우주의 시공간이 뒤틀릴 때 발생하는 중력파

들어가는 말

공간과 시간이 왜곡되면 어떤 일이 일어날까요? 어떻게 시간과 공간이 뒤틀릴 수 있을까요? 그 해답은 바로 중력파입니다. 세계 과학계를 흥분시킨 중력파에 관한 뉴스는 21세기 최대의 발견이라고해도 과언이 아니었습니다. 모두 중력에 대해 한 번쯤은 들어보셨을 겁니다. 아인슈타인은 1915년 상대성이론을 통해 시공간이 왜곡될 때 발생하는 중력파의 존재를 예측했지만, 아인슈타인은 그것들이 이론에서만 존재할 뿐 기술적으로 발견되지는 않을 것이라고 생각했습니다. 불과 100년이 지난 2015년 정말 놀라운 과학기술로 탄생한 중력파 관측소 LIGO에서 중력파가 발견되었습다. 시간과 공간의 왜곡으로 인한 우주의 파도를 감지할 수 있다는 사실을 믿을 수 있나요? 연구팀은 2016년 LIGO에서 두 번째 중력파를 발견했으며, 2017년 6월 1일 세 번째 중력파의 발견을 발표했습니다. 도대체 중력파가 얼마나 대단한 것이길래 이렇게 난리가 난 것일까요?

 

중력파란?

중력파는 전혀 어려운 개념이 아닙니다. 중력파는 두 개의 거대한 블랙홀의 충돌이나 생명이 끝난 별의 폭발 등 우주에서 거대한 물체의 갑작스러운 움직임으로 인해 시공간마저 왜곡될 때 발생하는 파동입니다. 이를 이해하기 위해서는 먼저 중력의 개념을 바로잡을 필요가 있습니다. 중력은 질량의 두 물질이 서로 끌어당기는 힘을 말합니다. 자기력의 원리와는 달리 질량이 큰 물체는 시공간 평면 위에 놓여 시공간이 왜곡되고 시공간 곡면을 따라 질량을 가진 다른 물체가 떨어지는 것을 말합니다. 지구가 태양의 중력을 느끼게 하고 지구가 태양에 끌린다고 말하기보다는 태양의 큰 덩어리가 시공간 평면을 왜곡해 만든 곡면을 따라 지구가 자연스럽게 떨어지는 것입니다. 댄 번 교수는 몇 개의 파란 천과 구슬을 사용하여 중력의 원리를 매우 쉽게 설명합니다. 달이 지구를 도는 이유도 마찬가지입니다. 달은 지구와 함께 태양이 만든 거대한 곡면을 따라 떨어지지만 그 옆에 지구가 만든 곡면을 따라 지구 주위를 돌기도 합니다. 태양도 예외는 아닙니다. 태양은 은하 주위를 돕니다. 이것이 우주의 시공간이고 그것이 중력이 만들어지는 이유입니다. 아인슈타인은 100년 전에 이 놀라운 사실을 이론적으로 증명했는데 이것은 뉴턴의 중력에 대한 생각과는 완전히 달랐습니다. 그러나 아인슈타인은 여기서 그치지 않고 자신의 이론을 더욱 발전시켰습니다. 질량이 큰 물체가 시공간 평면을 휘어 중력을 만든다면 두 개의 큰 물체가 평면 위에서 빠르게 움직이면서 거대한 파동을 만들 때 파동이 시공간 평면을 따라 확산되지 않을까 생각했습니다. 아이들이 트램펄린 위에 가만히 서 있으면 진동은 없지만 아이들이 마구 뛰기 시작하면 트램펄린 천이 파도처럼 요동칩니다. 아인슈타인은 일반상대성이론으로 중력파의 존재를 정확히 예측했고, 100년이 지난 지금 우리는 마침내 중력파의 존재를 입증했습니다. LIGO팀이 2015년 처음 발견한 중력파는 13억 광년 떨어진 두 개의 거대한 블랙홀이 빠르게 서로를 공전하며 합쳐지는 순간 시공간을 뒤틀어 만든 중력파입니다. 13억 광년 떨어진 곳에 있는 두 개의 블랙홀에 의해 만들어진 중력파 즉 지금 지구에 도달한 이 중력파는 13억 년 전 두 개의 블랙홀이 만들어낸 중력파입니다. 중력파가 지나가면서 서로 다른 방향으로 뻗어나가는 두 공간 사이의 거리의 상대적인 변화를 관찰할 수 있는데, 그 동안 관측하기가 그렇게 어려웠던 이유는 거리의 변화가 원자의 지름도 아닌 아주 작고 미세한 변화였기 때문입니다. 이 변화를 관찰할 수 있는 장치를 성공적으로 만드는 데 100년이 걸렸습니다. 현재 워싱턴과 루이지애나에 있는 LIGO는 넓은 평지에 정확히 90도의 각도로 뻗어 있는 4㎞ 진공 터널 2개가 있으며, 터널을 연장하는 긴 터널에는 레이저 빛이 있다. 우주에서 빛의 속도는 항상 일정해야 하고, 긴 터널을 통해 뻗어나가는 분기된 빛의 위상은 항상 일정해야 하지만, 매우 특별한 조건이 충족되면 이 위상은 어긋날 수 있습니다. 시간과 공간 자체를 옮겨야 합니다.