MD & PhD

중력파에 대한 이야기.

안녕하세요. 오지의 마법사입니다. 오늘은 연구비 쓰기가 조금 귀찮아 져서(원래 시험치기 전 100분 토론이 제일 재미있어요), 그냥 바이오가 아닌 물리 이야기를 조금 극적극적 거려볼까 합니다. 참고로, 제 글은 가급적이면 그림이 없어요. 그림이 있으면 보기는 좋은데, 왠지 모르게 포장하는 느낌이 들어서 저는 텍스트만 있는 글을 더 담백하다고 느끼기 때문에 그래요. 하지만 글을 쓸 때, 최대한 읽으시면 그냥 술술 자연스럽게 읽을 수 있게 쓰려고 노력했어요.( 아니면 제 노력의 부족입니다. 글이 어렵게 느껴지면, 독자가 잘못한 게 아니라, 글쓴이가 잘못한 거니깐, 더 노력할께요. ^^)

개인적으로 MIT에서 물리학으로 박사를 받은 (그것도 노벨상 지도 교수 밑에서 박사과정을 마친) 독일인을 하우스 메이트로 가지고(?) 있어서, 거의 3년간 물리학, 물리 화학에 대한 이야기를 아주 많이 들었더랬죠.

서당개도 3년이면 풍월도 읊는다는데.. 저도 주변에서 들은 게 좀 있어서 요즘 한창 이슈인중력파에 대해서 바이오만 하는 저도 이만큼 아는데, 다른 분들에게 소개를 좀 해드리면 어떨까 하면서, 중력파에 대해서 소개드리고자 해요. 술자리에서 썰풀기에 딱 좋아요. 기억도 가물가물하고, 듣는 편도 이해가 잘 안되니깐, 모르면 은근 슬쩍 넘어가기도 쉬운.. 그런 주제라고 생각하고 읽어 주세요.

참고로, 저희 집(두 남자 사는 이층집)에는 사이언스랑 네이처를 집에서 받아 보는데(받아 보기만 합니다... 네..네..), 작년 3월 경에 아인슈타인 일반 상대성 이론 별책(http://www.sciencemag.org/site/special/generalrelativity/)을 보면서 참 재미난 이야기를 많이 들었습니다. 그리고 그 때, 정말 많은 이해가 되었어요. 물론, 영어라서 용어는 좀 어려웠지만.. 대략적인 개념은 훨씬 더 구체화되었었죠.

오늘도 저녁을 먹으면서, gravitatioinal wave, 중력파에 대한 이야기를 들었는데, 거기에 대한 썰을 좀 풀까 해요. 블로그 자체가 의과학, 의학 주제이긴 하지만, 결국 결론은 의과학으로 날꺼에요. :) (어떻게 중력파가 의과학과 연계되는지 알아보시죠.)

일단, 간단하게 중력파 발견이 왜 중요하냐!!를 먼저 알면 좋을텐데요. 이는, 우리가 우주를 관찰할 수 있는 시야가 확대되기 때문에 그러해요. 예컨데 현재까지는 우주를 관찰할 때, 빛 혹은 전파로만 관찰했는데, 중력파를 이용해서 새로운 별을 관찰할 수 있다는 걸 의미하기 때문에 중요한 것이죠. 예컨대, 빛으로만은 블랙홀을 관찰할 수 없어요. 이때까지는 여러 정황상 블랙홀이 있는 것 같다고 간접적으로 이야기할 수 밖에 없지만, 중력파를 이용하면, 저 위치에 중력파를 내는 블랙홀이 있다고 직접적으로 이야기할 수 있게 되는 것이죠. 그리고, 마치 맥스웰이 전자기파를 발견하고, 이걸 어디다 써먹어야할지 몰라서 쓰레기통에 다시 넣을까 고민했지만, 결국 엄청난 혁명으로 이어졌듯이, 중력파의 발견이 어디로 튈지를 몰라요. 사안의 중요성은 이까지 하고, 이제 설명 들어갈께요.

중력파에 대해서 간단하게 말하면, 질량이 아주 큰 물체가 이동 혹은 충돌할 때, 시공간을 왜곡하면서 발생하는 파장이라고 생각하시면 됩니다. 예컨대, 아주 큰 질량을 가진 중성자별들이 충돌할 때, 마치 물에 돌을 던지면 주변에 물결이 생기는 것처럼, 중력파가 발생해요. 지금으로부터 정확히 101년 전 3월(1915년 3월)에 아인슈타인이 일반 상대성 이론에 대한 썰(?)을 풀면서, 중력파를 예상했었어요.

일반 상대성 이론은 많은 내용이 함축되어서, 많이 복잡하지만, 그 중 하나 알아둬야할 것은 질량이 아주 큰 물체는 "시공간"을 왜곡하면서 자리하고 있다는 사실이에요. 너무나도 무거워서, 빛 조차도 그 중력에 의해서 꺾이고(그래서 블랙홀이 간접적으로 관찰됨), 공간 자체도 왜곡된 상태로 존재한다는 것인데, 이런 왜곡된 상태는 평상시에는 너무나도 미세해서 잘 관찰하기가 힘들어요. 하지만, 여러 간접적인 관찰에 의해서 질량이 아주 큰 물체(예컨대 중성자별이나 블랙홀 등)는 주변 시공간을 왜곡한다는 증거가 나와서 거의 정설로 굳어지고 있었어요.

그 와중에, 아인슈타인은 중력파를 100년 전에 예상하기도 했어요. 중력이 아주 큰 물체는 이런 시공간의 왜곡 뿐만 아니라, 두 개 이상의 충돌이나 한개라도 강한 이동이 있을 때, 시공간의 왜곡을 반영한 중력파 역시 관찰될 것이라고 예상 했어요. 정확히는 맞지 않지만 한번더 비유적으로 말씀드리면, 물에 돌을 던져서 파장이 생기는 것이라고 생각하시면 되요. 다만, 돌이 아니라. 큰 물체 두개가 부딪히면서, 갑작스러운 시공간 변화가 생기고, 이 시공간의 형태의 증거가 "중력파"로 나온다고 생각하시면 될꺼에요.

근데, 왜 이걸 증명하는데, 100년이라는 시간이 걸렸냐 하면, 크게 두가지 이유 때문인데요.

첫째로는 중력파가 너무나도 작기 때문이에요. 사실상 중력파는 원자보다도 1000배도 더 작은 수준의 물질을 움직이는 정도의 미세한 파동이기 때문에, 진짜 중력파가 있었다고 해도, 대부분은 노이즈 수준으로 여겨졌기 때문이에요.

두번째로는, 이때까지는 과학 기술이 아직 그 증명 혹은 관찰을 할 상태가 아니었기 때문이에요. 관찰 기술의 한계 때문에, 통계적으로 "유의미한 결론"을 도출할 수 없기 때문이죠. 실제로 1970년대, 1980년대에 웨버라는 사람이 중력파를 "관찰했다"고 했지만, 사람들이 믿지 않는 가장 큰 이유가 이 기기자체가 가진 한계로 인해서, 이 "중력파"라고 보이는 것이 진짜인지 아닌지를 통계적으로 검증할 수 없었기 때문이에요.

하지만, 이번에 LIGO 라는 기술, 혹은 기기는 중력파를 잡아낼 정도로 아주 정교하게 설계되었고, 통계적으로도 충분히 유의미한 결과를 낼 수준이 되었어요. 추가로, LIGO 뿐만 아니라, 세계적으로 다양한 곳에서도 LIGO와 흡사한 기계가 설치되어 있어서 동시 다발적으로 하나의 현상의 증명이 가능했던 것도, 중력파의 존재를 빨리 찾게된 이유이기도 해요.

중력파의 발견은, 생각보다 단순한 방법으로 행해지는데, 크게 두가지만 아시고 계시면 될 것 같아요. 첫째는 레이저 그리고 둘째는 별의 충돌.

첫번째로, 중성파의 관찰은 하나의 레이저(빛의 이동)를 수직 방향의 두개로 나누어서, 같은 거리를 거쳐서 반사되는 정도를 관찰한다는 사실이에요. 쉽게 설명하면, 주기적으로 같은 속도로 달리는 우사인 볼트 두명을 수직인 100미터 두 길에 계속 왕복시켜요. 예컨대, 100미터를 10초에 달린다고 한다면, 한번 가는데 10초가 걸리고, 다시 돌아오는데 10초가 걸리겠죠. 그리고 그 두 명은 처음 출발한 지점에서 항상 동시에 만나겠죠. 그 과정을 계속 기록을 하는거에요. 근데, 항상 10초 만에 오는 1번 우사인 볼트가 어느날 갑자기 만약 11초가 걸린다고 한다면, 동시에 만나지 못하게 되고, 중간에 무슨 일이 생겼다고 예상할 수가 있겠죠.

이런 상황을 아주 정교하게 조절해서, 갈라진 하나의 레이저가 왕복해서 들어오는 편차를 최대한 줄이고, 조건을 컨트롤하게 되면, 미세한 차이라도 찾아낼 수가 있게 되겠죠. 그리고, 그 과정을 처음에는 아주 짧게 100미터 정도로 했다가, 조금씩 더 늘여서, 200, 400미터 그리고 1킬로 미터, 4킬로미터까지 하게 되면, 빛의 왕복 거리가 늘어나니깐, 상대적으로 관찰할 수 있는 시간의 길이도 늘어나게 될꺼에요. 이번에 관찰한 LIGO의 길이는 참고로 4킬로 정도입니다. 추가로, 중력파로 인해서 왜곡되는 빛의 전달 과정이 오류일 가능성도 있기 때문에, Laser detection 기기는 항상 직각으로 두개가 만들어 져서, 모여진 파장을 cross validation을 하게 되요.

두번째는, 관찰가능할 만한 "중력파"를 발생시킬 사건이에요. 이는 다행히도, 1993년도에 노벨 물리학상으로 증명된 사실이에요. 중력이 아주 큰 물질(예컨대 중성자별 같은 것)이 충돌을 하면, 주변 시공간이 왜곡되고, 이 때 중력파가 발생한다는 것을 증명했어요. Russell Allen Hulse 박사 와 Joseph Hooton Taylor 박사가 이 업적으로 노벨 물리학상(“for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation”)을 받았어요.

결과적으로, 이번 중력파는 위 두 이벤트의 합으로 발견된 것이지요. 참고로, LIGO를 만들고 나서 사람들이 한 일은, 그저 레이저의 왕복 운동(정확히는 파장)이 변화되는지를 관찰하는 것 뿐이었어요. 중력파의 속도는 빛의 속도와 같기 때문에, 우리 눈에 관찰되는 순간, 중력파가 도달하기 때문에, 사실상 언제 이런 일(충돌)이 발생할지 망원경으로 예측이 불가능해요. 그러니, 그냥 지켜보는 수밖에 없었던 거죠.(그리고 우주는 생각보다 꽤 넓죠 ㅎㅎㅎ) 단, 확실한 과학적 근거 아래, "이런 일이 분명히 벌어질 것이다"라고 예상은 했었겠죠. 그냥 낚시하듯 기다린 것이 아니라.

참고로, 이 연구를 이끈 Kip Steven Thorne 박사는 작년 5월에 우리나라에 와서, 2018년 정도에 중력파를 발견할 수 있을 것이라고 했는데, 이렇게 빨리 찾게될 것이라고는 생각을 못했겠죠. 그것도 무려 13억 광년 전에 발생한 중성자별 충돌 일을..오늘에서야 발견했으니..

이 중력파가 관측된 날짜가 2015년 9월 14일이였고, 그때부터 지금까지, 이 중력파가 진짜인지 아닌지를 검증하는 일이 그동안 벌어진 것 같아 보입니다. 이를 위해서 미국이 아닌 다른 곳에서도 이 중력파가 관찰되는지를 확인했어요. 중력파는 지구라는 행성 전부에 영향을 미치니깐, 만약 이게 진짜라면, 미국의 LIGO 뿐만 아니라 다른 나라의 레이저 간섭계에도 관찰이 되어야 하니깐요. 그리고 그 일이 실제로 벌어졌습니다!!!

사실상, 이게 결정적으로 중력파라는 증거가 되었어요. 아울러, 이 레이저 파형의 변화가 지진이나 기기이상이 아닌지 다각도로 검증하는 시스템이 전세계적으로 이루어져서, 결과적으로 "통계적으로 틀릴 확률이 (5.1시그마) 300만분의 1이기 때문에 중력파는 존재하는 것으로 여겨진다"고 결론내렸죠.

자.. 그럼 도대체 처음 말했던 의과학은 언제 연계되느냐..라고 궁금해하실 분들이 계실 것 같아요. (중력파만 궁금하셨던 분은 요까지만 읽으시면 되요 :))

위 중력파의 발견으로, 올해 노벨 물리학상은 사실상 저 연구를 이끈 연구팀 리더인 칼텍의 Kip Throrne 박사 Ronald Drever 박사 그리고 MIT의 Rainer Weiss박사 세명의 수상이 유력시 되고 있습니다.

물리학은 이론 부분과 실험으로 증명하는 것이 분리되어 있는데, 정교한 계산과 기존 지식으로 하나의 개념이 이론으로 아무리 확실히 "예상"되어도, 완벽한 증거가 없으면, 어디까지나 이론으로만 받아들여요. 아울러, 그 이론으로 예상된 우리도 모르게 사라진 개념도 정말 많고, 이론이 틀리는 경우도 상당히 많이 존재해요. 예컨대, 뉴튼의 고전 물리도 따지고 보면, 경험적으로 어느 정도 맞긴 하지만, 틀린 부분도 많지요. 물리학계는 힉스 발견도 그러하고, 이번 중력파 발견도 그러하지만, 정교한 실험으로 제대로 "증명"된 사실에만 "지식"이라는 권위(!)를 부여하고 있어요.

"카더라, 이런 것 같더라, 상식으로 맞는 것 같더라. 될 것 같은데"라는 건 과학이라는 틀에서 본다면, 낭설일 가능성도 크다는 이야기죠. 아인슈타인이 제시한 개념조차도 100년이 지난 후에야 증명, 관찰되어야 진짜로 인정해 준다는 사실이에요. "그래 님 인정!!"

하지만, 우리는 어떻습니까? "옛 고전에서 검증(?)되었다. 고전에서 말하길, 이렇게 치료하면 된다" 하면서 치료하는 사람들이 얼마나 많습니까?

의학은 이런 부분을 과학적으로 엄밀하게 증명하고, 대규모 임상이나, 동물 실험 등과 같은 다양한 방법으로 그 사실이 진짜인지 아닌지를 판단하고, 그에 따른 진단과 치료 가이드를 제시하는 학문입니다.

옛날에 아무리 뛰어난 아인슈타인 할아버지 선각자 주술사가 말했다 하더라도, 현재 해보고 맞지 않으면 버리고 개선되어야 하는 것이 바로 의과학이고, 의학인 셈입니다. 그리고 그 과정을 거쳐서 나온 것이 바로 "의학 지식"이라는 이름으로 인정받고, 환자의 삶을 개선시키데 이용되는 것이에요.  누군가가 "카더라"에 의존하는 것이 아니라. 

현대 사회에서 아무도 "눈에는 눈, 이에는 이"라고 외치면서 함무라비 법전을 숭배하지 않듯이, 잘못된 고전이라면 아무리 보존할만한 가치가 있는 우리의 역사적 유물이라도 현재 사람들에게 적용해서는 안되는 것이라는 생각을 이번 중력파 발견을 보면서 해봅니다. 역사 유물과는 별개로 말이죠. 이순신 장군 갑옷이나 거북선이 아주 좋은 역사적 유물이라고 해도, 현재 해군들이 훈련할 때, 쓰지 않듯이 말이죠. 유물은 유물이고, 지금은 그 것 없이도 잘 살아가는 발전된 현대 사회니깐요.

1970년대에 웨버가 자기가 만든 기기로 "중력파를 발견했다"고 우겨도, 기기가 오류를 구분할 능력도 안되는데 "헛소리 하고 있네.." 라고 하면서, 과감히 폐기할 수 있는 물리학계처럼,

고전에서 말하는 "카더라"가 아닌, 엄밀한 계획에 의한 실험과 대규모 임상 스터디를 통해 환자에게 유용하다고 결론 내려진 "발견"만이 상식있는 "의학 지식"으로 통하는 대한민국이 되었으면 좋겠다는 생각이 드네요.

지금 현재 상황은 말도 안되는 고전 의학이 마치 제대로된 의학인양 회자되는 현재는, 중력으로 왜곡된 시공간보다 훨씬 더 왜곡된 세상같아 보여서 말이죠.

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