BGM 정보 : 브금 저 장소 브금 : Sneaky Snitch 출처 : Pikicast " Curious Park " 님 큐 팍 의 중력파 시리즈 제 1 편 . : 중력파 는 진짜 일까 ? 이번 시리즈 는 크 게 다음 과 같 은 순서 로 진행 될 예정 입니다 . # 제 1 편 ( 본 콘텐츠 ) . 1 ) 상식 파괴 : 공간 의 정체 를 파헤쳐 보 자 . 2 ) 일반 상대 성 이론 의 핵심 : 아인슈타인 의 시 공간 에 대한 아이디어 . # 제 2 편 ( 다음 콘텐츠 ) . 1 ) 중력파 검출 프로젝트 : 영화 를 통해 본 중력파 . 2 ) 중력파 검출 원리 : 레이저 간섭 중력파 관측기 ( LIGO ) 분석 . 3 ) 중력파 검출 의 의미 : 우주 를 보 는 새로운 눈 과 인플레이션 이론 의 검증 . 아인슈타인 은 우리 에게 , 어떤 것 을 말 하 려 했 을까요 ? ▣ 공간 에 대한 상식 파괴 . : " 상식 은 18 세 때 까지 후천 적 으로 얻 은 선입견 의 집합 이 다 . " - 아인슈타인 한가 로운 주말 오후 , 꿀잠 을 자 고 있 던 여러분 을 깨우 는 얄미운 친구 가 있 었 다고 가정 해 봅시다 . 그 는 갑자기 . . " 나무 위 에 있 던 사과 가 떨어지 는 원리 가 뭐 야 ? " 라는 뜬 금포 터지 는 질문 을 해댔 죠 . 미친 소리 로 들렸 지만 , 평소 친구 의 인성 을 높이 평가 했 던 당신 은 그 에게 죽 빵 을 날리 는 대신 , 순간 적 으로 뉴턴 을 떠올린 후 에 침착 하 게 답변 을 해 주 기 로 합니다 . " 아 . . 뭐 라는 거 야 ? 뉴턴 이 그랬 잖아 . 사과 보다 지구 가 무겁 기 때문 에 , 사과 가 지구 에 빨려 들어가 는 거 아님 ? " 만약 이렇게 생각 하 신 핔플이 계시 다면 뉴턴식 사고 방식 을 매우 잘 이해 하 고 계신 겁니다 . 자화자찬 하 셔도 좋 아요 . 뉴턴 은 분명 , 질량 을 가진 물체 사이 에 는 중력 이 발생 하 여 상호 작용 ( 끌림 ) 이 발생 한다고 얘기 했었 죠 . 또한 사과 가 나무 위 에서 떨어지 는 것 과 같 은 물체 들 의 움직임 은 , 우리 가 흔히 ' 공간 ' 이라고 부르 는 실체 속 에서 벌어집니다 . 그런데 뉴턴 에 말 에 의하 면 요 . 사과 가 떨어지 는 현상 에 공간 은 아무런 영향력 을 발휘 하 지 못합니다 . 사과 가 떨어지 는 이유 는 공간 이 아니 라 ' 중력 ' 때문 이 니까요 . 즉 , 뉴턴 에게 ' 공간 ' 은 물체 들 이 상호 작용 하 는 현상 ( 사과 가 떨어지 는 ) 이 벌어지 는 장소 에 불과 했 던 셈 이 죠 . 후일 밝혀진 것 이 지만 , 이 점 은 뉴턴 의 중력 이론 에 가장 치명 적 인 약점 이 었 어요 . 그래도 이러 한 뉴턴식 공간 해석 은 꽤 오랫동안 학계 에 정설 로 받아들여졌 지만 . . 끝 까지 물 고 늘어진 아인 슈타인만 은 달랐 습니다 . 아인슈타인 왈 : " 뉴턴 의 논리 는 뭔가 이상 한 점 이 한 둘 이 아니 야 . 내 가 언젠가 꼭 밝혀내 고 말 겠 음 . " 그 는 뉴턴 의 공간 에 대한 해석 에 오류 가 있 음 을 여러 차례 의 연구 를 통해 발견 했 는데 , 그 오류 를 수정 하 여 매우 기묘 한 아이디어 를 생각 해냅니다 . 아인슈타인 이 생각 한 획기 적 인 아이디어 는 무엇 이 었 을까요 ? ▣ 아인슈타인 이 떠올린 ' 공간 ' 의 정의 : 시간 과 공간 은 중력 에 의해 휘어진다 . 이번 시리즈 의 주제 인 ' 중력파 '. 근데 제 가 별 생뚱맞 은 소리 를 하 고 있 다는 생각 이 드실 텐데요 . 본론 으로 들어가 기 전 에 공간 을 먼저 살펴보 는 이유 는 , 중력파 가 공간 속 에서 어떻게 전달 되 는지 , 그 ' 근본 적 인 원리 ' 를 설명 하 고자 함 입니다 . 지루 해 하 지 마시 고 따라 오 시 죠 ! 일단 우리 가 가장 먼저 만나 야 할 사람 은 아인슈타인 입니다 . 그 는 이 콘텐츠 의 초반 주연 배우 이 기 도 하 죠 . 1915 년 11 월 , 아인슈타인 은 ' 일반 상대론 장방 정식 ' 이 라는 매우 심오 해 보이 는 이름 의 이론 을 학계 에 발표 하 는데요 . 특수 상대 성 이론 을 발표 한 지 10 년 만 에 내 는 시 공간 에 대한 논문 이 었 죠 . 예상 하 셨 다시피 , 그 논문 은 물리학 역사 상 가장 위대 한 이론 중 에 하나 로 손꼽히 는 ' 일반 상대 성 이론 ( Theory of general relativity ) ' 이 었 습니다 . 아인슈타인 은 이 이론 을 내놓 기 전 까지 , 온통 ' 중력 ' 에 대한 생각 으로 하루 를 보냈 어요 . 특히 중력 이 대체 어떤 방식 으로 전달 되 는지 를 밝히 는 데 지나칠 정도 로 집착 했 죠 . 그 의 마스터 피스 ' 일반 상대 성 이론 ' 에 따르 면 , 나무 위 에 사과 가 떨어지 는 이유 는 중력 때문 인 것 은 뉴턴 과 동일 합니다 . 그런데 , 매우 결정 적 인 차이점 이 있 었 죠 . 그건 중력 이 공간 을 휘 게 만든다는 점 이 었 습니다 . 즉 , 중력 이 휘어진 공간 을 만들 고 , 휘어진 공간 에서 얼쩡거리 던 사과 가 어쩔 수 없이 지구 중심 으로 떨어질 수 밖 에 없 었 다는 것 이 었 죠 . 대충 감 이 오 시 나요 ? 뉴턴 의 이론 에 따르 면 , 공간 자체 는 사과 의 운동 에 전혀 영향력 을 발휘 하 지 않 아요 . 그런데 아인슈타인 은 공간 자체 가 휘 었 기 때문 에 , 사과 가 떨어진다고 주장 했 죠 . 또한 일반 상대 성 이론 에 따르 면 , 중력 이 있 는 공간 이 든 무중력 공간 이 든 모든 물체 는 직선 운동 을 합니다 . 가장 빠른 경로 를 선택 하 는 것 이 빛 이 니까요 . 이해 가 안 가 신다구요 ? 그래서 오랜만 에 앤드류 와 린지 가 출연 하 기 로 했 습니다 . 둘 은 지난 번 , 야구장 데이트 를 통해 커플 로 거듭 탄생 했 습니다 . 앤드류 와 린지 는 주말 을 맞이 하 여 바다 에 놀 러 갔 습니다 . 그런데 린지 가 갑자기 수영 을 하 겠 다고 바다 로 헤엄쳐 나갔 는데 . . 너무 깊 은 곳 에 들어가 물 에 빠진 참사 가 벌어졌 죠 . 앤드류 는 린지 를 구하 러 바다 에 뛰어들 어야 했 는데 , 일분일초 가 급한 지라 최단 시간 으로 린지 가 있 는 곳 으로 가 야 했 어요 . A 에서 B 로 가 는 루트 는 크 게 5 가지 정도 로 나눌 수 있 습니다 . 그러면 앤드류 가 최대한 빨리 B 까지 가 려면 어떤 경로 를 선택 해야 될까요 ? 문득 떠오르 는 것 은 , 역시 직선 코스 인 3 번 방법 이 가장 빠를 것 으로 추정 되 는데요 . 하지만 바다 에서 헤엄치 는 속도 보다 모래사장 을 뛰어가 는 속도 가 더 빠를 겁니다 . 그래서 조금 더 많이 뛰어가 더라도 , 최대한 수영 을 덜 하 는 코스 인 ' 4 번 방법 ' 이 더 빠르 게 갈 수 있 는 방법 이 되 겠 죠 . 즉 , 직선 보다 는 휘어지 는 코스 가 더 빠를 때 도 있 는 셈 입니다 . 아인슈타인 은 바로 이 점 에 주목 했 어요 . 자연 계 에 존재 하 는 모든 물체 는 가능 한 한 빨리 이동 할 수 있 는 직선 코스 를 따라 운동 하 는 데 ( 빛 을 떠올려 보 세요 ) , 중력 이 작용 하 는 ' 휘어진 공간 ' 을 지나 는 물체 의 운동 은 직선 코스 가 아니 라 휘어질 수 밖 에 없 다는 점 을 간파 한 것 입니다 . 방금 예제 에서 바다 가 바로 휘어진 공간 을 의미 하 죠 . 그래서 아인슈타인 은 직선 운동 을 하 는 빛 ( 앤드류 의 4 번 코스 ) 이 우리 눈 에 휘어지 는 것 처럼 보이 는 것 은 , 시공간 자체 가 중력 에 의해 휘어져 있 기 때문 이 라는 결론 을 내렸 어요 . 좀 더 시각 적 으로 들어가 볼까요 ~? 여기 평평 한 2 차원 공간 이 있 습니다 . 이 공간 은 완벽 하 게 텅 빈 공간 이 므로 구슬 을 굴리 면 , 그 구슬 은 정확 하 게 ' 직선 코스 ' 로 앞 으로 나아가 게 될 겁니다 . 아인슈타인 은 이러 한 평평 한 공간 에 물체 ( 태양 , 지구 등 ) 이 ' 펑 ' 하고 나타나 면 , 평평 한 공간 을 변형 시킨다고 생각 했 어요 . 즉 , 위 그림 처럼 물체 ( 볼링공 ) 가 공간 을 구부러지 게 만든다는 것 입니다 . 그래서 만약 이 휘어진 공간 을 향해 구슬 을 굴리 면 , 아까 와 는 다르 게 그 구슬 은 똑바로 직선 운동 을 하 지 못하 고 볼링공 의 주변 을 공전 하 거나 부딪치 게 될 겁니다 . 이것 이 바로 휘어진 공간 을 이동 하 는 모든 물체 의 운명 인 것 이 고 , 이렇게 공간 을 휘 어 놓 는 장본인 이 바로 중력 이 란 놈 의 정체 가 되 겠 죠 . 뉴턴 은 구슬 이 볼링공 의 주변 을 회전 하 는 현상 을 볼링공 이 구슬 에게 어떤 ' 힘 ( 중력 ) ' 을 행사 하 고 있 기 때문 이 라고 주장 했 지만 , 아인슈타인 의 관점 에서 보 면 , 굳이 ' 중력 ( 힘 ) ' 이 라는 개념 을 도입 할 필요 가 없 었 어요 . 구슬 이 회전 하 는 것 은 그냥 볼링공 에 의해 공간 이 휘 어 있 기 때문 이 죠 . 다시 말 해 아인슈타인 이 구상 한 우주 에서 의 시간 과 공간 은 단순히 소극 적 인 실체 가 아니 라 자연 현상 에 매우 적극 적 으로 개입 하 며 자연 을 만들 어 가 는 주체 가 되 며 , 시공간 은 중력 에 의해 , 매우 이상 한 방법 으로 휘어지 거나 구부러질 수 있 는 ' 실체 ' 였 던 셈 이 죠 . ▣ 우주 가 들려주 는 메아리 : 그럼 중력파 는 뭐 야 ? 우리 는 우주 에 물질 이 존재 하 면 중력 에 의해 공간 이 휘 어 진다는 사실 을 알 게 되 었 어요 . 그렇 다면 , 막강 한 중력 을 행사 하 는 태양 과 같 은 별 이 갑자기 사라지 면 어떻게 될까요 ? 예컨대 , 천 위 에 무거운 공 이 놓여 있 습니다 . 공은 천 의 표면 에 움푹 패인 ' 휘어진 공간 ' 을 만들 죠 . 그런데 공 을 갑자기 치워 버리 면 천 의 표면 은 그 반동 으로 한동안 ‘ 진동 ’ 을 겪 게 될 겁니다 . 그리고 이런 현상 은 우주 에서 도 유사 합니다 . 공간 에 갑작스런 큰 변형 이 발생 하 면 , 휘어진 공간 을 통해 충격파 ( 파동 ) 가 특정 속도 로 퍼져 나가 는 현상 이 벌어지 죠 . 마치 조용 한 수면 위 에 돌멩이 를 던지 면 수면파 가 퍼져 나가 는 것 처럼 말 입니다 . 물리학자 들 은 이 처럼 공간 에 변화 가 생기 면 ( 공간 이 휘어지 면 ) , 그 여파 가 파동 의 형태 로 퍼져 나가 는 것 이 있 다고 가정 했 고 이 를 ' 중력파 ' 라 명명 했 죠 . 중요 한 것 은 , 중력파 가 빛 처럼 ' 공간 을 가로질러 ' 가 는 것 이 아니 라 ' 공간 과 함께 ' 이동하 는 특성 을 갖 고 있 다는 것 입니다 . 왜냐하면 , 휘어진 시공간 그 자체 의 이동 이 중력파 이 기 때문 이 죠 . 그래서 어떤 물체 ( 지구 ) 에 중력파 가 지나가 면 그 물체 의 형상 은 여러 방향 으로 찌그러질 수 밖 에 없 습니다 . 흔히 중력파 를 내 는 천체 가 가깝 고 무거울수록 , 또한 에너지 가 크 게 발생 할수록 강한 중력파 가 생성 되 는데 , 문제 는 중력파 가 지나가 면서 공간 이 ' 왜곡 ' 되 는 정도 가 너무나 극미 하 다는 것 입니다 . 예컨대 TNT 2 만 톤 에 달하 는 핵폭탄 이 터졌 고 바로 옆 에 사람 이 있 었 다고 가정 해도 , 폭발 ( 에너지 ) 에 의한 중력파 는 기껏해야 그 사람 의 몸 사이즈 를 원자 하나 의 크기 정도 로 확장 시킬 수 있 을 정도 로 미미 하 죠 . 그리고 이 는 그만큼 중력파 검출 이 무지하 게 어렵 다는 것 을 의미 하 죠 . 그래서 지구 에 도달 할 정도 로 큰 규모 의 중력파 를 내 는 ' 우주 현상 ' 은 매우 좁 은 범위 로 국한 될 수 밖 에 없 어요 . 지금 까지 연구 된 바 에 따르 면 , 중력파 는 무지막지 한 질량 을 자랑 하 는 천체 ( 블랙홀 이나 중성자별 등 ) 2 개 가 동시 에 합체 되 는 경우 나 초신성 폭발 정도 의 우주 적 대 이벤트 가 지구 에서 포착 가능 한 중력파 를 내 는 천체 현상 으로 보 고 있 습니다 ( 이번 에 검출 된 중력파 는 쌍 성 블랙홀 의 합체 로 지구 로 전달 됨 ) . 그래서 이번 중력파 의 검출 은 아인슈타인 의 일반 상대 성 이론 에서 검증 되 지 않 았 던 마지막 과제 를 통과 한 것 과 같 습니다 . 공유 하 기 글 요소