상대성 이론의 마지막 퍼즐, 중력파

중력파란 "시공간의 흔들림이 파동의 형태로 전파되는 것" 이고

중력파 검줄의 의의는 "일반상대성이론에 대한 가장 극적인 증명"임과 동시에 "우주를 관측하는 새로운 수단"이 생긴거다.

아이슈타인이 지금으로부터 정확히 백년 전, 1916년 주장한 일반상대성이론에 의하면 질량 주변의 시공간은 휘어져 있다. 

따라서 폭발이나 충돌과 같은 급격한 질량의 변화는 시공간을 크게 흔들리겠지?

그리고 이런 흔들림은 파동의 형태로 퍼져나갈 것이라고 '예측'했다.

이러한 예측은 기존의 패러다임인 '뉴턴역학' 에 의하면 절대 불가능 한 것이었다.

절대 있어서도 안되고, 있을 수도 없는 존재였지

그래서 아인슈타인의 일반상대성이론을 증명해내기 위해서는 중력파를 찾아야했다. 마지막 퍼즐의 한조각이었지

그럼 중력파는 어떻게 찾아야할까?

중력파는 물질과 아주 약하게 상호작용하기 때문에 

방해를 받지 않고 아주 먼 거리까지 전파될 수 있다. 

그러므로 중력파를 이용하면 우주의 아주 먼 곳까지 관측하는 것이 가능하고 

먼 우주에서 벌어지는 일도 관측할 수 있는거다.

하지만 물질과 상호작용을 잘 하지 않는다는 특징은, 거꾸로 검출이 어렵다는 뜻이다.

중력파는 이론상 빛의 속도로 전파되고, 횡파기때문에 전파되는 방향과 수직한 방향으로 물질을 흔들어 놓겠지?

그러나 이 흔들림은 아주 작아서 그것을 측정하는 것은 극히 어렵다

미국 해군장교였던  웨버는 공명현상을 이용하면 된다고 주장함

그래서 위 사진의 매우 우람한 금속관을 이용해 중력파 측정장치를 만들었다.

그리고 결국 중력파 측정에 성공했다는 논문을 발표했다.

그리고 1972년 아폴로 17호로 가져가 달에 설치한 후 다시한번 실험해봤는데, 실패했다.

웨버는 굴하지 않고 1987년 다시한번 검출에 성공했다고 주장했다.

그런데도 결국 받아들여지지 않았다.

무참히 까인 이유는, 그의 장치가 냉각장치도 사용하지 않는 등 정밀함이 매우 떨어진다는 이유였다.

중력파는 매우 미세한 파동인데 저렇게 조악한 장비로 측정이 될리없다는거야

비유하자면, 웨버는 나무젓가락으로 바느질을 해냈다는 말을 한거임 

그래서 당시 학계에 웨버 저격글이 난무했다

내가봐도 저게 씹구라인게,

이번에 관측에 성공한 장비를 보면 바로 이해된다

거대한 장비는 

'LIGO (라이고)' 라는 중력파 관측 장치인데,

4 km나 되는 두 개의 긴 관을 L 자 형태로 직각으로 설치한 것이다.

왜 만들었냐?

1974년, 미국 MIT(매사추세츠공대) 조지프 테일러 교수와 러셀 헐스 교수는 

두개의 중성자별이 가까워지면서 중력파를 발생한다는 사실을 밝혀 1993년 노벨물리학상을 받았고,

1990년, 킵 손 미국 캘리포니아공대(칼텍) 교수와 로널드 드레버 교수, 미국매사추세츠공대(MIT) 레이너 와이즈 교수는 

레이저를 활용한 중력파 검출을 제안해 이목을 모았다. 

지구에서 관측할정도면 매우 강력한 중력파여야만 하고

강력한 중력파는 중성자가 폭발할때 방출되는데,

이게 지구에 도달할만큼 가까운데에서 생겨야한다

그러니까 존나 희귀한 이벤트임

아무튼 저 존나 긴 관 끝에는 거울이 있어서 레이저를 반사시킨다.

초록색 레이저로 쏴서 두갈래로 나눈 후 존~~~나긴거리를 여행시킨후 다시 모아서 그 차이를 검출하는거임

중력파는 횡파 (흔히들 아는 sin파)이기 떄문에 수직과 수평성분을 가지고있는데, 

만약 중력파가 없다면 수평성분 레이저와 수직성분 레이저는 변화가 없을거고

중력파가 있다면  수평성분 레이저와 수직성분 레이저는 아주 약간이라도 차이가 있겠지?

근데 중력파가 존나게 작은데 그럼 그 차이를 어떻게 유의미하게 구분하노?

존나 크게 만들면 됨

그리고

존나 기다리면 됨

(매우 큰 중력파를 방출하는 이벤트가 지구와 가까운곳에서 열릴때까지..)

왼쪽부터 킵 손 (Caltech), F.A.콜도바 (국립 과학재단), 레이너와이즈 (MIT), 데이비드 레이츠 (Caltech) 가브리엘라 (루이지애나 주립대)

그 중 왼쪽 두명 남자 (굵은글씨)는 이 발견으로 유력한 2016 노벨상 후보가 됬다

그러니까 이 성님들은 오실로스코프 화면만 존나게 쳐다보고 있던거임

있을지 없을지도 모르는 파동하나 찾겠다고,

그것도 2002년부터 15년씩이나 기다림

이번 대발견을 간단하게 살펴보자면

 지구로부터 13억 광년 떨어진 곳에서 '쌍성계'를 이루고 있던 두 개의 블랙홀이 충돌해 새로운 블랙홀이 되는 과정에서 생성된 것이다. 블랙홀 각각의 질량은 태양의 36배, 29배이며, 하나로 결합하여 태양보다 62배 무거운 블랙홀이 됐다. 이 때 발생한 중력파가 빛의 속도로 지구를 스쳐 지나갔는데, 이 순간을 LIGO가 놓치지 않고 잡아낸 것이다. 연구팀은 "5.1시그마[1]보다 정밀한 수준의 검출"이었다고 설명했다.

라고 한다.

그래서 마침내 뭘 얻어냈느냐?

LIGO는 하나가 아니라 여러개라고 했지? 하나만 측정했으면 오류라고 볼수도있는데

서로다른 두곳에서 같은 데이터가 나와서 증명한거다.

두 데이터가 유의미하게 같으므로 검출에 성공했다고 볼 수 있는거다.

그러니까 저 파동 하나 찾을라고

수천억 들여서 수십년동안 저지랄을 한거임..

니들은 인생 다 바쳐서 저렇게 헌신할 수 있겠냐 

그나마 발견해서 다행이지, 못하고 죽었으면....

진짜 과학자들 대단함

그럼 가장 중요한 질문을 해보자.

그래서?

상대성 이론.

20세기 이전까지 물리학의 가장 큰 틀이던 뉴턴 역학의 오류를 바로잡고 집어삼킨 현대의 물리학 이론.

그 이론의 마지막 퍼즐을 끼운거다.

그리고

이제부터 우주를 관측하는 또다른 도구가 생긴거임

그동안 망원경 (가시광선, xray, 전파망원경 등)으로만 관찰했다면 (이건 빛이니까 눈으로 보는거)

이제는 중력파라는 새로운 '귀'로 우주를 관찰할 수 있게된거다.

유명한 짤을 인용하자면

인류 지식의 총 양이 원이라고 했을때

요만큼 인류 지식의 지평이 늘어난거임.

그게 끝임.

하늘을 날거나 그딴일 절대없다

궁극의 무한에너지? 성간우주여행? 중력엔진? 관성제어?

우리생활에 달라지는거 아무것도 없다

오늘밤 뿌듯함과 환희에 가득차서 기분좋게 잠자리에 들 과학자들을 생각하며

우리도 열심히 살자.