앨런 애덤스(Allan Adams)
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13억년 전에 아주 먼 은하에서 두 개의 블랙홀이 나선형으로 얽혀서 그대로 서로를 향해 달려든 후 충돌했습니다. 태양의 세 배만큼의 질량이 1/10초 만에 순수한 에너지로 전환됐죠. 바로 그 순간의 섬광은 알려진 우주의 모든 은하계의 모든 별들을 합친 것보다 밝게 빛났습니다. 그건 정말이지 엄청난 빅뱅이었습니다.

하지만 에너지가 빛의 형태를 띠고 있었던 건 아닙니다. 아시듯이, 블랙홀이니까요. 그 모든 에너지들은 시공간의 구조를 따라 퍼져나가서 우주가 중력파를 폭파시키게 만듭니다.

우주적 시간의 척도에 대해 감을 잡을 수 있게 해드릴게요. 13억년 전에, 지구에는 막 다세포 생물들이 태동하기 시작했습니다. 그 이후에 산호, 물고기, 식물, 공룡, 인류와 심지어 인터넷까지 나타났죠. 약 25년 전에, 대담한 사람들이 있었고 MIT의 라이 와이즈, 칼텍의 킵쏜과 로날드 드레버 같은 이들이 거대한 레이저 검출기를 만들면 정말 멋질 것이라고 생각했습니다. 블랙홀의 충돌에서 발견되는 중력파를 탐지하기 위한 것이었죠.

대부분의 사람들은 그들이 미쳤다고 생각했습니다. 그러나 미쳤지만 똑똑하다는 것을 아는 사람들이 충분히 있었기에 미국 국립과학재단이 이 미친 아이디어에 자금을 제공하기로 합니다. 그래서 10년 동안의 거듭된 개발, 건설, 상상, 그리고 엄청나게 많은 노력을 기울인 끝에 그들은 검출기를 만들었습니다. LIGO(레이저 간섭계 중력파관측소) 라고 합니다.

지난 몇 년간, LIGO는 정밀도의 비약적인 증가 및 검출 능력의 대단한 향상을 겪어왔습니다. 그 결과 지금은 진보된 LIGO라고 불립니다.

2015년 9월 초에, LIGO는 마지막 검증을 거치며 몇 가지 남아있던 세부적인 문제들을 해결했습니다. 그리고 검출기가 작동하기 시작하고 며칠 후인 2015년 9월 14일에, 그 블랙홀의 충돌로부터 나온 중력파가 지구를 통과해 지나갔습니다. 여러분과 저 모두를 통과해 지나갔죠. 그리고 검출기도 통과해 지나갔습니다.

(음성) 스캇 휴즈: 지금 순간보다 더 강력한 무언가를 느꼈던 적은 내 일생에 딱 두 번밖에 없었습니다. 하나는 제 딸이 태어났을 때이고, 다른 하나는 완전히 병든 아버지에게 작별 인사를 해야했던 때입니다. 아실지 모르겠지만, 그건 저의 경력에 대한 보답이었어요. 제가 일해온 것이 더 이상 공상 과학 소설이 아니라는 거죠! (웃음)

앨런 아담스: 저 음성의 주인공이자 저의 친한 친구며 동료이고 MIT의 이론 물리학자인 스캇 휴즈는 블랙홀에서 방출된 중력파 및 LIGO와 같은 관측소에서 검출가능한 신호를 23년간 연구해왔습니다.

제가 얘기한 중력파에 대해서 잠깐 얘기를 해볼게요. 중력파는 시간과 공간의 구조에 퍼져나가는 일종의 파장입니다. 파동이 지나가면서 공간 및 그 공간 내부의 모든 것들이 한쪽 방향으로 늘어나고 반대 방향으로는 수축합니다. 그래서 셀 수 없이 많은 일반 상대성 이론 교수들이 상대성 이론 수업에서 괴상한 춤을 추는 거죠. "늘어나면서 확장하고, 늘어나면서 확장하고."

그런데 중력파의 문제점은 그들의 존재가 너무 터무니없이 미약해요. 예를 들면, 9월 14일에 우리를 덮친 중력파는 네 맞아요, 중력파가 지나갈 때 우리 개개인이 모두 늘어나고 수축됐죠. 그 중력파가 덮쳤을 때 평균적인 한 사람을 10의 21승 분의 1 만큼 늘어뜨렸어요. 소수점 밑으로 0이 20개 있고 1이 있는 숫자죠. 그래서 LIGO를 만드는 사람들이 미쳤다고 생각했던 겁니다. 이미 미친 소리같겠지만 5km 길이의 검출기가 있더라도 그 검출기의 길이를 한 원자 속의 중성자 반지름의 1/1000 이하의 정확도로 측정해야 합니다. 정말 터무니없죠.

중력에 관한 고전 교과서 끝 부분에서 LIGO의 공동 설립자인 킵 쏜이 중력파 탐사를 다음처럼 표현했죠: "그런 검출기를 만들기 위해 극복해야 할 기술적인 어려움은 막대하다. 하지만 물리학자들은 독창적이기 때문에 그리고 대다수의 대중들이 지지해 줄 것이기 때문에 모든 장애물들을 확실히 극복할 수 있을 것이다." 킵 쏜은 중력파 검출의 성공보다 42년 앞선 1973년에 그 책을 출판했습니다.

다시 LIGO로 돌아와서 스캇은 LIGO가 사람의 눈이 아니라 마치 귀의 역할을 한다고 말하길 좋아합니다. 어떤 의미인지 설명해 드릴게요. 가시광선은 여러분 주변에 있는 물체들보다 파장과 크기가 훨씬 작습니다. 사람들의 눈,코,입이나 휴대폰 같은 것들에 비해서 말이죠. 그 사실로 인해서 여러분을 둘러싼 풍경의 사방에서 눈으로 들어오는 빛을 봄으로써 여러분 주변 사물의 모습을 그리거나 주변의 지도를 그릴 수가 있는 것입니다.

소리는 다릅니다. 들을 수 있는 소리의 파장은 50피트(약 15m)나 될 수 있습니다. 그래서 실용적인 목적으로 여러분이 정말 아끼는 무언가의 소리의 그림을 그리기가 매우 힘들죠. 여러분 아이의 얼굴 같은 것들을요. 대신 우리는 음색이나 음조, 박자 및 크기같은 소리의 특징들을 들음으로써 소리 뒤에 감춰진 이야기를 유추합니다. 저기 앨리스가 얘기하고 있네. 저기 밥이 대화에 끼어들었네. 어리석은 밥같으니.

중력파에 대해서도 마찬가지입니다. 중력파를 듣고 우주 너머 물체의 모습을 떠올릴 수는 없습니다. 하지만 중력파의 진폭과 진동수의 변화를 들음으로써 그 중력파가 얘기해주는 이야기들을 들을 수가 있습니다. 그리고 최소한 LIGO에서는 들을 수 있는 진동수는 오디오 채널에 담겨있습니다. 그래서 우리가 중력파의 패턴을 기압파와 공기, 즉 소리로 변환시키면 말그대로 우주가 우리에게 말하는 것을 들을 수가 있는 것입니다. 예를 들면, 이런 방식으로 중력을 듣는 것이 저의 동료인 스캇이 한참 동안 고민을 했던 두 개의 블랙홀 충돌에 대해 이야기를 해줄 수 있는 것이지요.

(음성) 스캇 휴즈: 만약 두 개의 블랙홀이 회전하고 있지 않다면 매우 간단한 노래를 들을수가 있습니다. 우! 하고 말이죠. 만약 매우 빨리 회전하고 있다면 같은 노래가 들리지만 이번에는 톤이 더 높아서 이렇게 들립니다: 윙 윙 윙! 블랙홀의 회전이 음파에서는 이런 형태로 표현되는 거죠.

앨런 애덤스: 2015년 9월 14일에 제 기억에 평생 남을 날입니다. LIGO는 이것을 들었습니다:

[윙윙대는 소리]

그래서 여러분이 듣는 방법만 안다면, 이것이 바로

(음성) 스캇 휴즈: 각각 태양의 30배 질량인 두 블랙홀이 믹서기의 속도만큼 빠르게 회전하면서 내던 소리인거죠.

앨런 애덤스: 여기서 잠시 멈추고 그 의미를 생각해볼 가치가 있습니다. 우주에서 가장 밀도가 높은 물질인 두 개의 블랙홀이 그 중 하나는 태양의 29배의 질량이고 다른 하나는 태양의 36배인데도 불구하고 충돌하기 직전에 1초에 100번의 속도로 서로 회전하고 있었다는 겁니다. 얼마나 강력한지 한번 상상해보세요. 끝내줍니다. 그리고 우리가 그것을 알 수 있는 이유는, 그것을 들었기 때문입니다.

그렇게 때문에 LIGO는 변함없이 중요할 수밖에 없는 거죠. 우리는 우주를 관찰할 수 있는 완전히 새로운 방법을 가지게 되었고 이는 그전까지는 전혀 불가능했습니다. 이제부터 우리가 우주를 들을 수 있으므로 보이지 않는 것도 들을 수 있죠.

그리고 우주 저 바깥에는 실험적 혹은 이론적으로 우리가 볼 수 없는 많은 것들이 있습니다. 초신성을 예로 들자면 저는 무거운 별들이 왜 폭발해서 초신성이 되는지 알고 싶어요. 매우 유용하거든요. 초신성들부터 우리는 우주에 대해 많은 것을 배울 수가 있습니다. 문제는 모든 흥미로운 물리 현상들은 중심부에서 일어난다는 것이고 중심부는 바깥의 철과 탄소, 규소로부터 수 천km 안쪽에 숨겨져 있다는 것입니다. 우리는 안쪽을 꿰뚫어볼 수 없습니다. 불투명하기 때문이죠. 중력파는 마치 철이 유리인 것처럼, 즉 완전히 투명하게 뚫고 지나갑니다. 제가 정말 연구하고 싶어하는 우리 우주의 가장 짧은 첫 순간인 빅뱅은 그 직후의 잔광으로 가려져 있기 때문에 우리가 절대 그것을 들여다볼 수 없습니다. 중력파를 이용하면 우리는 가장 첫 순간으로 되돌아갈 수 있습니다. 아마 가장 중요할 수도 있을텐데 우리가 본 적도 없고 아마 영영 볼 수도 없으며 우리가 상상할 수조차도 없었지만 오직 귀를 기울임으로써 발견할 수 있는 것들이 저 너머에 있다고 강력하게 확신하고 있습니다.

그리고 사실, 최초의 사건이었던 빅뱅에 대해서도 LIGO는 우리가 예상치도 못했던 것들을 발견했습니다. 저의 MIT 동료이고 핵심 LIGO 협력 멤버 중 한명인 맷 에반스는 바로 그 점에 대해 이야기합니다.

(음성) 맷 에반스: 우리가 관측한 블랙홀을 만들어내는 별들은 마치 우주의 공룡과도 같습니다. 고고학으로 비유하자면 그 별들은 선사시대에 살았던 거대하고 오래된 것들이며 블랙홀은 공룡의 뼈와 같습니다. 그렇기 때문에 우주 저 너머에 무엇이 있는지와 별들이 어떻게 생겨났고 끝을 맞이하는지 그리고 우리 인류가 이런 혼돈 속에서 어떻게 출현했는지에 대한 완전히 새로운 관점을 제시해줄 수 있습니다.

앨런 애덤스: 이제부터 우리가 직면한 도전은 최대한 대담해져야 하는 것입니다. LIGO의 도움으로 우주의 바스락거리는 소리나 지저귀는 소리까지 들을 수 있는 검출기를 어떻게 만드는지 알게 됐습니다. 앞으로 우리가 해야할 것은 꿈을 크게 가지고 새로운 관측소 즉, 완전히 새로운 세대의 관측소를 우주 공간에다가 건설하는 것입니다. 제 말은, 빅뱅 자체를 들을 수 있는 것보다 더 영광스러운 일이 있을까요? 우리는 앞으로 꿈을 크게 가져야 합니다. 함께 꿈을 꿉시다.

감사합니다.

(박수)