공부 잘하는 방법을 가르쳐 준다는 책이나 입시전문가들이 공통적으로 이야기하는 것 중 하나가 ‘다른 사람에게 설명하기’라는 것이 있습니다. 상대성이론으로 유명한 20세기 위대한 과학자 알베르트 아인슈타인도 “무언가를 이웃집 아이나 할머니에게 설명할 수 없다면 제대로 알고 있는 것이 아니다”라고 말했듯이 자신이 배운 것을 정확하게 이해하고 있지 않다면 다른 사람에게 설명하는 것은 쉽지 않습니다.●‘박사학위 춤으로’ 대회 12개팀 참가 그렇다면 어려운 수학식이나 거북이 등껍질 같은 화학식으로 가득찬 과학논문들은 어떨까요. 쉬운 용어나 표현으로 설명하는 것은 쉽지 않을 것 같습니다. 그렇다면 신체를 이용해 자신의 생각을 표현하는 창작행위인 춤을 이용한다면 일반인들이 좀더 쉽게 이해할 수 있지는 않을까요. 이런 생각을 바탕으로 시작된 것이 바로 ‘당신의 박사학위를 춤으로’(Dance Your Ph.D.)라는 대회입니다. 세계적인 과학저널 ‘사이언스’를 발행하는 미국과학진흥협회(AAAS) 과학자들은 딱딱하고 재미없다는 편견을 깨고 과학에 대한 대중의 관심을 높이기 위해 2008년부터 연구자가 자신의 연구를 춤으로 표현하는 행사를 열고 있습니다. 참가 요건은 ▲박사학위를 소지했거나 박사학위 과정에 재학 중일 것 ▲사회과학을 포함한 과학과 관련된 학위과정일 것 ▲연구자가 꼭 직접 춤을 출 것입니다. 종합 우승자에게는 1000달러의 상금과 내년 초 AAAS 연례회의가 열리는 미국 보스턴 여행권이, 각 분야 우승자에게는 500달러가 주어집니다. 또 우승자들의 작품은 전문 안무가들과 협의를 거쳐 다듬어진 뒤 AAAS 연례회의에서 공연될 예정이라고도 합니다. ●인공심장 판막 원리, 살사댄스로 설명 매년 10~30개 정도의 연구자들이 지원하고 있는데 올해도 전 세계 12개 팀이 참가해 전공 분야의 최신 연구내용을 다양한 춤으로 표현해 경쟁을 벌였습니다. 그 결과 생물학, 화학, 사회과학 3개 분야와 인기상 수상자가 선정됐습니다. 원래 이 대회는 물리, 화학, 생물, 사회과학 4개 분야에서 수상자를 뽑는데 이번에는 아쉽게 물리학 분야는 선정되지 못했습니다. 올해의 최우수상 수상작품은 영국 케임브리지대 의생명공학 박사과정에 재학 중인 제이컵 브루버트와 동료들에게 돌아갔습니다. 이들은 소와 돼지, 독특한 외과의사 복장을 하고 훌라후프와 다양한 플라스틱 제품을 이용해 살사댄스와 탭댄스를 추면서 복잡한 인공심장 판막 구조와 원리를 효과적으로 설명했다는 평가를 받았습니다. 생물학 분야 우승은 항생제 내성을 갖는 박테리아가 어떻게 형성되고 확산되는지를 현대무용으로 표현한 영국 글래스고대 칼라 브라운 박사에게 돌아갔습니다. 사회과학 분야에서는 미국 노스웨스턴대 의대에 재학 중인 마거릿 다닐로비치에게 우승의 영광이 돌아갔습니다. 다닐로비치는 나이를 먹을수록 근육이 퇴화되는 원리와 전 세계적으로도 문제가 되고 있는 고령화 인구 증가에 따른 적응 문제를 사회적으로 어떻게 해결할지 펑키댄스로 잘 표현했다는 평가를 받았습니다. 과학은 점잖은 학문의 세계라고만 생각하는 이들에겐 이런 행사나 매년 9월 중순에 열리는 이그노벨상 시상식이 장난 같고 과학의 권위를 떨어뜨린다고 여길 수도 있을 겁니다. 그렇지만 어렵고 근엄하기만 한 과학을 재미의 영역으로 끌어들여 웃고 즐길 수 있다는 것은 과학이 학문의 영역을 떠나 문화나 사회의 한 영역으로도 확고히 자리잡았다는 의미 아닐까요. 우리 사회 역시 항상 과학적이고 합리적인 사고를 강조하기는 하지만 최근 일어나고 있는 사건사고들을 보다 보면 여전히 과학은 먼 나라 얘기이고 머릿속 사변으로만 남아 있는 것 아닌가 싶어 씁쓸한 생각이 듭니다. edmondy@seoul.co.kr

물리학자들이 암흑물질의 수수께끼를 푸는 데 도움이 될 새로운 기본 입자의 존재를 예측해냈다고 영국 일간 데일리메일 등 외신이 6일(현지시간) 보도했다. 학자들이 ‘마달라 입자’(Madala boson)라는 이름으로 새롭게 제시한 이 입자는 힉스 입자(힉스 보손)와 유사성이 많지만, 다른 점은 우주의 약 27%를 구성하는 암흑물질과 상호작용하는 것으로 추정된다. 여기서 마달라는 아프리카 줄루어로 ‘오래된’(old)이라는 의미가 있다. 남아프리카공화국(이하 남아공) 비트바테르스란트대의 고에너지물리학(HEP) 그룹에 속한 과학자들은 유럽입자물리연구소(CERN)의 강입자충돌기(LHC)에서 시행한 여러 실험 자료를 분석해 주요 특징과 특성이 자신들이 제시하는 마달라 가설과 관련돼 있다는 것을 발견했다. 이들은 힉스 입자가 발견됐던 2012년 당시 CERN의 LHC 실험에 기초한 초기 가설을 세웠다. 연구자들은 미국과 영국, 중국, 인도, 스웨덴의 과학자들과 협력해 2015년과 2016년에 반복한 LHC 실험에서 나온 결과들이 마달라 가설로 나타나는 현상과 일치한다는 것을 알아냈다. 마달라 입자에 관한 가설은 암흑물질과 상호작용하는 완전히 새로운 입자이자 분야로 설명된다. 이번 연구를 이끈 HEP 그룹의 브루스 멜라도 교수는 “현대 물리학은 아인슈타인과 양자역학 아버지들이 살았던 시대와 비슷한 중대한 갈림길에 서 있다”면서 “고전 물리학은 수많은 현상을 설명하는 데 실패했고 결과적으로 현대 물리학이라는 현재 우리가 아는 상대성이론과 양자물리학과 같은 새로운 개념으로 혁신할 필요가 있었다”고 말했다. 물리학의 표준모형은 2012년 힉스 입자의 발견으로 완성됐지만, 암흑물질을 포함해 몇몇 특정 현상은 여전히 설명하지 못한다. 하지만 이들 연구자는 마달라 입자가 암흑물질의 이해하기 힘든 기원을 설명하는 것을 도울 수 있다고 말한다. 사진=LHC 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

가을에 접어들었음을 알리는 ‘입추’도 벌써 한 달이 지났고 선선한 가을이 시작된다는 ‘처서’도 열흘이나 지났습니다. 여전히 한낮에는 덥지만, 세상이 한증막인가 싶었던 지난 8월 무더위를 생각하면 ‘그래도 살 만하다’는 생각이 들기는 합니다. 가을 하면 뭘 떠올리시나요. ‘독서의 계절’도 여러 심상 중 하나일 것입니다. 가을보다는 여름이나 겨울에 책이 더 많이 팔린다는 통계도 있지만, ‘가을=독서’라는 공식 덕에 평소 책을 멀리하던 사람들도 한번쯤 서점으로 발길을 옮기는 것이 사실입니다.●영화·알파고 등 관련 뉴스 쏟아져 최근 서점에 들러본 분들이라면 재미있는 사실을 알 수 있었을 겁니다. 예전과는 달리 신간 코너 전면에 과학책들이 많이 배치되고 있는 것입니다. 2010년대 초반에는 자기개발서나 힐링 관련 책, 2~3년 전부터는 인문학 관련 책들이 베스트셀러와 신간의 자리를 굳건히 지켜왔습니다. 그런데 지난해 말부터 시작해 과학책들이 쏟아져 나오고 있습니다. 무슨 일이 생긴 걸까요. 과학책에 대한 출판계와 대중의 관심은 2014년부터 조짐을 보이기 시작했습니다. 2014년 말 아인슈타인의 상대성이론을 비롯한 현대 우주론을 바탕으로 한 영화 ‘인터스텔라’가 개봉했습니다. SF영화로는 드물게 국내에서 ‘1000만 관객’을 달성했죠. 지난해에는 화성 탐사와 관련한 영화 ‘마션’이 개봉하고, 일론 머스크가 설립한 민간우주업체 스페이스X에서는 2018년 화성 탐사 계획을 발표했습니다. 올 초에는 아인슈타인의 마지막 수수께끼로 알려진 중력파를 발견하기도 했습니다. 여기에 지난 3월 이세돌 9단과 인공지능 ‘알파고’의 대국까지, 과학기술 관련 굵직한 뉴스들이 쏟아지면서 자연스럽게 과학에 대한 관심이 이어졌습니다. ●불합리한 사건 늘자 과학에 관심 또 불합리하고 비논리적인 사건들이 자주 일어나다 보니 이성과 합리성, 논리적 구조를 대표하는 과학에 눈을 돌리게 된 것이라는 분석도 있습니다. 과학 서적 규모는 지난해에 비해 20~30% 이상 성장했다고 합니다. 자세히 살펴보면 여전히 아쉬운 점이 많습니다. 한 인터넷 서점 월간 베스트셀러 20위권 내에는 과학책이 한 권도 없습니다. 과학 분야 월간 베스트셀러 1·2위는 몇 년째 1980년에 출간된 칼 세이건의 ‘코스모스’, 1976년에 나온 리처드 도킨스의 ‘이기적 유전자’가 차지합니다. 그동안 과학책 출판 환경이 척박하다 보니 나온 책도 적을 뿐만 아니라 독자들의 선택에 영향을 미치는 대학과 기관들의 ‘과학도서’ 추천목록도 변하지 않고 있기 때문입니다. ●첫 시작은 친절한 교양서 추천 과학 전문출판사인 동아시아 한성봉 사장은 ‘과학 서적 열풍’을 이렇게 설명합니다. “서양은 물론 일본과 중국에서도 지식 담론의 중심에 과학이 있는데 우리나라에는 최근 이런 추세가 반영되면서 과학책 출간이 늘고 있다. 인문·사회 분야보다는 과학 쪽에서 재미있는 읽을거리가 많이 나오다 보니 모든 출판사들이 관심을 가질 수밖에 없는 상황이다.” 과학책은 교양 수준에서 잘 설명한 것, 한 주제를 깊이 있게 다룬 것, 다른 학문을 융합해 접근한 것까지, 크게 세 부류로 나눌 수 있습니다. 전문가들은 과학책을 처음 접하는 사람은 과학을 친절하게 설명한 교양서로 시작하는 것이 좋다고들 합니다. 수학, 물리, 화학, 천문학, 기술 등 다양한 분야에서 재미있는 책이 쏟아져 나오는 이때, 더군다나 추석 연휴도 다가오는데 고향 가는 길에 과학책 한 권 들고 길을 떠나보는 것은 어떨까요. edmondy@seoul.co.kr

아인슈타인의 일반상대성이론을 처음으로 시각화한 ‘우주 모델’이 공개됐다. 이는 우주의 시공간 곡률과 우주에 존재하는 물질의 관계를 지도화한 것이다. 시공간 곡률은 시공간이 얼마나 휘어져 있는지 굽은 정도를 나타내는 양을 말한다. 과학 전문매체 와이어드 영국판에 따르면, 미국과 유럽의 여러 연구소에 소속된 과학자들로 이뤄진 국제 연구팀이 우주 모델 해석을 위한 컴퓨터 코드를 만들어냈다. 이를 사용하면 앞으로 ‘가장 정확한 우주 모델’을 만들 수 있는 데 이는 우주에서 중력과 그 효과에 관한 새로운 통찰력을 제공할 것이다. 이 코드로 만든 우주 모델은 처음으로 완벽한 상대성 이론을 사용한 것인데 우주의 일부 영역에서 물질이 응집해 있거나 부족한 것에 따른 영향을 설명할 수 있다. 이에 대해 연구팀의 마르코 브루니 박사(영국 포츠머스대 우주론 및 중력 연구소)는 “이는 정말 흥미로운 발전으로, 우주물리학자들이 우주의 가장 정확한 모델을 만드는 데 도움이 될 것”이라고 설명했다. 또 “앞으로 10년간 우리는 고성능 망원경과 인공위성을 사용해 우주에 관한 정확한 측정 결과를 얻을 수 있는 차세대 은하 조사를 통해 새로운 자료를 대량으로 얻을 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구논문은 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 최신호에 실렸다. 사진=제임스 마틴스 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

獨 연구진, 美 학술지에 게재 “꿀벌 신경계에 영향 미쳐 폐사” 상대성이론으로 유명한 물리학자 알베르트 아인슈타인은 “꿀벌이 사라진다면 인류도 4년 내 지구상에서 사라지게 될 것”이라고 말했다. 꿀벌의 존재는 꿀의 생산, 그 이상의 의미를 갖는다는 역설이다. 인간의 주요 먹거리인 과일·채소류 대부분이 꿀벌을 매개로 수분을 한다. 꿀벌이 소, 돼지에 이어 세 번째로 중요한 가축으로 꼽히는 이유다. 그런데 2006년부터 미국과 유럽을 중심으로 꿀벌들이 대량으로 죽는 일이 잦아지고 있다. 미국 농무부에 따르면 지난해 4월부터 올해 3월까지 1년 동안 미국 내 벌의 44%가 사라졌으며 특히 겨울철에 28%의 벌이 사라진 것으로 조사됐다. 일반적으로 겨울철 벌 폐사율은 17% 안팎인 것에 비하면 심각한 수치다. 유럽의 경우 지난해 말 기준으로 50년 전보다 개체 수가 37%나 감소했으며, 일부 지역에서는 40% 이상이 멸종 위기에 처해 있는 것으로 알려졌다. 벌의 사망 원인은 다양하지만 농약 사용을 가장 큰 원인으로 지목한다. 특히 환경단체들은 네오니코티노이드 성분을 꿀벌 폐사의 범인으로 본다. 네오니코티노이드가 들어간 살충제는 다른 제품보다 독성이 덜하다는 이유로 전 세계적으로 가장 많이 쓰인다. 이 성분을 묻힌 씨앗을 심으면 나중에 다시 농약을 칠 필요도 없다. 때문에 한국도 상당히 많은 양을 사용하고 있다. 이를 금지하고 있는 곳은 유럽연합(EU)뿐이다. 이런 가운데 독일 요하네스 구텐베르크대 의대, 레겐부르크대 병리학연구소, 괴테대 공동연구진은 네오니코티노이드가 소량으로 존재하더라도 꿀벌에게는 치명적이라는 연구 결과를 내놨다. 연구진은 실험실에 꿀벌을 넣어 놓고 농도별로 네오니코티노이드를 주입시킨 뒤 매우 적은 양으로도 단 한 번에 꿀벌의 신경계에 심각한 영향을 미치는 것을 확인했다. 지금까지는 사람이 니코틴에 중독되듯이 네오니코티노이드가 꿀벌 체내에 누적되면서 문제를 일으킨다고만 알려졌다. 네오니코티노이드에 노출돼 신경계 손상을 입은 벌꿀은 방향감각을 잃는다. 마치 사람이 만취해 운전하는 것과 같은 영향이지만, 꿀벌에게 더 위협적인 것은 집을 찾지 못해 끝없이 비행하다가 죽거나, 다른 벌통에 들어가 공격을 받게 되기 때문이다. 게다가 이 성분은 꿀벌이 생산하는 꿀의 품질을 저하시키기도 한다. 이그나츠 베슬러 요하네스 구텐베르크대 의대 교수는 “이번 연구 결과는 네오니코티노이드가 폐사 원인인가에 대한 논쟁에 쐐기를 박을 만한 결정적 증거를 제시했다는 데 의미가 있다”면서 “이 성분이 들어간 살충제 사용을 금지해야 한다”고 강조했다. 이 연구는 미국 공공과학도서관이 발행하는 기초과학 분야 국제학술지 ‘플로스 원’ 24일자에 담겼다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

2012년 유럽핵입자물리연구소(CERN)가 신의 입자로 불린 ‘힉스 입자’를 발견하고 지난해 9월과 12월 레이저간섭계 중력파 관측소(LIGO) 연구단이 중력파를 관측하면서, 세계 과학계의 오랜 의문이 하나둘 풀렸다. 힉스 입자로써 우주 탄생의 기초입자를 확인하고 현대물리학의 표준모형을 완성했다. 중력파는 1915년 알베르트 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표하면서 예측한 현상 가운데 마지막까지 남아 있던 숙제였다. 시공간의 에너지 파장인 중력파를 확인하면서 블랙홀이나 중성자의 생성 같은 우주의 관측에 한 걸음 다가섰다. 이제 과학계가 눈을 돌린 곳은 암흑물질과 암흑에너지다. CERN은 힉스 입자를 발견한 뒤 향후 연구 대상으로 암흑물질을 지목했고, 최근 한국을 찾은 세계적인 입자물리학자인 리사 랜들 미국 하버드대 교수는 6600만년 전 공룡 대멸종의 주요 원인을 암흑물질로 꼽았다. 밤하늘의 별처럼 우주에서 우리 눈에 보이는 ‘일반 물질’은 4~5%에 불과할 뿐 나머지는 미스터리 물질인 암흑물질과 암흑에너지로 채워졌다고 과학계는 보고 있다. 암흑물질의 존재 가능성은 1933년 프리츠 츠비키(1898~1974) 미국 캘리포니아공과대(칼텍) 교수가 가장 먼저 제기했다. 츠비키의 주장은 20여년 동안 잠들어 있다가 1950년대 말 미국의 천문학자 베라 쿠퍼 루빈 박사가 애리조나 키트피크 천문대에서 은하 내 별의 회전 속도를 측정한 결과를 발표하면서 다시금 과학자들의 주목을 받았다. 루빈 박사는 은하 중심부 주변을 공전하는 별들의 속도가 모두 같다는 것을 발견했다. 기존 중력법칙에 따르면 중심에서 멀어질수록 느려져야 하는데, 이 법칙에서 벗어난 것이다. 일부 과학자들은 중력법칙을 수정해 이런 현상을 설명하려고 했지만 기존 중력법칙이 틀렸다는 증거를 찾지 못했다. 결국 새로운 물질의 존재를 가정할 수밖에 없었다. 그것이 바로 암흑물질이다. 암흑물질 연구 초창기에 연구자들은 블랙홀이나, 전기적으로 중성이며 질량이 거의 0에 가까운 소립자인 중성미자, 별과 별 사이에 존재하는 성간물질 등으로 암흑물질을 설명하려고 했지만 그런 ‘마초’(MACHO·무거운 우주질량체)들과는 성격이 다르다는 사실을 알게 됐다. 암흑물질은 전자기적 상호작용을 하지 않고 빛을 내는 물질과도 반응하지 않기 때문에 관측이 매우 어려운 ‘베일 속 물질’이라고 할 수 있다. 그렇지만 과학자들은 윔프(WIMPs)와 액시온으로 대표되는 위스프스(WISPs)를 대표적인 암흑물질 후보로 보고 검출을 위한 다양한 실험을 시도하고 있다. 국내 연구자들도 암흑물질 탐사를 위한 발걸음이 분주하다. 기초과학연구원(IBS)은 20일부터 24일까지 제주도에서 전 세계 21개국 60여개 기관의 연구자 120여명이 참여하는 ‘제12회 파트라스 국제학술대회’를 열고 있다. 이 대회는 전 세계 암흑물질 관련 연구자들이 한자리에 모여 최근 연구성과를 주고받는 자리로 암흑물질 분야 최대 규모의 학회로 평가받는다. 이와 함께 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단은 이달 초부터 CERN과 함께 위스프스 탐색을 위한 본격적인 공동연구에 나섰다. 지난해 공동연구를 위한 합의를 마치고 두 연구진은 이달 초 9테슬라(자기장 세기의 단위)급의 강력한 자석 개발에 착수했다. 액시온은 강한 자기장을 만나면 빛을 내는 광자로 바뀔 것으로 예측되는 만큼 9테슬라급 자석으로 태양에서 날아오는 암흑물질인 액시온을 검출하겠다는 계획이다. 이 실험은 향후 5년 동안 CERN에서 진행된다. ‘약하게 상호작용하는 무거운 입자’라는 뜻의 윔프 신호를 찾기 위한 지하 검출실험도 각국에서 진행되는 가운데 IBS 지하실험연구단은 강원도 양양 양수발전소 지하 700m에서 윔프 검출 실험을 하고 있다. 김두철 IBS 원장은 “CERN은 천체물리학과 입자물리학 분야에서 우수한 연구자들을 상당히 많이 보유하고 있다. IBS 액시온 연구단은 신호측정을 비롯해 암흑물질과 관련해 보유하고 있는 기술이 세계적이라는 평가를 받는 만큼 공동연구를 통해 물리학계 최대 미스터리인 ‘암흑물질’을 발견하고 물리학의 새로운 발전을 이끌어 낼 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

14억년전 블랙홀 2개 충돌때 생성 “자주 관측땐 우주 비밀에 한걸음” 천재 과학자 아인슈타인이 100년 전 일반상대성이론을 바탕으로 예측했던 중력파(重力波)가 또다시 발견됐다. 레이저간섭계 중력파 관측소(LIGO·라이고) 연구단은 지난해 12월 26일 오후 12시 38분 53초(한국시간)에 미국 루이지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 핸퍼드에 위치한 쌍둥이 라이고 검출기에서 역사상 두 번째 중력파를 관측하는 데 성공했다고 15일 밝혔다. 이번 연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 15일자에 실렸다. 이번 연구에는 한국 과학자들을 포함해 전 세계 19개국 100여개 기관 1000여명이 저자로 이름을 올렸다. 저자의 이름과 소속을 기록하는 데만 논문의 5페이지를 할애했다. 라이고 연구단은 지난해 9월 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 만들어진 중력파를 사상 최초로 검출하고 올해 2월 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 관련 논문을 발표해 ‘2016년 노벨 물리학상을 예약했다’는 찬사를 받기도 했다. 중력파는 호수에 돌을 던지면 생기는 물결처럼 블랙홀이나 중성자별처럼 질량이 큰 물체들이 충돌하거나 폭발할 때 우주 공간에 퍼져 나가는 일종의 에너지 파장이다. 이 때문에 중력파를 관측하면 블랙홀이나 중성자별의 생성과 진화는 물론 초기 우주 생성 등 지금까지 인류가 알 수 없었던 문제를 이해할 수 있게 해 줄 것으로 보고 있다. 이번에 찾아낸 중력파는 약 14억년 전 태양 질량의 14배와 8배에 해당하는 두 개의 블랙홀이 합쳐지는 과정에서 만들어진 것으로 분석됐다. 한국중력파연구협력단(KGWG) 이형목(서울대 물리천문학부 교수) 단장은 “블랙홀의 충돌로 만들어지는 중력파가 예상보다 훨씬 많이 생겼을 것이라는 예측을 한 바 있는데 이번 두 번째 관측으로 일단 이 예측이 맞다는 것이 확인됐다”며 “검출기 감도를 높이면 중력파를 더 자주 검출할 수 있을 것”이라고 설명했다. 오정근 국가수리과학연구소 선임연구원은 “중력파가 일상적으로 검출될 날이 가까워졌으며 그렇게 될 경우 중력파는 우주를 읽는 중요한 관측 수단이 될 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

14억년전 블랙홀 2개 충돌때 생성… “자주 관측땐 우주 비밀에 한걸음” 천재 과학자 아인슈타인이 100년 전 일반상대성이론을 바탕으로 예측했던 중력파(重力波)가 또다시 발견됐다. 레이저간섭계 중력파 관측소(LIGO·라이고) 연구단은 지난해 12월 26일 오후 12시 38분 53초(한국시간)에 미국 루이지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 핸퍼드에 위치한 쌍둥이 라이고 검출기에서 역사상 두 번째 중력파를 관측하는 데 성공했다고 15일 밝혔다. 이번 연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 15일자에 실렸다. 이번 연구에는 한국 과학자들을 포함해 전 세계 19개국 100여개 기관 1000여명이 저자로 이름을 올렸다. 저자의 이름과 소속을 기록하는 데만 논문의 5페이지를 할애했다. 라이고 연구단은 지난해 9월 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 만들어진 중력파를 사상 최초로 검출하고 올해 2월 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 관련 논문을 발표해 ‘2016년 노벨 물리학상을 예약했다’는 찬사를 받기도 했다. 중력파는 호수에 돌을 던지면 생기는 물결처럼 블랙홀이나 중성자별처럼 질량이 큰 물체들이 충돌하거나 폭발할 때 우주 공간에 퍼져 나가는 일종의 에너지 파장이다. 이 때문에 중력파를 관측하면 블랙홀이나 중성자별의 생성과 진화는 물론 초기 우주 생성 등 지금까지 인류가 알 수 없었던 문제를 이해할 수 있게 해 줄 것으로 보고 있다. 이번에 찾아낸 중력파는 약 14억년 전 태양 질량의 14배와 8배에 해당하는 두 개의 블랙홀이 합쳐지는 과정에서 만들어진 것으로 분석됐다. 한국중력파연구협력단(KGWG) 이형목(서울대 물리천문학부 교수) 단장은 “블랙홀의 충돌로 만들어지는 중력파가 예상보다 훨씬 많이 생겼을 것이라는 예측을 한 바 있는데 이번 두 번째 관측으로 일단 이 예측이 맞다는 것이 확인됐다”며 “검출기 감도를 높이면 중력파를 더 자주 검출할 수 있을 것”이라고 설명했다. 오정근 국가수리과학연구소 선임연구원은 “중력파가 일상적으로 검출될 날이 가까워졌으며 그렇게 될 경우 중력파는 우주를 읽는 중요한 관측 수단이 될 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

심연의 우주 속에 불타오르는 거대한 고리를 연상시키는 은하가 발견됐다. 최근 스페인 라구나 대학 등 공동연구팀은 지구에서 약 100억 광년 떨어진 곳에서 '아인슈타인 고리'(Einstein ring)를 관측하는데 성공했다고 발표했다. 조각가 자리의 왜소은하(Sculptor dwarf galaxy) 이미지를 분석하는 과정에서 우연히 발견된 아인슈타인 고리는 중앙이 텅 비어있어 '고리'라 불린다. 그렇다면 왜 세계 최고의 이론 물리학자인 아인슈타인 이름이 명칭에 붙어있는 것일까? 이를 알기 위해서는 아인슈타인이 딱 100년 전 일반 상대성이론에서 예언한 중력 렌즈 현상을 이해해야 한다. 아인슈타인은 강한 중력은 빛도 휘게 해서 렌즈역할을 할 수 있다고 예언했다. 이 중력렌즈는 사물을 확대하는 점에서는 돋보기와 유사해 아주 멀리 떨어진 은하를 본래보다 밝게 보이게 하지만 초점이 없기 때문에 상을 왜곡시키기도 한다. 쉽게 말해 중력렌즈는 '우주의 돋보기'로, 이 역할을 해주는 것이 수많은 은하들이 모인 은하단이다. 이 은하단은 주위의 시공간을 왜곡시켜 이같은 중력렌즈 현상을 만들어내 더 멀리 뒤쪽에 떨어진 은하의 모습을 보여준다.(두번째 사진 참조) 이 과정에서 중력렌즈에 의해 확대된 은하는 사진에서처럼 고리 모양으로 보이기도 해 학계에서는 이를 아인슈타인 고리라 명명했으며 4개로 보이는 경우는 아인슈타인 십자가(Einstein Cross)라 부른다. 이번에 발견된 아인슈타인 고리는 스페인 카나리아제도에 위치한 연구팀이 발견했기 때문에 ‘카나리아 아인슈타인 고리’로 이름 붙여졌다. 연구에 참여한 안토니오 아파리시오 박사는 "이번에 관측된 아인슈타인 고리는 무려 100억 광년 떨어진 매우 희미한 은하"라면서 "중력렌즈 역할을 한 것은 지구에서 60억 광년 떨어진 또 다른 은하"라고 설명했다. 이어 "아인슈타인 고리를 관측하기 위해서는 지구의 관측자와 두 은하가 나란히 일렬로 서야한다"면서 "이번 관측은 은하의 구성과 형성, 중력장의 구조 등을 연구하는데 도움을 준다"고 덧붙였다. 　 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

초기 우주 모습을 간직한 역대 가장 희미한 은하가 발견됐다. 미국 캘리포니아대학 데이비스캠퍼스(UC데이비스)와 로스앤젤레스캠퍼스(UCLA)의 교수들이 참여한 국제 연구팀이 하와이 W.M.켁 천문대에 있는 천체망원경을 사용해 130억 년 전에 존재했던 가장 희미한 은하를 발견했다고 ‘천체물리학저널 레터’(ApJL) 최신호(5월18일자)에 발표했다. 이에 대해 이 연구의 공동저자 토마소 트로이 UCLA 물리·천문학부 교수는 “이번 발견으로 ‘우주 암흑기’로 알려진 기간이 어떻게 끝났는지 천문학계의 가장 큰 수수께끼 중 하나를 푸는데 한 걸음 더 나갈 수 있게 됐다”고 말했다. 연구팀은 ‘중력렌즈’ 효과를 사용해 빅뱅(대폭발) 직후 탄생한 희미한 이 은하를 찾아낼 수 있었다. 중력렌즈 효과는 100년 전 아인슈타인이 일반상대성이론에서 예언한 것으로, 빛이 렌즈에 의해 굴절하는 것처럼 중력에 의해 굴절하는 현상을 말한다. 이 은하는 MACS2129.4-0741로 알려진 한 은하단 뒤에 숨어 있었다. 은하단은 이번 은하의 이미지를 3개나 만들 수 있을 만큼 거대하다. 빅뱅 이론에 따르면, 초기 우주는 확장하면서 차가워졌다. 트로이 교수는 이런 현상이 일어남으로써 양성자들이 전자들을 붙잡아 경수소를 형성했고 초기 우주는 방사선을 안 보이게 만들어 ‘우주 암흑기’가 시작됐다고 설명했다. 또 “그로부터 몇 억 년이 지난 어느 시기에 최초의 별들이 탄생했고 이 별들은 수소를 이온화할 수 있는 자외선을 생산하기 시작했다”면서 “결국, 충분한 별들이 생겼을 때 이 별들은 은하계 사이의 모든 수소를 이온화할 수 있었고 이제 우리가 보는 초기 우주를 만든 것”이라고 말했다. ‘우주의 재이온화’로 불리는 이 과정은 약 130억 년 전 일어났다. 하지만 과학자들은 이 과정이 일어날 만큼 별들이 충분히 많았는지 아니면 우주의 가스가 초질량 블랙홀들에 흡수될 때 발생하는 더 특이한 빛에 의한 것인지를 지금까지 알아내지 못했었다. 이에 대해 트로이 교수는 “현재, 가장 가능성이 큰 추측은 다른 희미한 은하들 역시 그 안에 있는 별들을 중력렌즈 증폭 없이 망원경들로 보면 너무 희미하다는 것”이라면서 “이 연구는 그런 은하들의 존재를 입증하기 위해 중력렌즈 효과를 활용한 것으로 수수께끼를 풀기위한 중요한 단계에 있는 것”이라고 말했다. 사진=브라닥/허블 우주망원경/W.M.켁 천문대 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

빛의 속도보다 1/3 느리게 회전중 지구에서 약 35억 광년 떨어진 퀘이사 ‘OJ287’은 지금까지 발견된 블랙홀 가운데 가장 큰 것 중 하나에 의해 강력한 빛을 내고 있다. 퀘이사(Quasar)는 ‘별과 비슷하게 보이는 전파원’(Quasi-stellar radio source)의 약자로 지구에서 관측할 수 있는 가장 밝은 천체를 말한다. 그런데 ‘OJ287’로 불리는 이 퀘이사는 1891년 처음 관측된 이후 약 12년마다 광학적인 ‘아웃버스트’(outburst)를 발생했다. 여기서 아웃버스트는 태양과 같은 천체의 전파가 짧으면 수초, 길면 며칠 동안 수배에서 수천 배로 강도를 높이고 이후 본래대로 돌아오는 현상을 말한다. 하지만 이제 천문학자들이 새로운 데이터를 통해 이런 아웃버스트에 ‘이중적인 최대치’가 존재한다는 것을 밝혀냈다. 연구진은 이번 관측에서 우리 태양보다 질량이 약 180억 배나 무거운 이 거대 블랙홀의 회전 속도를 정확하게 측정하기 위해 이 블랙홀에 질량이 다른 위성 블랙홀이 존재하는 모델을 처음으로 만들어냈다. 이를 통해 핀란드 투르쿠대학의 마우리 발토넨 교수가 이끈 국제 연구진은 이 거대 블랙홀의 회전 속도가 일반상대성이론에서 허용하는 최대치인 빛의 속도의 3분의 1 정도가 된다는 것을 밝혀냈다. 이를 계산하기 위해 연구진은 서로 다른 질량을 가진 두 블랙홀로 설명되는 새 모델을 사용한 것이다. 더 큰 블랙홀은 강착원반(Accretion disc)에 둘러싸여 있다. 강착 원반은 블랙홀의 강력한 중력에 이끌린 가스와 먼지로 이뤄진 성간 물질이 바로 블랙홀로 빨려 들어가는 것이 아니라 소용돌이치면서 만든 원반형의 물질 흐름을 말한다. 이때 더 작은 블랙홀이 일종의 위성처럼 큰 블랙홀 주위를 공전하고 있는 것이 연구진이 만들어낸 모델이다. 즉 작은 위성 블랙홀이 주기적으로 큰 블랙홀의 강착원반을 통과하면서 해당 영역을 극한 온도로 가열시켜 아웃버스트를 생성한다는 것이다. 연구진은 이중 블랙홀 모델로 언제 어디서 작은 블랙홀이 강착원반에 영향을 줘 아웃버스트가 일어나는지 예상할 수 있었다고 말했다. 지난 2010년 연구진은 작은 블랙홀이 큰 블랙홀을 공전할 때마다 약 39도의 차이가 있는 것을 알고 작은 블랙홀의 세차 운동(중심축이 기울어진 회전체가 수직선 주위를 회전하는 현상) 속도를 측정하기 위해 8번의 아웃버스트를 분석했다. 또 연구진은 이 모델을 사용해 해당 퀘이사에서 다음번 아웃버스트가 언제 일어날지 예측할 수 있었다. 연구진은 미국항공우주국(NASA)의 스위프트(SWIFT) 엑스(X)선 우주망원경을 비롯해 지구 곳곳에 있는 지상망원경 24개와 협력해 2015년 11월 25일쯤으로 예측한 아웃버스트를 포착하기 위한 관측 캠페인을 시행했고 성공할 수 있었다. 이 아웃버스트는 2015년 11월 18일 때쯤 시작돼 같은 해 12월 4일에 최대 밝기에 도달했다. 이 밝은 아웃버스트의 관측으로 연구진은 한국과 일본, 인도, 터키, 그리스, 핀란드, 폴란드, 독일, 영국, 스페인, 미국과 멕시코에 있는 망원경을 사용해 직접 큰 블랙홀의 회전 속도를 측정할 수 있었다. 연구진은 “일반상대성이론으로 예측되는 중력파에 의해 2% 내의 궤도 에너지 손실을 확인할 수 있었다”면서 “이는 중력파를 방출하는 이중 블랙홀 시스템에 관한 최초의 간접적인 증거”라고 말했다. 사진=APOD/NASA(위), 게리 포이너 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

아인슈타인의 일반상대성이론을 뒤집을 수 있는 ‘5차원 블랙홀’이 실존한다면? 과학 전문매체 와이어드 영국판은 최근 과학자들이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 5차원 블랙홀이라고 불릴 수 있는 독특한 블랙홀을 만들어내는 데 성공했다고 보도했다. 영국 케임브리지대와 런던 퀸메리대 공동 연구진은 슈퍼 컴퓨터 시뮬레이션으로 얇은 고리 모양의 블랙홀을 구현했다. 이른바 ‘블랙링’이다. 공개된 시뮬레이션을 보면, 5차원 블랙홀은 전체적으로 팽창했다가 다시 조금 줄어들더니 회전을 한다. 그러면서 동서남북처럼 대칭을 이루는 네 방향의 일부분이 급격히 팽창하고, 각 부분과 연결된 각 부위는 상대적으로 가늘어지면서 독특한 블랙홀 형태를 띠게 되는 것이다. 연구진은 이런 모양을 수도꼭지에서 흘러나오는 물이 물방울로 분산하는 구조에 비유하면서도 이런 형태의 천체는 5개 이상의 차원을 가진 우주에서밖에 존재할 수 없다고 설명했다. 이런 고리 모양의 블랙홀이 처음 이론화된 시점은 지금으로부터 14년 전인 2002년이지만, 재현해내는 시뮬레이션에 성공한 사례는 이번 연구가 처음이다. 만일 이런 블랙홀이 실제로 존재한다면 이들은 ‘노출 특이점’(naked singularity·물질 밀도가 무한대가 되는 점으로서 사건 지평선으로 둘러싸이지 않은 특이점)의 출현으로 이어질 수 있다. 연구팀에 따르면, 노출 특이점은 일반상대성이론을 지지하는 원리와 방정식을 부정한다. 특이점은 중력이 너무 강해 시간과 공간, 물리학 법칙이 완전히 깨지는 점을 말하는 데 일반상대성이론에서 특이점은 블랙홀 내부에 존재하며 이는 중력이 너무 강해 탈출할 수 없는 한계선인 ‘사건의 지평선’에 둘러싸여 있는 것으로 설명된다. 이번 연구에 공동저자로 참여한 마커스 쿠네시 케임브리지대 박사과정 학생은 “특이점은 사건의 지평선 너머에 숨어있는 한 문제가 될 건 없다. 일반상대성이론은 유효하다”면서도 “하지만 사건의 지평선에 둘러싸여 있지 않은 ‘노출 특이점’은 현재의 물리학 법칙을 부정한다”고 말했다. 또 다른 공동저자인 사란 튜냐슈뷰나쿨 케임브리지대 박사과정 학생은 “만일 노출 특이점이 존재한다면 일반상대성이론은 깨지게 되는 것”이라면서 “만일 일반상대성이론이 깨지게 되면 모든 것이 뒤집히게 될 것”이라고 말했다. 이어 “왜냐하면 일반상대성이론이 깨지면 인과율(원인과 결과) 법칙을 더는 논의할 수 없기 때문”이라면서 “우주를 설명할 수 있는 이론이 더는 없게 되는 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구성과는 세계적인 물리학 권위지 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 최신호(2월 18일자)에 게재됐다. 사진=NASA/JPL(위) 케임브리지대 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

아인슈타인의 일반상대성이론을 ‘깰’ 수 있는 ‘5차원 블랙홀’이 실존한다면? 과학자들이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 5차원 블랙홀이라고 불릴 수 있는 독특한 블랙홀을 만들어내는 데 성공했다고 과학매체 와이어드 영국판이 19일(현지시간) 보도했다. 영국 케임브리지대와 런던 퀸메리대 공동 연구진은 슈퍼 컴퓨터 시뮬레이션으로 얇은 고리 모양의 블랙홀을 구현했다. 이른바 ‘블랙링’이다. 공개된 시뮬레이션을 보면, 5차원 블랙홀은 전체적으로 팽창했다가 다시 조금 줄어들더니 회전을 한다. 그러면서 동서남북처럼 대칭을 이루는 네 방향의 일부분이 급격히 팽창하고, 각 부분과 연결된 각 부위는 상대적으로 가늘어지면서 독특한 블랙홀 형태를 띠게 되는 것이다. 연구진은 이런 모양을 수도꼭지에서 흘러나오는 물이 물방울로 분산하는 구조에 비유하면서도 이런 형태의 천체는 5개 이상의 차원을 가진 우주에서밖에 존재할 수 없다고 설명했다. 이런 고리 모양의 블랙홀이 처음 이론화된 시점은 지금으로부터 14년 전인 2002년이지만, 시뮬레이션에 성공한 사례는 이번 연구가 처음이다. 만일 이런 블랙홀이 실제로 존재한다면 이들은 ‘노출 특이점’(naked singularity·물질 밀도가 무한대가 되는 점으로서 사건 지평선으로 둘러싸이지 않은 특이점)의 출현으로 이어질 수 있다. 연구팀에 따르면, 노출 특이점은 일반상대성이론을 지지하는 원리와 방정식을 부정한다. 특이점은 중력이 너무 강해 시간과 공간, 물리학 법칙이 완전히 깨지는 점을 말하는 데 일반상대성이론에서 특이점은 블랙홀 내부에 존재하며 이는 중력이 너무 강해 탈출할 수 없는 한계선인 ‘사건의 지평선’에 둘러싸여 있는 것으로 설명된다. 이번 연구에 공동저자로 참여한 마커스 쿠네시 케임브리지대 박사과정 학생은 “특이점은 사건의 지평선 너머에 숨어있는 한 문제가 될 건 없다. 일반상대성이론은 유효하다”면서도 “하지만 사건의 지평선에 둘러싸여 있지 않은 ‘노출 특이점’은 현재의 물리학 법칙을 부정한다”고 말했다. 또 다른 공동저자인 사란 튜냐슈뷰나쿨 케임브리지대 박사과정 학생은 “만일 노출 특이점이 존재한다면 일반상대성이론은 깨지게 되는 것”이라면서 “만일 일반상대성이론이 깨지게 되면 모든 것이 뒤집히게 될 것”이라고 말했다. 이어 “왜냐하면 일반상대성이론이 깨지면 인과율(원인과 결과) 법칙을 더는 논의할 수 없기 때문”이라면서 “우주를 설명할 수 있는 이론은 더는 없게 되는 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구성과는 세계적인 물리학 권위지 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 최신호(2월 18일자)에 게재됐다. 사진=NASA/JPL(위) 케임브리지대 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

세계를 바꾼 17가지 방정식/이언 스튜어트 지음/김지선 옮김/사이언스북스 출판/528쪽/2만원 2014년 세계수학자대회 때문인지 최근 수학 관련 교양서적이 많이 나오고 있다. 하지만 직접적으로 수식까지 언급하면서 설명하는 책은 많지 않다. 수식을 쓰는 순간 독자 수가 줄어들 거라고 생각을 하기 때문이다. 이번에 나온 이언 스튜어트 교수(영국 워릭대)의 ‘세계를 바꾼 17가지 방정식’은 수식을 일부러 피하지 않는다. 이 책은 수학과 이론물리에서 나오는 17개 방정식이 주인공이다. 방정식 하나하나를 마치 예술품 감상하듯 보여 주고, 그 방정식에 얽힌 역사 이야기부터 현재 그 방정식이 어떻게 사용되는지, 그 방정식 덕분에 인류 문명은 어떻게 발전해 가는지 그 주인공의 활약상을 보여 준다. 이 책에서 다루는 방정식 하나하나는 인류 문명에 큰 영향을 끼친 것들이다. 중학교 때 배웠을 피타고라스 정리, 고등학생 때 배웠을 로그와 미적분, -1의 제곱근인 허수 같은 것부터 시작해서 뉴턴의 중력 법칙, 전자기파를 설명하는 맥스웰 방정식, 아인슈타인의 상대성이론도 다루고 나중에는 정보량(엔트로피)을 결정하는 공식과 금융시장의 선물 옵션 가격을 결정하는 공식인 블랙·숄스 방정식도 거론한다. “수식에 얼마나 많은 뒷이야기가 있겠어”라고 생각하며 이 책을 펼치면 그렇지 않다는 것을 금방 알 수 있다. 이 책을 보다가 새롭게 알게 된 것들이 많다. 그중 하나는 ‘수학에서 왜 제곱하면 -1이 되는 수를 꼭 만들어야 했나요’라는 질문에 관한 것이다. 16세기에 3차방정식의 근의 공식이 알려졌는데, 어떤 3차방정식은 분명 모든 답이 실수인데도, 근의 공식에 대입하면 음수의 제곱근을 이용하여야 그 답을 구할 수 있었다. 즉, 우리가 실재한다고 생각하는 실수해를 찾는데 허수를 써야 근의 공식을 통해 구할 수 있으니 허수가 정말 필요했던 것이다. 그렇다고 이 책이 옛날이야기만 하는 것은 전혀 아니다. 뉴턴의 중력 법칙에 관한 장에서는 최근 ‘마션’이라는 영화에 나온 것처럼 연료를 절약하면서 행성으로 우주선을 보내는 경로를 계산하는 최근 연구 결과를 다루고 있다. 수학의 웨이블렛 이론 덕분에 FBI가 지문 정보를 저장할 때 압축률을 매우 높일 수 있었다는 이야기도 한다. 피타고라스 정리를 다루는 장에서는 최근에 관측된 중력파를 이해하는 데 필요한 수학 이론인 리만 기하학까지 이야기가 흘러간다. 이런저런 옛날 학자들의 뒷이야기부터 그 덕분에 문명이 어떻게 발전해 왔는지 등등을 잘 풀어낸 책으로 이공계 전공자이거나 아니거나 모두 즐길 수 있다. 엄상일 KAIST 수리과학과 교수

내가 예견했던 수많은 현상 중 100년 동안 유일하게 수수께끼로 남아 있던 ‘중력파’(重力波)가 드디어 발견됐다지? 나는 알베르트 아인슈타인일세.●NSF 공식 발표… 한국 연구진도 참여 미국과학재단(NSF)이 11일 오전 10시 30분(현지시간) 중력파 발견을 공식화했더군. 이번에 중력파를 발견한 연구진은 미국과 한국, 독일, 영국, 이탈리아, 프랑스 등 15개국 83개 연구소 과학자 1006명이 참여한 대규모 연구 집단이라네. 이들은 미국 루이지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 핸퍼드에 ‘레이저 간섭계 중력파 관측소’(LIGO)를 만들어 중력파를 측정했어. LIGO는 길이가 4㎞에 이르는 진공 터널을 2개 이어 붙이고 양끝에 거울을 달아 그 사이에 레이저가 오가도록 한 장치야. 중력파가 터널을 지나가면 거울이 출렁이면서 거울이 비뚤어져 레이저의 위치가 변하게 되는 거지. 물론 변화의 폭이라고 해야 원자 하나의 100만분의 1 정도밖에는 안 되지만 말이야.●중력, 시공간의 휘어짐 때문에 발생 이번에 발견된 중력파는 각각 태양의 29배와 36배 질량을 가진 블랙홀 2개가 충돌해 새로운 블랙홀이 되면서 만들어진 것이라더군. 중력파의 존재는 내가 1915년 11월 25일 ‘프로이센 과학 아카데미’에 발표한 ‘중력장 방정식’(일반상대성이론)이란 제목의 논문 발표 때로 거슬러 올라간다네. 위대한 물리학자 아이작 뉴턴은 중력이란 두 물체 사이에 나타나는 만유인력이라는 힘 때문이고, 시공간과 물체는 아무런 영향을 주고받지 않는 것으로 봤다네. 그렇지만 일반상대성이론에 따르면 시공간은 물체의 분포로 인해 휘어지고, 중력은 시공간의 휘어짐 때문에 발생하는 것이지. 푹신한 소파를 상상해 보게. 거기에 앉거나 무거운 물건을 올려놓으면 아래로 움푹 들어가겠지. 그 주변에 조그만 구슬을 올려놓으면 휘어진 표면을 따라 구슬이 굴러가지 않겠나. 내가 생각한 우주도 마찬가지네. 크기가 크거나 중력이 큰 별 주변은 시공간이 굴절되고, 그 굴절된 시공간을 따라 물체가 움직이게 되는 거지.●블랙홀 충돌에 시공간 흔들리며 파동 별이 폭발하거나 블랙홀끼리 충돌하는 등 급격한 변화가 발생하면 시공간이 흔들리면서 파동의 형태로 퍼져 나가게 되는데 이것이 바로 중력파일세. 빛의 속도로 전달되는 중력파를 관측하면 먼 우주까지 보는 것이 가능하지만 문제는 파동의 세기가 아주 약해서 측정이 쉽지는 않다는 거야. 미국 메릴랜드대 조지프 웨버 박사가 1969년 초기 형태의 검출 장치를 만들어 중력파를 찾아 나서기 시작한 이후 지금까지 많은 연구자가 중력파란 물리학의 성배를 찾아 나섰다네. 2014년 3월에도 미국 하버드·스미스소니언 천체물리센터가 ‘바이셉2’라는 특수망원경으로 중력파 검출에 성공했다고 발표했지만 재검증 결과 ‘우주 먼지’로 판명됐지. ●‘엑스레이’처럼 우주 내부 관측 기대 어쨌든 이번 중력파 발견은 우주 깊숙한 곳에서 일어나는 일을 좀 더 잘 알 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다네. 지금까지는 우주를 관측하는 데 주로 전자기파를 사용했는데, 전자기파로는 천체 표면에 대한 정보밖에 얻을 수 없었지. 엑스선이 사람의 몸속을 더 잘 알게 해 줬듯이 중력파는 별의 내부 사정을 잘 알 수 있게 해 줄 거라 생각하네. 만약 빅뱅 초기에 발생한 중력파를 측정할 수만 있다면 우주의 진화에 대해 더 많은 정보를 얻을 수 있겠지. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

11일 발표… 우주탄생 비밀 열쇠 100년 전 알베르트 아인슈타인(1879~1955)에 의해 존재가 주장됐으나 실제로 측정된 적은 없는 중력파의 관측에 관한 주요 발표가 미국에서 11일(현지시간) 이뤄질 예정이다. 전문가들은 중력파를 최초로 발견했다는 ‘세기적 사실’이 깜짝 발표될 것으로 전망하면서 흥분하고 있다. 아인슈타인은 1916년 발표한 일반상대성이론에서 빅뱅 이후 우주 공간 전체에 전자기파가 퍼지는 과정에서 지구 등 거대한 질량을 가진 천체에 의해 중력이 변하면서 시공간도 함께 휘어진다고 주장했다. 이때 휘어진 시공간이 질량과 중력 사이에 파동을 일으키는 중력파를 만들어냈다. 중력파는 우주에서 수백만 광년을 여행하며 전자기파에 의해 어떠한 왜곡과 변화도 받지 않기 때문에 초신성 폭발 등 중력파 방출 당시의 정보를 온전히 담고 있다. 중력파가 1세기 만에 발견된다면 우리 시대의 가장 큰 과학 발견 중 하나가 될 것이며, 우주의 탄생을 이해하는 데 크게 기여할 수 있다고 AFP가 전했다. 중력파를 관측하면 ‘금세기 최고의 발견’이라거나 ‘노벨 물리학상 수상감’이라는 평가가 나온다. 미국의 국립과학재단(NSF)은 8일 성명에서 “캘리포니아공과대(칼텍), 매사추세츠공과대(MIT), 레이저간섭계중력파관측소(LIGO) 과학협력단의 과학자들이 11일 오전 10시 30분(한국시간 12일 0시 30분) 워싱턴DC에서 기자회견을 갖고 중력파 발견 활동에 대한 현황을 보고할 것”이라고 밝혔다. LIGO는 지구를 지나가는 중력파가 만드는 매우 미세한 진동을 감지하기 위해 칼텍과 MIT의 과학자들이 NSF의 지원을 받아 만든 시설로, 루이지애나주 리빙스턴과 워싱턴주 핸퍼드에 설치돼 있다. NSF가 발표한 성명은 매우 모호해 11일 어떤 내용이 발표될지 추측하기 어렵다. 하지만 LIGO가 중력파를 발견했다는 소문은 지난달부터 돌고 있었다. 지난 3일 맥매스터대의 이론물리학자 클리프 버게스는 독립된 소스를 통해 LIGO가 두 개의 블랙홀이 합쳐질 때 방출된 중력파를 발견했으며 이 발견은 네이처에 실릴 예정임을 확인했다고 밝힌 것으로 과학전문매체 사이언스가 보도했다. 박기석 기자 kisukpark@seoul.co.kr

안녕, 난 ‘블랙홀’이야, 반가워. 요즘은 현대 물리학과 천문학 분야의 대표적인 상징으로 인정받고 있지만 출생과 성장 과정을 들어보면 그 어떤 드라마나 영화보다 재미있을 거야.내가 태어난 건 1915년 알베르트 아인슈타인 박사님이 발표한 ‘일반 상대성이론’ 덕분이야. 중력에 의해 공간이 휜다는 내용인데, 당시 상대성이론의 중력장 방정식은 물리학 역사상 가장 어려운 방정식이어서 완전히 풀어낼 수 있을지 다들 의문이었대. 내가 태어나기는 했지만 살아남을 수 있을지가 불투명했던 상황이었지. 그런데 예상보다 빨리 1916년 독일 천체물리학자 칼 슈바르츠실트 박사님이 회전하지 않는 천체의 중력장 방정식의 해답을 구했어. 그 답에 따르면 중력이 큰 태양 바로 주변에서 빛이 휘어야 한다는 것이었지. 빛은 직진한다고 알고 있던 사람들은 그 답에 반신반의했대. 그 사실이 밝혀지지 않으면 나는 실제로 태어난 것이 아니라 머릿속에서 상상으로만 태어난 아이가 되는 거였어. 그런데 1919년 영국 천문학자 아서 에딩턴 경께서 아프리카에서 발생한 개기일식 때 빛이 휘는 것을 관측하는 데 성공해서 내가 실제로 존재한다는 사실을 밝혀내셨지. 좀 부끄러운 얘기지만 1969년까지 난 이름이 없었어. 무려 54년을 이름 없이 살았던 거야. 그러다가 1969년 미국 이론물리학자 존 아치볼드 휠러 박사님께서 ‘블랙홀’이라는 멋진 이름을 지어주셨지. 그 이전까지는 ‘얼어붙은 별’, ‘빛까지 빨아들이는 지옥별’ 등으로 불렸어. 멋진 이름을 갖기는 했지만, 사람들에게 나는 모든 것을 빨아들여 파괴하는 나쁜 이미지로 각인됐지. 그런데 영국의 스티븐 호킹 박사님이 “블랙홀은 생각만큼 검지도 않고 영원한 감옥도 아니다”라고 선언하시고 “빛보다 빠르게 에너지를 방출하기도 한다”고 발표하셔서 파괴자의 이미지를 버릴 수 있게 됐어. 이제 과학계에서는 ‘블랙홀이 있나 없나’가 아니라 ‘블랙홀은 얼마나 많이, 어떻게 만들어지나’를 궁금해하고 있대. 최근에 일본 게이오대 천문학자들이 나가노의 노베아먀 전파천문대에 있는 지름 45m 전파망원경으로 우리 은하를 관측한 결과, ‘궁수자리A’ 별에서 200광년 떨어져 있는 거리에서 태양 질량보다 10만배 더 큰 블랙홀을 발견했대. 천문학 분야 국제학술지인 ‘천체 물리학 레터’ 1월호에 발표된 이번 연구결과 덕분에 천문학자들은 태양의 수백~10만배 정도의 중간 형태 블랙홀이 결합을 반복하면서 거대한 블랙홀을 만드는 과정을 이해할 수 있게 됐다고 하네. 내 얘기에 과학자들만 관심을 갖는다는 건 오해야. 우리 덕분에 ‘웜홀을 통한 시간여행’처럼 SF 작가들의 작품 소재가 훨씬 풍부해졌잖아. 사실 내 자신에 대해서 내가 모르는 이야기들은 아직도, 여전히 많아. 그게 무엇일지 궁금하지 않아? 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

오늘 아침 출근길은 어땠나. 일기예보에서 말한 것처럼 무척 추운 날씨였지?반갑네, 난 영국 기상청의 조지 카울링(1920~2009)일세. 세계 최초의 TV 기상캐스터라네. 요즘은 ‘기상캐스터=여성’이겠지만 1990년대 초까지만 해도 기상캐스터는 대부분 남자들이었지. 1954년 1월 11일 오후 7시 55분, 내가 BBC에서 처음 날씨 방송을 했던 때야. 한국에서는 1972년 동양방송에서 처음 날씨 방송을 시작했으니까 그보다 18년 정도 빠르지. 정규 프로그램이 시작하기 직전 5분 동안 벽에 영국 지도를 붙여 놓고 연필과 지우개로 그림을 그려 가면서 다음날 날씨를 설명했었지. 요즘은 날씨 전문 채널도 있고 스마트폰 날씨 애플리케이션(앱) 같은 것도 있어서 원할 때 특정 장소의 날씨를 바로바로 알 수가 있잖아. 방송에서 일기예보를 하지 않는 것이 도리어 이상하겠지만 TV가 막 보편화되기 시작했던 당시에 5분짜리 날씨 방송은 그야말로 파격적인 프로그램이었지. 또 ‘내일은 모처럼 맑은 날씨여서 빨래 말리기 좋은 날’이라는 설명처럼 생활과 기상을 접목시킨 것도 내가 처음 시도한 거야. 이렇게 짧은 일기예보 뒤에는 엄청나게 정교하고 복잡한 과학적 분석 과정이 숨어 있다네. ‘세상 만물은 인과관계로 연결되기 때문에 초기 상태와 규칙만 알 수 있다면 미래 상태를 정확히 예측할 수 있다’는 ‘라플라스의 악마’라는 가상의 무한 지성에 대해 들어 봤나. 이런 인과론적 과학은 20세기 들어와 양자역학과 상대성이론 때문에 무너지게 됐지. 그렇지만 기상예보에서는 여전히 인과론적 해석이 유용하다네. 수증기와 온도, 대기의 상태, 바람 등의 정보를 정확하게 얻어 적절한 수학적 모델을 이용해 분석하면 미래의 날씨를 정확히 예측할 수 있다는 믿음이지. 점성을 가진 유체의 운동을 표현하는 ‘나비에-스토크스 방정식’은 일기예보에 쓰이는 대표적인 유체역학 방정식인데 너무 복잡해서 슈퍼컴퓨터로 계산을 한다네. 어느 나라에서든지 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 날씨 예측에 쓰인다는 건 알고들 있을 거야. 매일 정해진 시간에 일기예보를 하기 위해서는 무수한 데이터를 제한된 시간 내에 정확히 분석해 결과를 내야 하기 때문이지. 최신 슈퍼컴퓨터를 동원해 날씨를 정확하게 예측하려 하더라도 틀리기 쉬운 게 날씨 예측이라네. 날씨에 영향을 미치는 데이터의 종류들은 수없이 많고 ‘나비효과’라는 말이 보여주는 것처럼 기상 현상에서는 아주 작은 차이가 큰 변화를 초래하기 때문이지. 더군다나 요즘처럼 지구온난화로 인해 국지적 기상이변이 잦아지는 상황에서 기상예보관들의 머리는 터질 지경이라네. 그렇지만 기상학자들이나 기상 관련 기관들이 날씨를 정확히 분석해 대중에게 알리기 위해 밤낮없이 노력한다는 사실만은 잊지 말아 줬으면 하네. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

“나는 정말 중요한 일에 온 정신을 빼앗기고 있기 때문에 편지 쓸 시간을 낼 수가 없었다네. 지난 2년 동안 중요한 문제들을 생각하느라 밤낮으로 내 두뇌를 괴롭혔지. 그렇지만 그것들은 물리학의 근본적인 문제들을 진전시키는 것들이라네.” 알베르트 아인슈타인(1879~1955)이 절친한 대학 친구 안젤로 베소에게 일반상대성 이론을 연구하면서 느낀 고뇌를 절절히 털어놓은 편지 구절이다. 25일은 아인슈타인을 ‘20세기 물리학의 마에스트로’로 만들어 놓은 일반상대성 이론이 세상에 공개된 지 100주년이 되는 날이다. 일반상대성 이론의 발표로 완성된 상대성이론 체계는 양자역학과 함께 현대물리학의 양대 기둥이 됐다. 1915년 11월 25일 서른 여섯의 젊은 물리학자 아인슈타인은 독일 ‘프로이센 과학원 회보’에 ‘중력의 장 방정식’이란 제목의 일반상대성 이론을 발표함으로써 현대물리학의 거장으로 확고히 자리매김했다. 1905년 발표한 특수상대성 이론은 물리법칙과 빛의 속도는 어디서든지 일정하기 때문에 변하는 것은 시간이나 거리 같은 물리량이라는 내용이다. 이 이론은 등속운동이라는 특수한 경우에는 적용이 되지만 가속운동이나 중력이 적용되는 공간에서는 정확하지 않다는 문제가 있었다. 그래서 아인슈타인은 모든 상황에서 적용이 가능한 일반이론을 만들어 낸 것이다. 일반상대성 이론은 시공간과 물질 간의 관계, 이 둘을 연결하는 중력을 설명하는 것으로 우주와 빅뱅, 블랙홀 등 다양한 우주 현상을 정확히 이해할 수 있도록 도왔다. 뉴턴은 사과가 지구로 떨어지는 것은 지구와 사과 사이에 작용하는 중력 때문이라고 설명하지만 일반상대성 이론에 따르면 지구로 인해 휘어진 공간으로 사과가 굴러떨어지는 것이다. 이렇게 휘어진 시공간은 빛의 경로에도 영향을 미친다. 상대성이론은 우리와는 상관없는 것 같아 보이지만 위치확인시스템(GPS)은 일반상대성 이론이 적용되는 대표적 사례다. 상대성이론에 따르면 빠르게 움직이는 물체의 시간은 상대적으로 느리게 흐른다. GPS 신호를 보내는 위성의 시간도 지표면의 시간보다 느리게 흘러간다. 여기에 중력의 영향까지 받는다. 이런 속도와 중력효과를 상대성이론으로 바로잡아 주지 않는다면 차량 내비게이션의 순간오차는 10m 넘게 날 수 있다. 경희대 물리학과 남순건 교수는 “과거에도 천체를 관측하고 연구하기는 했지만 우주라는 공간을 제대로 이해할 수 있게 된 것은 1915년 아인슈타인이 일반상대성 이론을 발표한 이후부터”라며 “상대성이론은 인류의 세계관을 확장시켰다는 점에서 과학을 뛰어넘은 철학”이라고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

과학자의 연애/박민아 등 지음/바이북스/240쪽/1만 3500원 ‘사랑할수록 더 많이 혁명할 수 있다.’ 68혁명의 대표적 구호다. 비폭력 문화혁명으로서 갖는 에너지와 순수함을 단적으로 드러냈다. 사랑의 힘은 과학 혁명에도 예외가 될 수 없다. 영화, 드라마 등에서는 흔히들 과학자는 뛰어난 두뇌와 냉철한 이성으로 우주의 운영 원리를 발견해 내고, 꽁꽁 숨겨진 자연의 비밀을 풀어 내지만, 사랑하는 여자(혹은 남자)의 마음을 알고 이해하는 데는 젬병인 인물로 묘사되곤 한다. 하지만 현실 속 과학자들의 사랑은 달랐다. ‘사랑의 힘’은 그들의 연구를 자극하고 격려하는, 학문적 영감의 원천이었다. 위대한 과학자들의 내밀한 연애사를 들여다보는 일은 사랑의 보편성과 위대함, 당대의 사회문화상을 다시금 확인하는 일이며 인류사에 길이 빛나는 과학적 성취를 좀더 쉽고 재미나게 접할 수 있는 방법이다. 상대성 이론을 발견한 아인슈타인은 천재 과학자이면서 희대의 바람둥이과에 속했다. 첫 아내 밀레바 마리치를 만나기 전의 젊은 시절은 좀 우울했다. 취리히대학을 턱걸이로 졸업한 뒤 실업자 신세에 고등학교 임시 수학교사를 전전하다가 얻은 직업이 겨우 특허청 심사원이었다. 그러면서도 수학과 물리학에 자신보다 탁월한 능력을 보인 밀레바를 만나 그의 도움 속에서 놀라운 학문의 꽃을 피울 수 있었다. 밀레바와 결혼 3년째, 광전효과와 브라운 운동, 특수상대성이론을 일제히 발표하며 과학사가들이 1905년을 ‘기적의 해’라고 부르도록 했다. 특히 특수상대성이론의 논문은 밀레바가 검토해 7곳의 오류를 수정해 줬고 ‘움직이는 물체의 전기역학적 특성에 대하여’라는 극도의 겸손한 제목까지 달아 줬다. 오만하게 기존 학계의 권위에 도전하는 듯한 인상을 피하기 위한 세심한 의도였다. 프랑스혁명의 사상적 이데올로그 역할을 맡았던 계몽주의 철학자 볼테르는 에밀리가 없었다면 그저 그런 작가로 남았을지 모른다는 평가를 들을 정도다. 에밀리와 볼테르는 18세기 프랑스 사교계에서 불륜이면서도 공인된 연인 관계였다. 하지만 여자라는 이유로 과학적 재능을 발휘하지 못한 에밀리와 귀족이 아닌 신분의 제약으로 작가적 재능 발휘에 한계가 있던 볼테르의 만남은 단순한 염문 이상이었다. 수학과 과학에 탁월한 재능을 보인 에밀리는 뉴턴의 ‘프린키피아’의 심오한 비밀을 끝까지 파고든 뒤 ‘뉴턴 자연철학의 수학적 원리’라는 명료한 해설서를 남겼다. 볼테르 역시 에밀리의 도움을 받아 뉴턴의 법칙을 당대 정치 사회를 해석하는 잣대로 삼아 계몽주의 철학의 논리적 근간을 완성시켰다. 이 밖에도 동성애라는 금지된 사랑 속에서 인공지능의 기초를 닦은 앨런 튜링, 침팬지의 생태를 관찰한 제인 구달, 완벽한 파트너십을 보여 준 퀴리 부부 등은 사랑의 위대함을 실증하는 살아 있는 사례가 됐다. 박록삼 기자 youngtan@seoul.co.kr