수상대성이론에서는 이 다른 환경을 속도에 의한 차이로 계산합니다. 일반상대성이론에서는 중력이 영향을 미칩니다.

영화 ‘인터스텔라’를 보셨다면 이해하시기 쉽습니다. ‘인터스텔라’에서 거대한 행성에 단 몇 시간 정도 있었을 뿐인데 우주에서 기다리던 동료는 10년이 넘는 시간이 흘러 혼자 기다리고 있죠. 여기서 행성에 간 동료들에게 일어난 것은 중력에 의한 시간 지연 현상입니다. 이 이유는 간단히 생각한다면 우선 행성을 동시에 들어간 빛들은 동시에 나오는 점을 생각하여야 합니다. 빛의 속도는 일정하고 이동거리도 똑같으니까 동일합니다. 그런데 가까이에 있어서 중력에 의해 더 휘어진 빛과 멀리 있어서 덜 휘어진 빛이 있다면 이 두 빛은 동시에 나와야 하지만 이동 경로는 행성에 가까운 빛이 경로가 짧겠죠? 하지만 동시에 나오려면 가까운 빛은 시간 지연 현상이 나타나야 할 것입니다. 자세히 알려고 하면 매우 복잡하지만… 이런 느낌입니다.!!

아무튼, 중력파는 중력이 존재하는 곳에서 이러하듯 시공간이 뒤틀리게 만듭니다. 이렇게 뒤틀리면 호수에 돌을 던지면 구면파가 발생하는 것처럼 중력파가 발생한다고 합니다. 이 중력파를 100년이 지난 지금에서 드디어 관측하였다고 하니 아인슈타인의 계산은 시대를 앞서간 것이 확실한 것 같습니다!!

그렇다면 어떻게 LIGO는 중력파를 관측 하였을까요?
‘에테르’라고 들어보셨나요? 과거에 빛이 파동이라면 매질이 존재해야 한다. 그 매질은 에테르라는 주장이 있었습니다. 즉 이 우주 공간은 에테르로 차 있다고 생각을 하였고 이를 증명하기 위해 노력을 했었습니다. 이를 증명하기 위한 장치 중 하나가 마이컬슨몰리실험입니다.

이 실험은 빛을 쏘아서 두갈래로 하나는 직각 하나는 원래 방향으로 가도록합니다. 다시 반사되도록하여 받아 두빛을 합쳐 간섭현상을 관측합니다. 하지만 아무리 실험을 해보아도 간섭현상을 볼 수 없었고 이 실험을 통해 에테르가 없음을 반증하게 됩니다. 아이러니하게도 이 실험을 통해 마이컬슨은 노벨 물리학상을 받게 됩니다. 실험의도에 따르면 실패한 실험인데도 말이죠.

이 유명한 실험이 LIGO에서 진행하는 실험과 개념이 동일합니다. 단지 LIGO는 그 크기가 엄청 큽니다. 직각으로 갈라져 나아가는 거리가 4km이고 이 거리를 수백번 왕복시킨다고 합니다. (중력파로 인한 거리변화가 미미하기 때문에 한번 왔다갔다해서는 관측이 어렵기 때문입니다.) 이러한 관측소를 워싱턴에 하나 루이지애나주에 하나 총 두 개의 관측소를 두고 측정을 합니다.
이렇게 측정을 하던 와중에 13억 광년 떨어진 곳의 두 블랙홀이 충돌함으로써 중력파가 발생하였고 이 중력파가 지구를 지나며 시공간에 뒤틀림이 생겼습니다. 이때 LIGO가 이 변화를 레이저 간섭으로 관측을 해낸 것입니다.

두개의 관측소에서 거의 동일하게 간섭현상을 관측한 것을 볼 수 있습니다.