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도전과 실패, 중력파를 향한 과학자들의 눈물의 시간을 담다!

『중력파, 아인슈타인의 마지막 선물』은 중력파를 찾는 인류의 탐험과정을 최초로 담아낸 책이다. 라이고 과학협력단에 참여하며 중력파 검출 실험을 성공적으로 이끄는 데 기여했던 현장의 과학자가 지난 55년간의 중력파 검출의 역사와 함께 오늘날 그 과학적 성공을 이루어낸 눈물겨운 과정을 생생하게 보여준다. 아인슈타인의 이론을 검증하기 위하여 일련의 과학자들이 어떤 노력과 실패를 했는지, 저자는 그 고단하고 지루한 도전의 시기 동안 시대를 풍미했던 선구자들의 눈물겨운 노력을 담아냈다.

중력을 기술하는 뉴턴의 이론과 아인슈타인의 일반상대성이론에 대한 소개와 간략한 고찰을 역사적 사건을 중심으로 기술했다. 중력파 검출 실험을 최초로 시작한 조지프 웨버의 선구자적인 노력과 이와 관련된 역사적 사건들과 함께, 웨버의 ‘바 검출기’로부터 중력파의 검출기가 어떻게 발전되어왔는지를 이야기했다. 또한 물리학과 천문학적인 관점에서 중력파의 성공적인 검출이 가져다주게 될 혜택과 그 파급효과, 그리고 과학적 가능성에 대해 전망한다.

“We did it!” “당신이 옳았어요, 아인슈타인”

아인슈타인 100년의 숙제가 마침내 풀리다!

중력파에 관해 가장 알기 쉽게 쓴 과학교양서이자
중력파를 찾는 인류의 눈물겨운 탐험과정을 담아낸 최초의 기록

6500만 광년 떨어진 처녀자리 성단에 사는
한 외계인의 머리칼이 흔들리는 모습을 지구에서 감지하다
―중력파와 라이고(LIGO)는 무엇?
잔잔한 물 위에 돌을 던지면 물결이 사방으로 퍼져나간다. 이처럼 중력파(重力波, gravitational waves)는 우주에서 별이 폭발하는 등의 커다란 사건에 의해 생겨나 사방으로 퍼져나가는 시공간의 잔물결과 같다. 단, 우주 전역으로 퍼져나가지만 너무 미약하기 때문에 그것을 알아내는 것은 매우 어렵다. 실제 중력파는 시공간이 급격하게 변하는 에너지가 파동의 형태로 전파되며 그 세기는 10-21 정도인데, 이 크기는 태양이 원자 크기만큼 진동한 정도보다도 작다. 따라서 그 신호를 검출하기 위해서는 빅뱅 이후 우주의 급팽창이나 별들의 충돌이나 폭발과 같은 천문학적인 현상을 통해서만 가능할 것으로 생각되었다.
이를 검출하고자 1960년대 이후부터 전 세계적인 실험과 관측이 시작되었고, 미국에서는 2000년대부터 중력파 검출을 위한 라이고(LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory: 레이저 간섭계 중력파 관측소)를 건설했다. 결국 아인슈타인의 일반상대성이론 100주년인 2015년 9월 14일에 검출에 성공했고, 여러 단계의 검증을 거쳐 2016년 2월 11일 전 세계에 발표되었다. 13억 년 전, 우주에서 2개의 블랙홀이 던졌던 물결이 21세기 인류에게 새로운 우주를 열어 보여준 것이다.

“We did it!” “당신이 옳았어요, 아인슈타인”
중력파, 인류에게 새로운 우주의 시대를 열다
―중력파의 발견/검출이 가지는 의의
2016년 2월 11일(한국시간 2월 12일 0시 30분), 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표한 직후 그 존재가 이론적으로 예견되었던 중력파의 직접 검출에 100년 만에 성공했음이 전 세계에 알려졌다. 이 중력파의 발견은 인류의 집단지성이 이루어낸 역사적 쾌거이다. 100년 전 현대 과학의 패러다임을 바꾸었던 아인슈타인이라는 한 천재에 의해 예견된 마지막 수수께끼를 풀기 위해 인류가 던진 도전장은 마침내 55년 만에 그 결실을 맺게 되었다. 하나의 풀리지 않는 과학적 사실을 발견하기 위해 미국이 1조 원 가까이 투자한 것을 일반인의 상식으로는 이해할 수 없을 것이다. 그러나 선진국들이 앞다투어 기초과학에 대한 투자를 아끼지 않는 것은 과거로부터 현재까지 몸소 체험했던 역사적 교훈과 믿음 때문일 것이다.
중력파는 아인슈타인이 예언했던 과학적 사실을 발견하고 입증했다는 그 사실 하나만을 의미하지는 않는다. 이 발견은 이후 미래에 도래하게 될 새로운 시대의 서막을 예고한다. 전자기력이라는 힘을 이해함으로써 오늘날의 무선통신 문명을 열었듯이 앞으로 어떤 식으로 중력파를 응용한 문명이 펼쳐질지는 감히 예측할 수 없다. 다만 이 발견이 가까운 미래에 열게 될 중요성은, 이제 우리는 우주를 이해하는 데 한 걸음 더 다가설 수 있게 되었다는 것이다. 마치 갈릴레이가 광학망원경을 발명함으로써 육안으로 관측해오던 우주를 좀 더 자세히 들여다보게 되었듯이, 헤르츠의 전자기파의 발견으로 발명된 전파망원경을 통해 우리 우주의 새롭고 다양한 모습들을 바라봄으로써 우주를 좀 더 이해할 수 있게 되었듯이, 이제 인류는 중력파라는 새로운 관측 수단을 이용해서 우주가 연주하는 멋들어진 교향악을 감상할 수 있게 된 것이다..

중력파에 관해 가장 알기 쉽게 쓴 과학교양서이자
중력파를 찾는 인류의 눈물겨운 탐험과정을 담아낸 최초의 기록
『중력파, 아인슈타인의 마지막 선물』은 라이고 과학협력단에 참여하며 중력파 검출 실험을 성공적으로 이끄는 데 기여했던 현장의 과학자가 지난 55년간의 중력파 검출의 역사와 함께 오늘날 그 과학적 성공을 이루어낸 눈물겨운 과정을 생생하게 담아낸 중력파 검출 실험의 역사서이다. 저자 오정근 박사는 그 고단하고 지루한 도전의 시기 동안 시대를 풍미했던 선구자들의 눈물겨운 이야기들을 책에 담아냈다.
아울러 저자가 “사초(史草)를 작성하는 사관(史官)과 같은 마음”이라고 말했듯이, 이 책은 중력파 검출 발표 전후 몇 주간 동안 전 세계를 뜨겁게 달구었던 역사적 발견의 뒷이야기들을 시간에 따라 생생하게 담아낸 세계에서 하나밖에 없는 기록이다. 향후 100년간 회자될 위대한 발견의 기록을 아인슈타인의 일반상대성이론 100주년의 해에 독자들과 나눌 수 있는 것은 현 시대를 살고 있는 우리에게 큰 행운일 것이다.

왜 기초과학에 대한 관심과 아낌없는 투자가 필요할까?
과학자들의 노력과 실패, 그리고 끊임없는 도전
―책의 집필 의도
1927년 벨기에 브뤼셀에서 기괴한 토론의 향연이 벌어졌다. 그것은 마치 조선시대 성리학자들이 논하는 ‘이기론(理氣論)’의 논쟁과 같은 것이었다. 이른바 ‘솔베이 회의’로 불리는 이 모임에서 당대의 물리학자들은 당시 구축되어가고 있었던 양자역학의 해석을 위하여 끝없는 논쟁과 토론을 반복했다.
일반인들에게는 이 논쟁이 자신들의 생활에 전혀 도움을 주지 않는 것처럼 보였을 것이다. 그러나 이러한 논쟁이 결국은 양자역학의 기초를 확립하고 현대문명의 초석이 되었음을 피부로 느끼게 해준 사건 중 하나일 것이다. 이것은 비단 양자역학만이 아닌 현대 과학이 시대를 앞서서 당대 현실 생활과는 동떨어진 사실에 천착하고 있더라도 가까운 미래에 우리에게 공학과 기술문명이라는 이름으로 돌아올 것이라는 교훈이 자리 잡고 있는 것이다. 현대 과학, 특히 기초과학을 떠받치고 있는 큰 버팀목이 바로 이것이다.
현대 과학은 점차로 거대화되고 있고 대규모로 집단화되어가고 있다. 그에 따라 시설에 대한 투자 금액 역시 천문학적인 규모가 되고 있다. 이런 과학연구 형태의 특징은 이전에 개인적인 실험실 수준에서 이루어지던 것과 다르게 특별한 모습으로 구현되고 있으나, 아직 우리에게는 낯설다. 불과 15쪽의 논문에 저자와 소속기관만 5쪽을 할애하고 있으니 말이다. 이 책은 그 낯선 현대 과학의 일면에 대해 소개하고 있다. 과연 그렇게 큰 과학자들의 집단이 어떻게 실험과 토론을 통해 발견의 목적을 이루려고 노력하며, 어떤 과정으로 의사결정이 이루어지는지를 생생하게 전달한다.
또한 이 책에서는 아인슈타인의 이론을 검증하기 위하여 일련의 과학자들이 어떤 노력과 실패를 했으며, 최종적인 성공에 도달하기까지 100년간의 눈물겨운 도전을 구체적인 사건의 일화와 반전을 가미하여 소개하고 있다. 아주 극적으로 그 성공스토리가 생생하게 책의 지면을 통해 독자들에게 전달될 것이다.

책의 주요 내용
제1장 중력을 기술하는 뉴턴의 이론과 아인슈타인의 일반상대성이론에 대한 소개와 간략한 고찰을 역사적 사건을 중심으로 기술했다. 그리고 일반상대성이론이 예측한 중력파의 본질과 실험적으로 검출할 수 있는 가능성에 대해 소개했다.
제2장 중력파 검출 실험을 최초로 시작한 조지프 웨버의 선구자적인 노력과 이와 관련된 역사적 사건들과 함께, 웨버의 ‘바 검출기’로부터 중력파의 검출기가 어떻게 발전되어왔는지를 이야기했다.
제3장 조지프 웨버 이후의 중력파 검출기의 새로운 대안이자 현재 가장 가능성 있는 대형 프로젝트인 ‘레이저 간섭계’ 중력파 검출기인 ‘라이고(LIGO, Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)’가 추진되어온 역사에 대해 소개했다.
제4장 레이저 간섭계가 어떻게 중력파의 직접 검출에 가장 가능성이 있는 프로젝트로 부상했는지에 대해 설명했다. 그리고 본격적으로 라이고가 가동되고 10여 년이 지난 지금까지의 중력파 검출 실험에 대한 현황에 대해 소개했다.
제5장 어드밴스드 라이고의 관측 시작과 함께 중력파 신호를 발견하면서 과학자들이 수행했던 노력의 과정에 대해 전달하고자 했다. 특히, 라이고 과학협력단이 중력파 신호를 포착하고 중력파 신호임을 확증하기 위해 어떠한 노력들을 수행했고, 어떻게 최종 결론에 도달하게 되었는지를 시간 순서로 구성했다. 중력파 발견의 과정들이 가장 생생하게 담겨 있다.
제6장 물리학과 천문학적인 관점에서 중력파의 성공적인 검출이 가져다주게 될 혜택과 그 파급효과, 그리고 과학적 가능성에 대해 전망했다. 아울러 현재 지구상에서 진행되고 있거나 계획되고 있는 차세대 중력파 검출기 프로젝트와 그 현황, 한국에서의 중력파 검출 연구의 현황도 소개했다.

책속으로 추가

협정세계시간으로 2016년 1월 6일 오전 1시 30분경 북한의 핵실험으로 추정되는 규모 5.1의 인공지진이 미국지질조사국USGS과 유럽 지중해 지진센터EMSC에 감지되었다. 이날은 필자가 리빙스턴 검출기의 데이터 품질 교대근무Data Quality Shift를 수행하고 있는 중이었다. 뉴스를 접한 필자는 바로 리빙스턴 검출기의 중력파 채널과 지진을 감지하는 지진계 채널을 확인했다.
북한에서 발생한 인공지진 진동이 리빙스턴에 도달하는 시간은 약 50여 분 뒤인 새벽 2시 20분이었다. 그러나 리빙스턴 검출기는 2시경부터 정비를 목적으로 다운 상태에 들어갔고, 이와 독립적으로 가동 중인 지진계에는 어떠한 이상신호도 검출되지 않았다. 마찬가지로 핸퍼드 검출기 역시 정비 보수를 목적으로 다운 상태였기에 이 북핵 실험의 지진 진동은 어떠한 중력파 채널에서도 감지되지 못했다. 통상 인도네시아, 대만 등 아시아권에서 발생한 이 정도 규모의 지진은 1만 킬로미터 이상 떨어진 중력파 채널에 항상 영향을 주었던 경험에 비추어 볼 때, 만약 정상적인 가동이었다면 분명히 중력파 검출기는 영향을 받았을 것이다. 이 사건으로 당시 미국 플로리다에서 열리고 있었던 미국천문학회에 설치된 어드밴스드 라이고 전시관에서는 라이고 검출기가 북한의 이 핵실험 신호를 포착했는지를 묻는 사람들이 매우 많았다고 한다.
제5장 아인슈타인의 마지막 선물 / 212쪽

이 책에 쏟아진 찬사들
머리말
프롤로그

제1장 시공간의 물결
1. 중력, 뉴턴과 아인슈타인
2. 일반상대성이론의 영광의 순간들
3. 중력파의 존재와 일반상대성이론
4. 중력파란 무엇인가?
5. 발견, 그리고 존재의 확인
6. 중력파는 어디에서 오는가?

제2장 중력파, 마지막 유산을 찾아서
1. 역사의 시작: 웨버 검출기
2. 선구자적인 실험과 발견
3. 비판, 논란, 그리고 제국의 몰락
4. 치유와 기회: 차세대 아이스 바
5. 초신성
6. 몰락한 제국의 유산
7. 수많은 도전들

제3장 레이저 전쟁
1. 새로운 시작의 준비: 바를 넘어서
2. 준비된 기술과 야심 찬 도전
3. 비판을 넘어서
4. 건설, 과학을 위한 비과학

제4장 끝나지 않은 도전, 라이고
1. 레이저 간섭계라면 가능할까?
2. 건초 더미에서 바늘 찾기
3. 10년, 그리고 조금만 더
4. 전 지구적 네트워크가 필요하다
5. 두 번의 흥분
6. 자, 이제 준비가 되었다

제5장 아인슈타인의 마지막 선물
1. 매우 흥미로운 이벤트
2. 발견의 공식 선언
3. 과연 진짜 중력파인가?
4. 100주년 이벤트와 제1 관측가동
5. 마지막 선물, 새로운 시작

제6장 새로운 천문학의 시대
1. 역사의 교훈
2. 새로운 천문학과 물리학의 시작
3. 차세대 중력파천문대로
4. 한국의 중력파 연구

에필로그
주
부록
찾아보기

일반상대성이론이 과학사의 혁명적인 관점을 제시하고, 우주를 기술하는 새로운 이론이며, 뉴턴적 사고의 틀을 전복시킨 것은 사실이다. 그러나 그 뉴턴적 사고의 전복이 “뉴턴 이론의 종식과 새로운 이론으로의 대체”라는 논리로 비약되는 것은 상당히 잘못 이해되고 있는 부분이다. 아인슈타인은 일반상대성이론을 수립하던 당시에 뉴턴의 이론을 포함하는 이론을 고려하고 있었고, 실제로 매우 약한 중력장에서는 여전히 뉴턴의 중력이론이 유효하기 때문이다. 따라서 일반상대성이론의 성공은 기존의 이론의 틀을 새로운 이론으로 교체하는 의미가 아니라, 기존의 이론을 포함하고 그 한계를 넘어서는 새로운 이론으로의 확장이라는 데 더 큰 의의가 있다.
아인슈타인은 1955년에 세상을 떠났기에 이후 천문학과 물리학의 실험들이 증명해낸 일반상대성이론의 영광의 순간들을 충분히 누리지 못했다. 그러나 에딩턴에 의해 빛이 휘어질 수 있다는 사실이 입증된 것은 그 하나로도 일반상대성이론이 공고해질 수 있음을 여실히 보여준 위대한 실험적 증거였다..
제1장 시공간의 물결 / 32-33쪽

웨버는 1969년 신시내티에서 열렸던 중서부 상대론학회에 참석했다. 이곳에 캘리포니아 공과대학교의 킵 손（1940~）이 참석해서 새로 만들어진 중성자별로부터 발생하는 중력파에 대한 자신의 연구를 발표했다. 웨버는 그 자리에서 자신이 실험적으로 중력파를 발견했다고 보고했고 이 자리에 있었던 모든 사람들은 충격을 받았다. 사실 킵 손은 웨버를 오랫동안 알고 지냈고 그가 개척하고 있는 신기술에 매우 관심이 많았다. 킵 손은 웨버가 오랜 기간 함께 일했던 휠러의 제자였다.
발표가 끝나자 웨버는 수많은 갈채를 받았다. 그리고 2주 후 그의 《피지컬 리뷰 레터》 논문이 출간되었다. 이후 웨버는 연일 스포트라이트를 받았고 뉴스의 헤드라인을 장식했다. 한 유명한 매체는 웨버의 이 발견이 지난 반세기 동안 물리학에서 가장 중요한 발견이 확실한지에 더 열을 올리며 관심을 가졌고, 웨버의 실험실은 모든 물리학자들의 선망의 대상이 되었다. 언론은 연일 웨버의 실험에 대한 새로운 소식을 전하느라 바빴고, 갑자기 일반상대성이론이 가장 인기 있는 강연 주제가 되었다. 상대론의 학술대회는 자리가 없어 입석에서 학술 발표를 듣기 일쑤였다.
제2장 중력파, 마지막 유산을 찾아서 / 72-73쪽

2010년 9월 20일에 폴란드의 크라쿠프Krakow에서 있었던 라이고-버고 연례총회에서 매우 흥분되는 사건에 대한 최초의 보고가 있었다. 여섯 번째 과학가동의 데이터 중 불과 크라쿠프 총회 4일 전에 있었던 2010년 9월 16일자 데이터에서 중력파의 후보로 여겨질 만한 신호가 포착되었다는 것이었다. 이 신호는 버스트 분석그룹에서 최초 보고가 있었고 이후 밀집 쌍성계 분석그룹에서 추가 확인이 되었다. 이 신호의 정체는 분명 블랙홀 쌍성 혹은 블랙홀-중성자별 쌍성이 1초 이내에 회전하다가 병합 과정을 거치면서 발생하는 중력파의 신호였고, 그 신호의 세기 역시 드물게 강력한 것이었다. 이 당시 중력파 간섭계는 2대의 라이고 간섭계（핸퍼드, 리빙스턴）와 버고 간섭계, 그리고 지오 600이 ‘과학모드science mode’에서 가동 중이었다. 그러나 신호는 핸퍼드, 리빙스턴에서 검출되었고, 버고와 지오에서는 검출되지 못했다. 버고에서 검출되지 못한 이유는, 대략 신호 대 잡음비SNR, signal-to-noise ratio의 세기가 5.5 이상인 경우에 검출 경보를 알리도록 되어 있는데 버고는 이를 넘지 못한 것으로 파악되었고, 지오 600에서는 검출 민감도가 이를 검출하는 데 도달하지 못했기 때문이었다.
제4장 끝나지 않은 도전, 라이고 / 174-175쪽