[지식보관소] 최신연구, 상대성이론이 정말로 대단한 이유

 

 

얼마 전 Physical Review D에 게시된 논문에서,

블랙홀 매트릭스 조사를 통해서

타인이형의 중력 이론을 테스트한 결과가 올라왔습니다.

 

 

지금보다 100년도 더 전에 특허청에서 일하던 아인슈타인, 일명 타인이형은

당시에 쏟아지는 시간과 관련된 특허들 때문에

시간에 대해서 생각하다가

시간이 절대적인 수치가 아니라는 사실을 생각 해내면서

특수상대성 이론을 발표하게 되죠.

 

시간과 공간의 개념을 완전히 바꿔버린 특수상대성이론의 개념은

혁신적이었습니다.

그걸로도 모자라는지, 타인이형은

등속도 운동에만 적용이 되는 특수상대성 이론의 단점들을 보완해 내면서

결국 1915년, 특수한 상황만이 아닌

가속도 운동까지 포함이 되는 모든 상황에 통용이 되는

거시 세계의 법칙인 일반상대성이론을 발표하게 됩니다.

 

타인이형이 발표한 일반 상대성 이론으로 인해서

우리는 처음으로 중력이 생기는 원인이

시공간의 휘어짐에서 나타날 수 있다는 사실을 알 수 있게 되었습니다.

 

문제는, 그 당시에는 이런 혁신적인 이론을 증명하기가 쉽지 않았다는 것입니다.

하지만, 수학적으로도 아름답고 완벽해 보이는 이 이론을

검증해 보기 위해서 에딩턴은

일식 관측을 통해서 상대성이론을 증명할 수가 있다고 주장을 했습니다.

 

에딩턴이 말한 방식은 이런 것이었죠.

타인이형 말대로, 중력이 시공간이 휘어져서 생기는 결과라면

우리 주변에 있는 가장 강력한 중력을 지닌 물체를 통해서

그 휘어진 시공간을 관측할 수 있을 것이라는 생각이었습니다.

즉, 원래 관측이 되던 별이 태양 뒤쪽에 있을 때 관측을 하면,

태양의 중력에 의해서 원래 관측이 되어야 할 위치보다

오차가 생길 것이라는 주장이었죠.

 

그런데 이 검증 방식에는 사소한 문제가 하나 있는데

태양 뒤쪽에 있는 별은 너무나도 밝은 태양 때문에

관측하기가 쉽지 않다는 것이었죠.

태양 뒤에 있는 별을 본다는 건

대낮에 태양 방향으로 천체 망원경을 돌려야 한다는 뜻이고

태양의 밝기를 생각한다면 시력이 삭제될 수 있었죠.

 

이에 대해 에딩턴은 완전한 일식이 일어나는 날

태양 뒤에 있는 별을 관측해서

이를 증명할 수가 있다라는 실험 계획을 세웠고

드디어 1919년, 일식이 일어나는 날

태양주변을 천체 망원경으로 관측한 결과

믿기지 않는 소름 돋는 일이 일어나게 됩니다.

 

분명히 태양 뒤에 있어야 했던 별을 망원경으로 관측이 가능했던 것이죠.

타인이형의 말대로 태양의 중력이 근처에 있는 시공간을 휘어지게 만들었고

휘어진 시공간 덕분에 빛이 휘어져서 관측이 가능했던 것입니다.

 

이후에 타인이형은 일약 스타로 떠올랐고

세계적으로 유명한 과학자가 되었습니다.

 

그런데 당시에 사람들은 몰랐죠.

상대성이론이 소름 돋는 이론이라는 사실은

에딩턴의 일식 관측은 단지 시작에 불과했다는 것입니다.

 

상대성이론에 의해서 파생된 중력 방정식을 들여다보면

슈바르츠실트는 이 방정식이 맞다면

특정 수준의 질량이 엄청난 밀도로 보이게 되면

빛조차도 빠져나올 수 없는 중력이 만들어진다는 것을 알아내게 됩니다.

 

언뜻 보면 이는 중력 방정식에 의해서 생긴 오류라고 볼 수도 있었으나

일단 이론상으로는 이게 가능했기 때문에

이러한 일이 생기는 한계를 슈바르츠실트 한계라고 정의를 했습니다.

그리고 이러한 한계를 넘어서게 되는 물질을 이렇게 명령을 했죠.

블랙홀.

 

이후 블랙홀은 이론상으로는 존재했지만

타인이형의 상대성이론에 의해서 파생된 방정식에 의해 존재하는 것이므로

실제로 존재한다는 보장은 없었습니다.

 

하지만 소름 돋게도

그 이론으로 파생된 가상의 천체인 블랙홀이

실제 관측을 통해서 밝혀지게 됩니다.

 

1990년대에 하와이의 켁 천문대에서는

우리은하 중심에 아무것도 없는 빈공간을

항성들이 매우 빠르게 공존한다는 사실을 밝혀내고

공전 속도를 통해서 확인을 해본 결과

아무것도 안 보이는 그 물체가 태양질량의 최소 수백만 배가 넘는

엄청난 물질이라는 사실을 알게 되었습니다.

 

이것은 바로 이론상으로만 존재하던 블랙홀이

현실 세계에 있음이 밝혀진 순간이었죠.

 

 

사실 여기까지만 해도 소름이 돋는데

21세기에도 상대성이론이 옳다라는 증거는 무한 증식하게 됩니다.

 

2004년에 스탠퍼드 대학과 미국 항공우주국 나사는

최첨단 도구로 상대성이론을 검증하기 위해서

중력 탐사선을 발사합니다.

이 중력 탐사선은 서로 뒤따르면서

미세한 시공간이 휘어진 증거를 찾는 것이 목표였으며

당연히 예상한 것처럼,

휘어져 있는 시공간이 현대의 장비로 인해서 측정되게 됩니다.

 

참고로, 상대성이론이 맞다는 증거들이 나오는 건 이제 시작인데요

타인이형은 거대한 질량에 의해 시공간이 휘어진다고 생각했는데

이는 마치 잔잔한 물 위에 돌을 던지면 파장이 생겨나는 것과 유사합니다.

 

따라서 거대한 중력을 지닌 천체가 충돌하면

그로 인해서 강력한 중력파가 나올 것으로 예측했는데

상대성이론이 나온 지 100년 만인 2015년, 라이고를 통해서

이론상으로만 존재하던 중력파가 실제로 관측이 되면서,

킵손을 포함한 천문학자들이 노벨상을 타게 되었죠.

 

타인이형의 상대성이론이 소름이 돋는 건

이 이론이 나왔던 초기에

뉴턴 역학을 연구하던 과학자들은 자기 밥그릇이 위험했기 때문에

상대성이론이 틀렸음을 입증하려고 했습니다.

 

하지만 과학자들이 상대성이론이 틀렸다라는 것을 입증하려고 할 때마다

오히려 그것이 맞다라는 새로운 증거들이 발견되었고

무려 100년이 지난 현대에 최첨단 장비들을 통해서

틀렸다는 것을 입증하려고 해도

맞다는 근거가 되는 증거들만 계속해서 나오고 있는 것이죠.

 

그리고 얼마 전엔 또 상대성이론이 맞다라는 증거가 새로 추가되었습니다.

얼마 전, Physical Review D에 게시된 논문에서

블랙홀 매트릭스 조사를 통해서 타인이형의 중력 이론을 테스트한 결과가 올라왔습니다.

 

현재까지의 LIGO와 EHT 등 중력파 연구에서 나온 데이터들을 확인했을 때

지금까지 발견한 모든 종류의 블랙홀과 관련된 중력파 데이터에서

전부 아인슈타인의 상대성이론이 위배되지가 않으며

이론에서 예측한 계산값과 관측으로 나온 결과값이 모두 다 일치한다고 밝혔습니다.

 

여기에는 중력으로 인해서 빛이 휘어지는 정도

블랙홀의 궤도 운동 등의 계산값이 포함이 되어 있으며

블랙홀의 충돌과 이로 인해서 발생한 중력파

또 그로 인해서 나온 데이터들을 모두 다 분석했을 때

상대성이론에서 벗어난 데이터를 찾지 못했다고 합니다.

 

그러니까 타인이형은 무려 1915년엔 현대의 최첨단 장비들과 거대한 연구를 통해서

블랙홀을 통해서 밝혀낸 중력파 탐지로도

부정되지 않는 이론을 만들어 냈던 것이죠.

 

개인적으로 진짜 상대성이론은

미래의 그 세부적인 내용은 수정이 될지는 몰라도

그 근본은 미래에도 부정되지 않을 것이라고 생각을 했는데

정말로 대단한 결과인 것 같습니다.

 

상대성이론이 틀렸음을 밝혀내면 스타가 될 수가 있기 때문에

가끔 상대성이론이 틀렸다는 어그로성 논문이나 뉴스가 나오기도 하는데

결국에는 실제로 틀렸다는 증거는 보지 못할 것 같습니다.

제 생각에는 틀리지 않았으니까요.