제나 레빈 : 우주가 만들어 내는 소리

여러분 모두 잠시 생각해 보세요. 매우 단순한 사실인데요. 지금까지, 우리가 아는 우주의 대부분은 빛으로부터 옵니다. 우리는 지구위에 서서 밤하늘을 쳐다 봅니다 그리고 별들을 보지요. 태양이 우리 주변 시야를 밝혀 주고, 우리는 달에 반사된 빛을 보게 됩니다. 그리고 갈릴레오가 원시적인 망원경으로 천체를 관찰한 이후로, 우리가 알고 있는 우주는 빛을 통하여 우주역사의 광대한 시대를 거쳐 우리에게 왔습니다. 그리고 우리의 모든 최신 망원경으로, 이 놀라운 무성 우주영화를 수집해 올 수 있었습니다. -- 이 사진들은 빅뱅으로 거슬러가는 먼길에 대한 것입니다.

하지만, 우주는 무성영화가 아니에요, 우주는 조용하지 않기때문이지요. 저는 여러분들에게 우주에도 영화음악이 있고, 그 음악이 우주공간 안에 연주되고 있다는 사실을 확인시켜드리고 싶어요 우주는 드럼처럼 요동칠 수 있기 때문입니다. 그것은 녹음된 것처럼 우주에서 극적인 사건들이 펼쳐질 때 우주 전체로 울려 퍼질 수 있습니다. 이제 우리는 우리가 가진 우주의 매력적인 비주얼 작품에 우주의 음악적 작품을 더하려고 합니다. 우리는 아직 우주로부터 오는 소리를 들어본 적이 없지만, 정말 앞으로 몇년안에, 볼륨을 켜고 저 바깥에 무슨일이 일어나고 있는 지 알아볼 것입니다.

이런 포부를 가지고 우주로부터 오는 노래들을 포착하기 위해 우리는 블랙홀과 그것이 가진 소리에 귀를 기울이고 있습니다. 블랙홀은 드럼위의 북채처럼 시공에서 쿵쿵거리는 소리를 낼수 있고, 매우 독특한 노래를 가지고 있기 때문입니다. 그 노래가 어떨 지에 대해 우리가 예상한 것들의 일부를 오늘 드려드릴까 합니다. 블랙홀은 어두운 하늘을 배경으로 어둡기 때문에 우리는 그걸 직접 볼 수는 없습니다. 그것은 빛과 함께 우리에게 도달되지 않습니다, 적어도 직접적으로 말이죠. 우리는 간접적으로 볼수있습니다. 블랙홀은 그 주변 환경에 대파괴를 일으키기 때문이죠. 블랙홀은 그 주변의 별들을 파괴합니다. 주변 별들의 잔해를 휘저어놓죠. 하지만 빛의 형태로 우리에게 오지는 않아요. 언젠가는 블랙홀이 매우 밝은 배경위에 드리우는 그림자를 볼 수 있게 될 지도 모릅니다. 하지만 아직 그럴 수 없어요. 그런데 블랙홀을 볼 수는 없지만 그 소리는 들을 수 있습니다. 블랙홀은 드럼처럼 시공에서 소리를 내기 때문이지요.

아인슈타인은 우주가 드럼처럼 소리를 낼 수 있다는 생각을 했고, 우리는 그의 아이디어에 덕을 보고 있습니다. 아인슈타인은 공간이 비어 잇다면, 우주가 빈 공간 이라면, 이 그림과 같을 것이라고 생각했습니다. 보기 쉽게 이런 격자가 그려져 있지는 않겠죠. 하지만 우리가 공간속으로 자유 낙하한다면, 이런 이해하기 쉬운 격자가 없더라도 우리도 아마 그릴 수 있을 것입니다. 왜냐하면 우리는 우리가 반듯한 직선을 따라, 왜곡되지 않은 반듯한 경로를 따라, 우주속을 이동한다는 걸 알게 될 테니까요. 또한, 아인슈타인이 알아낸 것은 -- 이것이 정말 문제의 본질인데요 -- 에너지 혹은 질량을 우주속에 놓으면, 그것이 공간을 휘게 한다는 사실입니다. 그리고 자유낙하하는 물체는 예를 들어, 태양 같은 것을 지나치게 되면 그 물체는 공간속에서 자유곡선을 따라 구부러져서 지나치게 됩니다. 이것이 아인슈타인의 위대한 일반 상대성이론입니다. 이제 빛 조차도 그러한 경로를 따라 구부러 질것입니다. 그리고 너무 많이 휘어지게 되면 지구처럼 태양 주변의 궤도에 붙잡힐 수 있어요, 혹은 지구 주위의 달처럼 말이죠. 이것이 공간상의 자유곡선입니다.

아인슈타인이 알지 못했던 것은 우리의 태양을 6km 크기로 눌러 압축하면-- 그래서 지구 질량의 100만배가 되도록 하면 그리고 지름 6km 정도로 눌러 압축하면, 여러분은 블랙홀을 만들 수 있고, 물체는 밀도가 너무 높아 빛이 너무 가까이 지나가면, 우주의 어두운 그림자를 탈출하지 못할 거라는 사실입니다. 이것을 알아낸 사람은 아인슈타인이 아니라, 칼 슈바르츠실트 였습니다. 그는 1차 세계대전에 참전한 독일계 유태인이고, 그는 이미 뛰어난 과학자로서 독일 육군에 들어가, 러시아 전방에서 근무하고 있었습니다. 저는 슈바르츠실트가 전쟁중 참호속에서 포탄의 탄도를 계산하고, 그 사이에 아인슈타인의 방정식을 푸는 모습을 상상하곤 합니다. 여러분들도 참호속에서 그러잖아요. 그리고 그는 아인슈타인의 최근에 발표한 일반 상대성이론을 읽고 있었고, 이 이론에 전율을 느꼈습니다. 그리고 그는 곧바로 정확한 수학적 해답을 추측했습니다. 그 해답은 매우 특별한 뭔가를 설명하고 있었죠 : 곡선이 너무 강하게 휘어지면 공간은 그 곡선안으로 비처럼 떨어지고, 공간 그 자체는 구멍안 으로 빨려 들어가는 폭포처럼 휘어지게 될 거라는 것이었습니다. 빛조차도 이 흐름에서 벗어나지 못하게 되고, 다른 모든 것들과 마찬가지로 빛은 구멍으로 빨려 들어가, 남은 모든 것이 그림자가 될 거라는 것이었죠.

그는 아인슈타인에게 편지를 보냈습니다. "당신도 알게 되겠지만, 엄청난 포격에도 불구하고, 전쟁은 제게 많은 도움이 되었습니다. 일상의 번거로움에서 벗어나 당신의 생각의 땅을 활보할 수 있게 해주니까요." 그리고 아인슈타인은 그의 정확한 해답에 깊은 감명을 받았고, 저 역시 과학자의 헌신에 희망을 걸어봅니다. 그는 혹독한 환경하에서도 연구에 매달린 과학자였습니다. 그리고 그는 슈바르츠실트의 아이디어를 그 다음 주 프러시안 과학 아카데미에 가지고 갔습니다. 하지만 아인슈타인은 항상 블랙홀은 수학적 특이 사항이라고 생각했습니다. 그는 자연상태에서 블랙홀의 존재를 믿지 않았습니다. 그는 자연이 블랙홀의 형성을 막는다고 생각했죠. 블랙홀이란 용어가 생기고 블랙홀은 실존하는 천체물리학적 물체라는 사실을 깨달을 때까지 수 십년이 걸렸습니다. 사실 블랙홀은 죽어있는 상태로서 매우 육중한 별들이 수명을 다했을 때 대이변으로 붕괴되어 있는 상태입니다.

우리의 태양은 붕괴되어 블랙홀이 되지는 않습니다. 실제로 태양은 충분히 무겁지 않기 때문이죠. 하지만 만약 상상해서 작은 실험을 한다면-- 아인슈타인이 매우 즐겨했던 방법인데요-- 이런 상상을 할 수 있겠죠. 태양을 압축해서 6km 크기로 만들고, 매우 작은 지구를 태양의 주위 궤도에 올려놓으면, 블랙홀이 된 태양 주위의 아마 30km 정도 되는 궤도에 올려놓으면, 지구는 스스로 빛을 내게 될지도 모릅니다. 왜냐하면 태양은 없고, 우리는 더 이상 빛을 얻을 수 없기 때문에-- 그래서 우리의 작은 지구가 스스로 빛을 내게 되는 것이죠. 그리고 블랙홀 주위 30km 까지는 적당한 궤도여서 그 위에 지구를 놓아둘 수 있다는 사실을 알게 될 겁니다. 이 압축된 블랙홀은 사실 맨해튼안에 딱 들어맞거나 다소 차이가 날것입니다. 지구를 파괴하기 직전까지 허드슨강물을 조금 넘치게할 것입니다. 하지만 기본적으로 우리가 얘기하려는 것은 그게 아니구요. 맨해튼 절반 정도의 넓이에 구겨넣을 수 있는 물체에 대해 얘기해 보죠.

그리고 우리는 이 지구가 매우 가깝게-- 30km 떨어진 궤도에서-- 지구가 블랙홀 주변 궤도를 선회하고 있다는 것을 알게 됩니다. 블랙홀은 우주의 모든 것을 집어삼키지만 실제로 그 안으로 떨어지기 위해서는 매우 가깝게 다가가야 한다는 신화 같은 얘기가 있습니다. 하지만 유리한 입장에서 보면, 우리가 항상 지구를 볼 수 있다는 것은 매우 인상적입니다. 지구는 블랙홀 뒤에 숨을 수 없습니다. 지구로부터 오는 빛의 일부는 블랙홀 안으로 떨어지고, 일부는 주변으로 반사되거나 우리에게 되돌아 옵니다. 따라서 블랙홀 뒤에는 아무것도 숨길 수 없죠. 만약 여러분이 배틀스타 갈락티카(미국드라마)에서 싸일런들과 싸우는 중이라면, 블랙홀 뒤에 숨지 마세요. 적들에게 들킬테니까요.

아무튼, 우리의 태양은 블랙홀로 붕괴하지 않을것입니다; 태양은 충분히 큰 질량을 가지고 있지 않으니까요, 하지만, 우리 은하계에는 수만개의 블랙홀이 존재합니다. 만약 블랙홀 하나가 은하수를 가린다면, 이처럼 보이게 되겠죠. 우리는 은하계에서 수 천억개의 별들을 배경으로 그 블랙홀의 그림자와 그것의 반짝이는 먼지 테두리를 볼 수 있을 것입니다. 그리고 우리가 이 블랙홀쪽으로 떨어진다면, 우리는 그 주변의 모든 빛이 굴절되는 것을 볼 것이고, 심지어 그 그림자 속을 가로지르게 된다면, 그 어떤 극적인 일이 벌어지게 될지도 모릅니다. 만약 로켓을 쏘아서 그곳을 벗어나려고 해도 소용없을 거에요. 우리는 빛보다 빨리 벗어날 수 없기 때문이죠.

그러나 밖에서 보면 블랙홀이 어두워 보이지만, 그 안쪽은 어둡지 않습니다. 은하로부터 오는 모든 빛이 우리 뒤로 떨어지기 때문이죠. 그리고, 시간 팽창으로 알려진 상대론적 효과때문에, 우리의 시계가 '은하시간' 에 비해 상대적으로 느려지는 것처럼 보여질 지라도, 블랙홀에 의해 우리가 뭉개져 죽기 바로 직전까지는 은하의 진화가 가속되고 우리에게 빛이 비추는 것처럼 보일 것입니다. 터널의 끝에서 빛을 보는 것처럼 거의 죽음을 경험하는 것과 같을 거에요, 하지만 그것은 완전한 죽음의 경험입니다. (웃음) 물론, 그런 터널 끝의 빛을 본 경험을 얘기할 사람은 아무도 없겠죠.

이제 우리는 블랙홀 같은 그림자를 보지 못했지만, 블랙홀은 보이지 않더라도 들을 수 있습니다. 천체물리학적 실제 상황을 가정해보면-- 오랫동안 함께 살아온 두 개의 블랙홀을 상상해보세요. 아마도 그들은 항성으로서 시작했을 것이고 두 개의 블랙홀로 붕괴했으며-- 각각은 태양의 10배의 질량을 가지고 있습니다. 그리고 이제 그들을 직경 60km로 압축시킵니다. 그들은 초당 수백번 회전을 할 수있어요. 수명을 다 하면서, 거의 빛의 속도로 서로를 맴돌 것입니다. 그리고 그들은 1초도 안되는 시간에 수천 km 씩 가까워지게 됩니다. 그리고, 그들은 공간을 휘게 할 뿐만아니라, 우주의 소리, 즉 시공간에 실제 파장을 발생시키고 떠납니다. 폭발하는 이러한 블랙홀들로부터 터져나오듯이 공간은 압축되었다가 팽창합니다. 그리고 빛의 속도로 우주속으로 퍼져나가겠죠.

이 컴퓨터시뮬레이션은 NASA 고다드 센터의 상대성이론 연구그룹이 만든 것입니다. 이 문제를 푸는데 거의 30년이 걸렸습니다. 이것은 그 연구그룹의 작업중 하나인데요. 두 블랙홀이 서로 상대방 주위로 선회하는 것이 보이시죠. 음, 이들 곡선들을 따라서요. 보시면 -- 좀 흐릿한데 -- 방사되어 나오는 붉은 파형은, 중력파입니다. 이들은 문자그대로 우주가 진동하는 소리들이고, 이 소리들은 블랙홀을 벗어나 빛의 속도로 여행을 할것입니다. 블랙홀은 종말을 맞이하며 하나로 합쳐져 회전하는 조용한 블랙홀이 됩니다. 만약 여러분들이 근처에 서 계시다면, 압축, 팽창하는 우주때문에 여러분의 귀는 진동할 것입니다. 말그대로 실제 소리를 듣게 되겠죠. 물론, 불행하게도 여러분의 머리도 압축되고 팽창되며, 무슨 일이 일어나는 지 모르는 상태가 되겠지만요. 하지만 우리가 예상하는 소리를 들려드리겠습니다.

이것은 우리 연구그룹에서 만든 것으로 -- 컴퓨터 모델링이 약간 화려하지는 않지만, 매우 육중한 블랙홀 속으로 좀 가벼운 블랙홀이 떨어지는 것을 상상해보세요. 여러분이 듣게 될 소리는 블랙홀이 가까워질 때 마다 작은 블랙홀이 공간을 두드리는 소리입니다. 멀어지면, 조금 소리가 줄어들죠. 그것은 나무망치로 두드리듯이, 말그대로 공간을 두드리고 있고, 드럼이 울리듯이 쿵쿵거립니다. 이제 그 소리가 어떠할 지 예상하실 수 있죠. 블랙홀이 떨어지면, 소리는 빨라지고 커집니다. 그리고 결국에는, 작은 녀석이 큰 녀석 안으로 떨어지는 소리를 듣게 됩니다. (쿵쿵쿵쿵) 끝났네요. 이제껏 이렇게 크게 들어본 적이 없어요 -- 훨씬 드라마틱하네요. 집에서 들으면, 점점 작아지듯이 들리거든요. 마치 딩, 딩, 딩 같은 소리죠.

이것은 우리 그룹에서 만든 또 다른 소리입니다. 그림은 없어요. 블랙홀은 아무것도 남기지 않으니까요. 이해에 도움이 되는 잉크자국이나, 우주는 색이 없으니까, 보여드릴 곡선같은 것이 없어요. 하지만 만약 우주 공휴일에 여러분이 우주를 떠 다니다가 이 소리를 듣게 되면, 멀리 이동하고 싶으실 거에요. (웃음소리) 소리로부터 멀리 도망가고 싶어지겠죠. 두 블랙홀은 움직이고 있습니다. 두 블랙홀이 서로 가까워지고 있어요. 이 경우, 양쪽 모두 매우 쿵쿵 거립니다. 그리고 나서 그들은 합쳐집니다. (쿵쿵쿵쿵) 이제 사라졌네요. 저 벌레 울음소리 같은 것은 블랙홀 병합의 매우 독특한 특징입니다. -- 끝에는 사라지죠. 이것이 우리가 예상한 가설입니다.

다행스럽게도 우리는 이렇게 안전한 거리의 캘리포니아 롱비치에 있습니다. 그리고 우주 어딘가에는 분명히 두 블랙홀이 하나로 합쳐졌습니다. 우리 주변의 우주공간은 소리를 내고 있습니다. 수 백만년 혹은 수백만 광년 동안 빛의 속도로 이동한 뒤에 우리에게 도달하게 된 것이죠. 하지만 그 소리는 아무도 들을 수 없을 만큼 작습니다. 지구 위에서는 부지런히 진행중인 실험이 있는데요. LIGO라는 실험입니다. 이는 4km 이상의 범위에서 하나의 원자핵 보다 작은 단위로 우주의 수축과 팽창에 관한 변화를 탐지하는 실험입니다. 그것은 정말 놀랄만큼 야심찬 실험이며, 수년 안에 고도의 민감도를 가지게 되는 수준이 될것입니다 -- 그 변화를 잡아내기 위해서요. 우주에 대한 새로운 미션도 주어져 있습니다. 이는 10년 안에 시작될 것이며, LISA 라 부릅니다. 이 LISA계획을 통해 슈퍼 블랙홀 -- 태양의 수백만배 혹은 수십억배의 질량을 가진 블랙홀을 찾을 수 있게 될것입니다.

이 허블 이미지에서, 두 개의 은하계가 있습니다. 그것들은 서로 껴안은 채로 정지해 있는 것처럼 보입니다. 각각의 은하계는 아마도 그 중심에 슈퍼블랙홀을 가지고 있을 것입니다. 하지만 정지해 있는 것이 아니라, 사실 그들은 합쳐지고 있는 것입니다. 이 두 블랙홀은 충돌하고 있습니다. 그리고 수십억년 단위의 시간에 걸쳐서 합쳐질 것입니다. 그 기간 동안의 소리를 듣는다는 것은 우리 인간의 인지능력 바깥의 일입니다. 하지만 리사계획을 통해 우주 역사 초기의 슈퍼블랙홀 두 개의 마지막 모습 -- 그들이 하나로 합쳐지기 직전 15분의 모습을 볼 수 있을 것입니다. 그것은 단순한 블랙홀이 아닙니다. 우주에 커다란 교란이 일어나는 것 이기도 합니다. -- 그런 것들 중에 가장 큰 것이 빅뱅이죠. 그 표현이 처음 만들어졌을 때, "오, 누가 빅뱅을 믿겠어?" 라며 비웃음을 받았습니다. 하지만 지금은 실제로 훨씬 기술적으로 정확하고, 그것이 폭발하면서; 소리도 만들어 냈을 겁니다.

Proton Studios 의 제 친구가 보내준 이 에니메이션은 빅뱅을 외부에서 바라보는 장면입니다. 실제로 아무도 그러고 싶지 않겠죠; 우리는 우주 안에 있기를 원해요. 우주 바깥에 존재하는 것은 아무것도 없으니까요. 그럼 여러분이 빅뱅 안쪽에 있다고 가정하죠. 그것은 어느곳에나 있고, 여러분 주변의 모든 것입니다. 그리고 공간은 무질서하게 쿵쿵쿵 소리를 낼것입니다. 140억년이 지나도 여전히 이 노래가 우리주변을 울립니다. 은하계가 형성되고, 그러한 은하계로부터 별들이 생성됩니다. 그리고 그 주변에서 하나의 별, 적어도 하나의 별은 생명체가 살 수 있는 행성입니다. 그리고 여기 우리는 미친듯이 이러한 실험들을 하고있습니다. 이러한 계산을 하고, 컴퓨터 코드를 쓰면서 말이죠.

10억년 전, 두 개의 블랙홀이 충돌할 때를 상상해 보세요. 그 소리는 그 후로 줄곧 우주 속으로 울려 퍼지고 있습니다. 이 때에는 생명체는 살지 않았죠. 점점 더 가까워지고 -- 4만년 전에, 우리가 동굴에 벽화를 그리던 시절에요. 마치, "서둘러! 도구를 만들란 말이야" 같은 말을 했을 시대요. 더욱 더 가까워지고 그래서 2000.. 몇 년이던간에 우리의 탐지기가 마침내 고감도의 장치가 될 때 -- 그런 장비를 만들어서, 그 기계를 켰을 때 쿵!(bang), 우리는 그 소리를 잡아 낼 것입니다. -- 우주가 만들어낸 첫 번째 소리를요. 우리가 빅뱅의 소리를 잡아낸다면, 그 소리는 이렇게 들릴 것입니다. (정적) 정말 끔찍한 소리군요. 말 그대로 잡음입니다. 백색소음이죠. 정말 무질서한 소리입니다. 하지만 그것은 짐작컨데 우리 주변 어디에나 있습니다. 그것은 우주의 다른 과정을 통해 사라지지 않았습니다. 그리고 우리가 그것을 잡아낸다면, 우리의 귀에는 음악처럼 들릴것입니다. 그것은 우리가 보고 있는 우주의 생성 순간의 조용한 메아리 같은 것이 될 것이기 때문입니다.

그래서 앞으로 수 년 이내에, 약간이나마 사운드 트랙을 켤 수 있고, 소리로서 우주를 묘사할 수 있을 것입니다. 하지만 만약 그러한 태초의 순간들을 탐지한다면, 빅뱅을 이해하는 데에 훨씬 더 가까이 다가갈 수 있을 것입니다. 그리고 몇몇 가장 어렵고 난해한 질문들에 대한 해답에 훨씬 더 가까이 다가갈 수 있을 것입니다. 우리 우주의 영화를 뒤로 돌리면, 우리 과거에 빅뱅이 있었음을 알게 되고, 빅뱅의 불협화음을 들을 수 있게 될 것입니다. 하지만 우리의 빅뱅이 유일한 빅뱅이었을까요? 이런 물음을 던져야 합니다. 그 이전에도 빅뱅이 있었을까요? 빅뱅이 다시 일어날 수도 있을까요? 저는, 미지에의 궁금증에 불을 밝히는 TED의 도전정신에 기초하여 이 강연을 마감하면서 묻고 싶은 것이 있습니다. 어쩌면 영원히 해답을 얻을 수 없을지도 모르죠.

하지만 반드시 이런 질문을 던져야 합니다 : 우리의 우주는 어떤 위대한 역사의 단지 하나의 깃털에 불과한 것이 아닐까요? 혹은, 우리는 단지 '다중우주'의 한 곁가지에 지나지 않을 까요-- 과거에 자신만의 빅뱅에서 뻗어져 나온 가지처럼 말이죠. 아마 그들 중 일부는 드럼 소리를 내는 블랙홀을 가지고 있을 테고, 일부는 블랙홀이 없구요-- 일부는 문명이 있을 수 있고, 일부는 없을 수도 있고-- 우리의 과거에서가 아니라, 우리의 미래에서가 아니라, 하지만 어느 정도 근본적으로 우리와 연결되어 있을 까요? 그래서 우리는 이런 의문을 가져야 합니다. '다중우주'가 있다면, 그 다중우주의 다른 부분에도 생명이 존재 할까요? 이것은 저의 다중우주 생물들입니다. 우리의 존재에 대해 궁금해 하고 우리의 기원을 알고 싶어하는 다중우주의 다른 생명체들이 존재하지는 않을까요? 만약 있다면, 그들도 우리와 같을 것이라 생각합니다. 계산하고, 컴퓨터 코드를 써내려가고, 문명의 도구를 만들고, 그들 태초의 그 희미한 소리를 탐지하려고 애쓰고 저 바깥에 누가 있는지 궁금해 하겠죠.

감사합니다. 감사합니다.

(박수)