100년 동안 밝혀낸 우주 비밀과 여전히 풀리지 않은 숙제들

[白山]

100년 동안 밝혀낸 우주 비밀과 여전히 풀리지 않은 숙제들

  

 상대성이론으로 현대물리학의 상징이 된 알베르트 아인슈타인.

올해는 알베르트 아인슈타인(1879~ 1955)이 일반상대성이론을 완성한 지 100년째 되는 해이다.

그는 1905년 특수상대성이론을 발표한 후 10년간 자신의 이론을 정교하게 다듬어 1915년 11월 25일 일반상대성이론을

완성했다. 이 방정식은 같은 날 프로이센 과학아카데미에 제출됐고, 이듬해 3월 20일 정식으로 ‘물리학연보’에

 ‘일반상대성이론의 기초’라는 제목의 논문으로 발표됐다.

일반상대성이론은 지난 100년 동안 많은 과학자에 의해 숱한 검증 과정들을 통과했다. 검증은 계속되고 있다.

 대체 일반상대성이론이 여전히 넘지 못한 산은 무엇일까.

아인슈타인의 상대성이론에는 특수상대성이론과 일반상대성이론 두 가지가 있다.

특수상대성이론은 말 그대로 모든 운동이 아닌 특수한 경우, 즉 등속운동을 할 때만 성립한다.

속도가 계속 변하는 가속운동이나 회전운동을 하는 경우에는 맞지 않는다.

이런 점에서 반쪽짜리 이론이었다. 이는 물리 법칙을 하나로 통합하고자 했던 아인슈타인에게 커다란 난관이었다.

그는 이 문제점을 보완하기 위해 10년을 끙끙거렸다.

그리고 가속도 상황에도 적용되는 일반상대성이론을 완성해 ‘중력의 정체’를 밝혔다.

상대성이론은 한마디로 중력이론이다.

일반상대성이론에 따르면 강한 중력장 부근을 지나는 빛은 렌즈 속을 지나는 빛처럼 휘어지고, 수성의 근일점

(近日點·태양에 가장 근접하는 지점)이 100년마다 43초씩 이동하며, 강한 중력장을 지나는 빛은 적색편이(赤色偏移·

천체의 스펙트럼선이 원래의 파장에서 파장이 약간 긴 쪽으로 치우쳐 나타나는 현상)를 일으킨다.

여기서 가장 놀라운 사실은 빛이 중력에 의해서 휜다는 것이다.

큰 별 주위의 우주 공간은 별의 강력한 중력 때문에 휘게 되는데, 이 휘어진 공간을 통과하는 것은 질량을 가진 물체든

질량이 없는 빛이든 모두 휘어진다는 것이다.

공간만 휘는 것이 아니라 시간도 휜다.

시간이 휜다는 것은 시간이 변한다는 말이다.

 이를테면 중력이 강한 곳에 있는 시계는 느려진다.

이 예측은 1919년 영국의 천문학자 에딩턴이 개기일식 때 별빛이 태양의 중력에 끌려 휜다는 사실을 확인하면서 검증됐다.

에딩턴이 시도한 방법은 별들을 사진으로 찍어 두었다가 약 6개월 뒤 그 별들이 다시 밤하늘에 나타날 때 찍은 사진과

비교하는 것이다.

만일 일반상대성이론이 맞다면 태양으로부터 가까운 별들의 위치가 달라져야 하고, 태양으로부터 멀리 있는 별일수록

그 위치 이동이 점점 더 작아져야 했다. 그런데 놀랍게도 태양의 중력에 끌려 원래의 별의 위치를 벗어났고,

별빛은 휘었다. 일반상대성이론이 옳았음이 증명되는 순간이었다.

일반상대성이론이 원래부터 완벽한 이론은 아니었다.

한 세기 동안 천재 과학자들이 뛰어들어 숱한 검증 과정을 거치면서 서로 싸우고 협력하며 만들어진 이론이다.

일반상대성이론은 발표 후 우주의 탄생과 진화를 설명하는 이론으로 발전했다.

중력과 시공간의 관계, 블랙홀과 대폭발(빅뱅), 우주의 가속 팽창 등이 모두 일반상대성이론으로 얻어낸 것들이다.

현대우주론의 출발점은 1917년 아인슈타인이 발표한 ‘우주는 진화하지 않는, 정적 우주론’에 있다.

 우주는 팽창하지도 수축하지도 않는 안정된 우주라는 이론이다.

 그런데 그의 일반상대성이론을 면밀히 살핀 러시아의 수학자 프리드만과 벨기에의 신부 르메트르의 생각은 달랐다.

 ‘강한 중력장에서 빛이 휜다’는 일반상대성이론은 우주가 언제든지 팽창하거나 수축할 가능성이 있다는

사실을 말해 주는데, 그들의 계산 결과로는 우주가 팽창해야 하는 게 맞다는 주장이었다.

아인슈타인은 일반상대성이론을 세울 당시 우주가 팽창하고 있는 동적인 존재라는 것을 꿈에도 생각하지 않았다.

오히려 동료에게 일반상대성이론이 혐오스럽다고 말할 정도였다.

때문에 그는 자신의 일반상대성이론(불안정한 우주)과 정적 우주론(안정된 우주) 사이에서 갈등했다.

정적 우주에 물체를 넣으면, 프리드만의 주장처럼 중력에 의해 시공간이 왜곡되며, 서로 끌어당기게 되기 때문에 이것을

방지하는 힘이 그에게는 필요했다. 그래서 중력과 동등한 반중력(우주상수) 개념을 그의 우주방정식에 슬그머니 끼워 넣어,

두 힘의 작용으로 우주가 균형 상태를 유지한다는 이론을 펼쳤다.

그러나 1929년, 미국의 천문학자 허블은 여러 은하의 후퇴 속도(적색편이)를 관측해 은하들이 거리가 멀수록 더 빠르게

멀어진다는 사실을 알아냈다. 적색편이는 우주가 바깥으로 운동하면서 방출한 빛의 진동수가 작아져서 적색 쪽으로 나타나

는 현상이다. 마치 기적 소리를 내면서 정거장으로 진입하는 기차 소리의 높이가 점점 높아지거나 멀어질 때 소리의 높이가

낮아지는 도플러 현상과 같다. 멀어질 때 소리의 높이가 낮아지는 현상은 진동수가 작아진다는 것을 의미한다. 빛을 내는

물질이 점점 멀어지면 진동수가 낮아져 적색의 빛 쪽으로 이동하는 경향이 있다. 이것은 우주가 팽창하고 있다는 강력한

증거이다.

예를 들어, 풍선에 점을 여러 개 그린 후 풍선을 불어 보면 처음엔 가깝던 점들이 점점 멀어지는 것과 같다. 결국 허블은

우주가 팽창한다는 사실을 확인한 것이다. 허블의 적색편이 발견을 알게 된 아인슈타인은 그의 일생 중 우주상수는

최악의 실수였다고 시인하고, 1931년 우주상수 개념을 철회하게 된다.

허블의 발견처럼 현재 우주 공간은 팽창하고 있다.

 팽창하는 우주를 시간적으로 거꾸로 돌려 이론적으로 우주를 수축시켜 나가면 언젠가는 한 점에 모이게 된다.

 지구·태양·은하 등 우주의 모든 물질을 과거로 되돌리면 상상하기 힘들 정도로 높은 온도와 에너지 밀도를 가진,

모래알보다 작은 한 점이 될 것이라는 얘기다.

현재의 표준적인 우주 생성 모델은 이 작은 점이 대폭발해 우주가 팽창했다는 ‘빅뱅(Big Bang)’ 이론이다.

빅뱅 이론은 1948년 러시아 출신의 미국 물리학자인 가모프가 팽창 우주론을 발전시켜 제안했다.

가모프는 그 증거로 대폭발과 함께 방출되었던 엄청난 열과 복사선의 흔적인 우주배경복사(우주 전체를 가득 채우며

퍼져 있는 초단파 영역의 전자기파)가 남아 있을 것이라고 예견했다.

남극 아문센 스콧 기지에 설치된 바이셉 전파망원경 모습.

 미국의 하버드·스미스소니언 천체물리연구센터는 지난해 3월 17일 기자회견에서

이 장비를 이용해 우주탄생의 빅뱅 후 급팽창이론을 뒷받침하는 핵심증거인 중력파 탐지에 성공했다고 밝혔다.

빅뱅 이론을 뒷받침하는 결정적 증거는 1964년 미국의 아노 펜지아스와 로버트 윌슨이 발견했다.

우주의 모든 방향에서 절대온도 3.5도에 해당하는 초기 우주의 흔적인 우주배경복사를 찾은 것이다.

이는 허블의 우주 팽창 발견 이후 최고의 관측으로 일컬어진다.

우주 초기에는 물질과 빛이 뒤엉켜 있어 빛이 자유롭게 다닐 수 없었다.

하지만 빅뱅 후 30만년이 지나면서 비로소 빛이 물질과의 상호작용에서 벗어나 자유로워진다.

이때 출발한 빛이 현재 우주배경복사로 관측되고 있다.

이후 1970년대에 스티븐 호킹이 로저 펜로즈와 함께 일반상대성이론을 바탕으로 우주 탄생 순간에 크기가 0인

 한계 상태가 존재했다는 것을 증명했다.

대폭발 전의 크기가 0이고 밀도와 온도가 무한대인 작은 특이점에서 우주가 출발했다는 것이다.

그 시점은 바로 우주가 빅뱅으로 탄생한 지 10-43초가 되는 순간이다.

이 짧은 시간을 ‘플랑크 시간’이라고 한다. 플랑크 시간은 우리가 생각할 수 있는 가장 짧은 시간이다.

우주 팽창 과정에서는 우주 질량의 일부가 뭉쳐 별들을 만들었고, 이들 별들이 거대한 별의 집단인 은하를 이루고 있다는

게 현대의 우주론이다.

블랙홀은 이러한 별의 진화이론에 따라 생긴 천체이고, 일반상대성이론이 낳은 가장 위대한 개념 중 하나다.

일반적으로 별의 진화에서 마지막 단계에 이르면 여러 변수가 생긴다.

그중에서도 질량이 큰 별, 특히 태양보다 30배 이상 질량이 큰 별은 블랙홀이 되어 생을 마감한다.

태양의 예를 들어보자. 태양이 현재의 크기를 가질 때는 주위를 지나는 빛이 조금 휘게 된다.

그런데 만일 태양의 크기가 질량이 변하지 않는 가운데 점점 더 줄어든다면 빛이 휘는 각은 점점 더 커져야 한다.

마침내 태양의 반지름이 1.5㎞ 정도로 수축했다면 빛이 아예 빨려 들어가는 블랙홀이 된다.

실제로 지구가 블랙홀이 되려면 반지름이 1㎝ 정도로 작아져야 한다.

블랙홀의 특징은 막대한 중력을 가지고 그 주변의 모든 물체를 일방적으로 삼켜버리는 데 있다.

검은 구멍 속으로 들어간 물체는 다시 빠져나올 수 없다. 그 이유는 탈출속도가 중력을 이기지 못하기 때문이다.

블랙홀이라는 말을 처음 사용한 과학자는 아치볼드 휠러이다.

그는 1967년에 ‘무한대의 중력 때문에 그 속에서 빛, 에너지, 물질, 입자 등 어느 것도 탈출하지 못하는 천체’에 대해

블랙홀이라는 이름을 붙였다.

우주 초기에 빅뱅이 있었다는 사실을 증명한 호킹은 블랙홀이 언젠가는 증발해 사라지는 존재라고 주장해 일약 스타덤에

올랐다.

휠러는 또 블랙홀 이름을 붙이기 10년 전인 1957년, 시공간의 가상의 터널이라는 개념을 생각해내고 여기에 웜홀

(worm hole)이라는 이름을 붙였다. 간단하게 사과 위를 기어가고 있는 벌레에 비유되는 웜홀은 시공간 사이를 잇는

 좁은 지름길로 여겨지고 있다.

웜홀은 시간여행의 단골 소재로 등장한다.

 시간여행은 1949년 미국의 수학자 쿠르트 괴델이 일반상대성이론을 풀어 그것을 실현시킬 수 있는 답을 제시한 데서

시작되었다. 괴델의 시간여행은 회전하는 우주를 고려했다.

일반상대성이론에 의하면 회전하는 우주와 정지해 있는 우주는 분명히 다른 우주다.

예를 들어 회전하는 우주에서 레이저빔을 발사했을 때 일반상대성이론에 의하면 빔은 똑바로 가지 않고 곡선을 그리며

휘어져야 한다. 괴델은 이에 착안하여, 회전하는 우주에서 로켓을 타고 적절한 궤적을 따라가면 로켓이 출발했던 시간보다

이전의 시점으로 되돌아올 수 있다고 있다고 주장했다.

하지만 괴델의 아이디어는 우리가 살고 있는 팽창 우주가 아니라 회전하는 우주에만 적용된다는 점이 밝혀졌다.

반면 미국 캘리포니아공대의 이론물리학자 킵 손 교수가 1988년에 제안한 웜홀은 블랙홀과 화이트홀을 연결하는 통로로

 자유자재로 과거와 미래를 오간다. 예를 들어 웜홀에 두 점을 잇고, 웜홀의 한쪽 입구를 광속에 가까운 속도로 이동시킨다

면 상대성이론에 의해 시간의 지연 현상이 반대쪽 입구에서 일어난다. 따라서 정지하고 있는 쪽의 웜홀의 입구에서 또

한쪽의 입구까지 이동한 후 웜홀을 통과해 원래의 지점으로 되돌아간다면 출발한 시각보다도 앞선 시각으로 되돌아가게

된다. 웜홀에서는 강한 중력이 작용해 멀리 떨어진 두 공간을 휘어지게 만들기 때문에 시간여행이 가능하다는 것이다.

일반상대성이론은 이처럼 우주의 운행을 말끔하게 풀어줬다.

하지만 범위가 태양계 내이다.

태양계를 넘어선 거대우주에서도 일반상대성이론이 맞는지는 아직 결론이 나지 않았다.

현대물리학의 최대 난제 중 하나는 ‘우주는 무엇으로 이뤄져 있는가’ 하는 것이다.

우주에서 별, 행성 등이 차지하는 비율은 5%에 불과하다. 나머지 95%는 정체가 불분명하고 눈에 보이지 않는

 ‘암흑’ 상태이다. 이 중 72%는 ‘암흑에너지’이고, 23%는 ‘암흑물질’이다.

 암흑물질은 빛을 내지 않지만 질량을 갖고 있어서 주변에 미치는 중력을 통해 그 존재를 간접적으로 확인할 수 있다.

 세계의 과학자들은 후보로 거론되는 암흑물질을 발견하기 위해 끝없이 경쟁하고 있다.

암흑에너지는 일반상대성이론 때문에 등장했다.

일반상대성이론에 따르면 우주의 팽창 속도가 줄어들어야 하는데 현재의 우주는 팽창 속도가 계속 빨라지고 있다.

이에 물리학자들은 암흑에너지를 등장시켜, 그 에너지가 우주의 물질들을 멀리 밀쳐내면서 우주가 점점 더 빠르게

팽창한다고 주장했다.

따라서 암흑에너지의 존재가 증명되지 않는다면 거대 우주에서는 일반상대성이론이 맞지 않는다는 결과가 나올지도

모른다.

또 일반상대성이론이 옳다면 ‘빅뱅의 흔적’으로 불리는 중력파 역시 반드시 존재해야 한다.

아인슈타인은 일반상대성이론을 통해 중력파의 존재를 처음 제시했다.

시공간이 중력파를 포함해야 한다는 것을 증명해 보인 것. 중력파는 중력 변화에 따라 시공간에 발생하는 파동을 의미한다.

잔잔한 호수에 돌을 던지면 ‘파문’이 생기듯, 중력에 큰 변화가 발생하면 시공간에 일정한 패턴의 파동이 생겨 퍼져나간다.

만일 초기 우주가 급격히 팽창했다면 중력의 변화로 중력파를 만들어냈고, 이것이 퍼져나가면서 시공간에 뒤틀림을

일으켜 특별한 패턴의 흔적을 남겼을 것이라는 게 천문학자들의 주장이다.

따라서 중력파의 흔적은 빅뱅 직후 찰나의 시간에 우주가 급속히 팽창하며 지금의 은하와 행성들을 만들어냈다는

가설을 증명하는 증거인 셈이다.

하지만 중력파는 세기가 너무 작아 물질과 상호작용을 거의 하지 않는 탓에 발견 자체가 힘들었다.

그런데 지난해 3월 17일, 미국 하버드·스미스소니언 천체물리연구센터가 우주전파망원경으로

중력파의 패턴을 찾아냈다고 해 세계 과학계를 흥분시켰다.

하지만 이것이 정말 중력파의 흔적이냐를 놓고 여전히 논쟁 중이다.

만일 중력파를 직접 검출한다면 아인슈타인의 일반상대성이론을 증명하는 가장 극적인 순간이 될 것이다.

[심삼일]

타임머신은 미래로는 갈수 있어도 과거로는 못간다고 알고있었는데, 웜홀을 이용하면 과거로도 갈수 있다는 얘기같네요.
터미네이터 영화가 맞는가 봅니다. 반물질에 의한 우주의 팽창! 중력파의 흔적을 찿아서 상대성이론을 증명하고!
아인슈타인 박사도 다빈치 처럼 어느 외계에서 왔다가 가신건 아닐까요?

[白山]

과거로의 여행. 이론상 설명은 되지만 자신의 패러독스에 걸립니다. 있을 수 없는 일이 되니까요.
(자신이 과거로 가서 그태 태어날 자신을 죽였다고 가정하면 지금의 자신이 없는 것이지요. 있을 수 없는 일을 말합니다)
천재 몇명이 인류를 이끌어 가는가 봅니다...ㅎ^^