노벨상 딱 한 개?, 알베르트 아인슈타인(8)

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아인슈타인(8)

빛이 휘어지는 현상과 관련해 가장 극적인 발견은 ‘중력렌즈’ 효과다. 중력렌즈의 효과는 1937년 아인슈타인이 예언한 것으로 질량이 큰 물체 주변에서 빛이 휘어지는 현상은 일반렌즈가 초점을 모으거나 빛의 경로를 변경시키는 효과와 같다는 것이다. 그는 지구와 먼 광원 사이에 렌즈와 같은 작용을 하는 질량이 매우 큰 물체가 있다면 광원은 이중으로 보일 것이라고 주장했다.

중력렌즈 시뮬레이션

1979년 월시(D. Walsh)는 거대한 망원경을 통해 아주 먼 곳에 있는 퀘이사 하나가 실제 두 개로 보인다는 것을 발견했다. 이는 지구와 퀘이사 사이에 있는 전체 은하계가 중력렌즈로 작용한다는 것을 의미한다. 2002년에는 이탈리아가 NASA와 공동으로 토성탐험선 카시니를 이용해 실험했다. 실험은 카시니호와 지구 사이의 가시선이 태양 바로 옆을 지날 때 수행됐는데 그 결과 샤피로의 시간지연 현상이 상당한 정밀도로 증명됐다고 발표했다.

'중력탐사B호'에 설치된 회전체

2004년 스탠퍼드 대학과 미 항공우주국(NASA)이 일반 상대성이론을 검증하기 위해 발사한 무인 위성 ‘중력탐사B(Gravity Probe B)’가 아인슈타인의 이론을 뒷받침하는 결과를 얻었다고 발표했다. 중력탐사B호의 내부에는 완벽한 구형에 가까운 탁구공 크기의 회전체 4개가 섭씨 0도의 진공 플라스크 속에 들어 있다. 위성은 페가수스자리의 'IM 별'을 향해 고정돼 있는데, 만약 지구 주위의 시공간이 휘어져 있지 않다면 위성 내부 회전체의 축은 항상 이 별을 향하고 있어야 한다. 2007년 ‘중력탐사B’가 일반 상대성이론 가운데 아인슈타인이 제기한 ‘휜 시공간 현상 또는 측지 현상(geodetic effect)’의 측정에 도전한 결과 1%의 정밀도로 확인됐다는 것이다.

즉 볼링공을 물렁물렁한 바닥에 떨어뜨리면 바닥이 움푹 들어가듯, 지구 중력 때문에 주변의 시공간이 휜다. 과학자들은 중력탐사B 위성도 지구와 같은 시공간에 있기 때문에 내부 회전축이 움직일 것으로 예상했다. 예상대로 축이 실제로 이동한 것으로 확인됐다.

참고적으로 뉴턴의 만유인력의 법칙으로도 광선의 굴절치를 계산할 수 있다. 앞에서 설명했지만 태양에 의한 광선의 굴절치는 각도로 0.87초로 이 값은 일반상대성이론으로 구한 값의 꼭 1/2이다. 그런데 에딩턴의 굴절 실험 외에도 10개 이상의 다른 실험이 진행되었는데 이 모두 뉴턴의 굴절치인 0.87초가 아니라 아인슈타인이 예언한 굴절치인 1.75초를 보여주었다.

 

3) 질량과 속도 증명

아인슈타인의 상대성이론 중에서 충격적인 것은 질량과 속도에 관한 연계다.

발터 카우프만(1871〜1947)

속도에 의한 질량 증가에 대한 증명은 1902년, 1906년 카우프만(Waiter Kaufman, 1871〜1947)이 행한 실험적 연구로 거슬러 올라간다. 그의 실험은 상대성 이론과 전혀 관계가 없는 상태에서 이루어진 것이다. 마리 퀴리는 라듐 같은 어떤 종류의 물질은 3종류의 다른 형태의 입자 또는 광선을 끊임없이 방출하고 있다고 발표했다. 그러한 물질을 방사성 물질이라고 했는데 그의 관심을 끈 것은 베타선이다.

베타선의 입자 속도는 광속에 가까웠는데 특히 속도가 증가하면 그만큼 입자의 질량도 증가했다. 그는 질량이 다른 여러 가지 베타 입자를 측정하면서 동일한 베타선을 구성하고 있는 입자가 여러 가지로 다르다는 사실이 비논리적이라고 생각했다. 그의 생각은 당대물리학자들의 의견을 대변하는 것이라 볼 수 있는데 그것은 원자 물리학이라는 분야가 탄생한 직후였기 때문이다. 즉 당대의 학자들은 모든 물체는 똑같은 소립자로 구성되어 있다고 생각했다.

카우프만은 상이한 질량을 얻은 이유로 다른 물질 속에 있는 입자는 각기 상이한 속도를 가졌기 때문이라고 생각했다. 이런 형상은 특수 상대성 이론을 도입하면 즉 속도가 다르면 질량이 다르다는 것을 유추할 수 있다. 아인슈타인의 유명한 식에 질량과 입자의 속도를 대입하면 모든 입자의 정지 질량은 같고 또 이 질량이 전자의 질량과 같다는 사실을 파악할 수 있기 때문이다. 더불어 각 입자의 전하가 전자의 전하와 동일하다는 것은 베타선이 방사성 물질로부터 방출된 빠른 속도의 전자라는 결론을 얻었다. 이 결과는 아인슈타인과는 관계없이 이루어졌지만 결과만 놓고 볼 때 특수상대성이론을 최초로 증명한 것으로 인정된다.

아르놀트 조머펠트(1868〜1951)

1916년 조메르펠트(Arnold Somerfeld, 1868〜1951)는 특수상대성 이론의 질량 증가에 대한 증명에 성공했다고 발표했다. 1913년에 발표된 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885~1962)의 이론에 의하면 원자는 중심에 핵이 있고 그 주위의 원형 궤도를 전자가 돌고 있다고 설명되었다. 그러나 그는 일반적으로 전자의 궤도는 원이 아니라 타원형으로 핵을 타원의 초점 중 하나라고 가정하는 것이 더 합리적이라고 주장했다. 아인슈타인의 식을 대입하면 전자나 행성의 속도가 변화하면 질량도 변화하므로 속도의 변화가 크면 클수록 질량의 변화도 커진다고 볼 수 있다. 행성은 이 변화가 너무 작기 때문에 발견되지 않는 것이다. 그러나 핵 주위의 궤도를 돌고 있는 전자의 속도는 광속의 1/100이므로 상당히 둥근 궤도에서도 속도의 변화와 이로 일어나는 질량의 사소한 변화도 발견할 수 있다.

 

조메르펠트는 질량의 변화가 실제로 나타내는 효과로서 전자는 지구가 태양의 주위를 돌고 있듯이 그 핵의 주위를 몇 번이나 똑같은 타원 궤도를 계속 도는 것이 아니라 타원 그 자체가 조금씩 회전하고 있다는 것을 수학적으로 나타냈는데 이를 장미꽃형의 궤도라고 부른다. 특수상대성 이론에 의하면 궤도가 타원일 경우 전자의 질량이 ‘변화하지 않는다’는 것을 시사하며 장미꽃형은 질량이 변화하는 것을 의미한다. 여기에서 타원의 축은 세차운동을 하고 있다고 볼 수 있는데 세차운동이란 회전 운동을 하고 있는 물체의 회전축이 어떤 부동축의 둘레를 회전하는 현상을 말한다. 그런데 1916년 파센(Friedrich Paschen, 1865〜1947)에 의해 전자의 궤도는 장미꽃형으로 특수상대성 이론에서 예상된 질량 증가의 효과를 갖고 있었다.

프리드리히 파셴(1865〜1947)

1952년 브룩헤븐 국립연구소는 ‘’양자(수소의 원자핵)‘를 초속 285,000킬로미터 즉 광속의 약 0.95배까지 가속시키는데 성공했다. 그 결과로 양자의 질량은 그 본래의 질량보다 약 3배까지 증가했다. 같은 해 캘리포니아공과대학은 전자(양자의 약 0.0005배의 질량을 가진 음전하의 입자)를 광속에서 1.6킬로미터 모자라는 고속까지 즉 약 0.99999c까지 가속시키는데 성공했다. 이에 상당하는 질량 증가는 본래 질량의 900배다.

 

4) 광속은 불변

아인슈타인의 이론은 기본적으로 광속이 불변이라는 것에 기초를 두었다. 광속으로 움직이는 물체의 속력은 더해지거나 줄어드는 것이 아니라 항상 같다는 뜻이다. 즉 광속에 이르면 그 물체가 발사하는 물체의 속력에 전혀 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다. 광속의 검증에 대해서는 아인슈타인도 별도로 이야기하지 않았다. 이를 검증한다는 것은 아인슈타인의 시대에서는 불가능한 일이기 때문이라고도 볼 수 있다.

대마젤란 은하

소마젤란 은하

그러나 그의 가설도 마침내 지구에서 16만 광년 떨어진 마젤란 대성운에서 폭발한 초신성의 빛이 1987년 2월 마침내 지구에 도착하면서 다시 한 번 검증된다. 이 초신성에서 나온 광속으로 움직이면서 질량을 갖지 않는 소립자인 중성미자((中性微子, neutrino)가 지구에 도착했기 때문이다. 중성미자는 우주 탄생 당시 있었던 기본 입자의 하나지만 질량이 거의 없고 다른 물질과 반응하지 않아 실체를 알 수 없는 '유령입자' 또는 ‘가장 기이한 입자’로 불린다. 마치 바람이 그물망을 빠져나가듯 벽과 행성을 자유롭게 통과할 수 있으며 3개의 다른 종이 서로 변환되는 특징을 갖는다.

남극에 명중한 ‘유령입자’, 블랙홀에 찢긴 별의 흔적 (사진=DESY/사이언스 커뮤니케이션 랩) 출처 : 나우뉴스

아인슈타인의 이론에 의하면 중성미자 또한 자신을 방출한 물체의 속력에 관계없이 똑같은 속력으로 움직여야 한다. 이것은 중성미자의 속도가 중성미자를 방출하는 물체의 속력에 영향을 받지 않는다면 폭발하는 별의 어느 부분에서 나왔건 상관없이 중성미자는 모두 같은 시간에 지구에 도착해야 한다는 것을 뜻한다.

천문학자들은 이 초신성으로부터 방출된 중성미자를 19개 검출했는데 모두 12초의 시간 간격 안에 도착했다. 이 중성미자는 광속으로 16만 년, 시간으로는 무려 5조 초 동안이나 날아왔다. 그렇게 오랜 세월을 날아왔는데도 단지 12초밖에 차이가 나지 않는다는 것은 아인슈타인의 가정이 천억 분의 1 범위 내에서 정확하다는 뜻이다. 이는 빛의 속도 299,784.25킬로미터에 비해 변하는 폭이 0.25센티미터 미만임을 나타낸다. 아인슈타인의 이론이 처음 발표된 이래 실시된 여러 가지 실험 중에서 가장 엄격한 실험을 또 다시 통과함으로써 상대성 이론은 부동의 이론이 되었다. 물체는 어떠한 일이 있더라도 광속 이상으로는 달릴 수 없다는 것이다.

이와 같은 내용이 인정된 것은 물론 중성미자 검출방법이 제시되었기 때문이다.

레이먼드 데이비스(1914~2006) 2002년 노벨물리학상

원래 화학자였던 미국인 레이몬드 데이비스 박사는 1964년부터 중성미자를 실험적으로 검증하는 대장정에 들어갔다. 그는 염화탄소 액체(세탁비눗물) 속 염소에 중성미자가 충돌하면 방사선을 방출하는 아르곤으로 변한다는 점에 착안했다. 데이비스 박사는 미국 사우스 다코다의 홈스테이크 폐금광 속에 615톤의 염화탄소가 들어가는 통을 장치해 아르곤을 검출하기 시작했다.

사실 매초 지구상에 쏟아지는 중성미자는 1조 개의 1조 배의 1만 배(1028)가 된다. 그러나 거의 모두 지구는 물론 그 위에 살고 있는 모든 생명체를 아무 일 없이 통과한다. 지구에 도달하는 중성미자의 대부분은 태양의 내부에서 일어나는 핵분열 반응에서 쏟아지는 것이지만 이를 검출하려면 다른 복사의 방해를 받지 않아야 하므로 폐광 속에 엄청난 시설을 건설한 것이다. 그런데 이론적 계산에 의하면 하루에 2개의 아르곤이 검출되어야 하는데 데이비스는 1990년대까지 30년 동안 평균 이틀에 한 개 정도를 검출할 수 있었다.

비록 이론과 실험의 차이가 있었지만 데이비스의 실험을 통해 지구외부 특히 태양의 내부에서 발생된 중성미자를 처음으로 관측했다. 이것이 바로 중성미자 망원경의 시초이며 인류가 천체 내부를 들여다볼 수 있는 새로운 길을 열었다고 평가되었다.

한편 1970년대 후반에 핵력, 약력, 전자기력을 통일적으로 기술할 수 있는 대통일장 이론이 나왔을 때 이 대통일장 이론의 주된 예측 중 하나가 바로 양성자 붕괴였다. 이를 실험적으로 검증하기 위해 고시바 마사토시 박사는 일본 가미오까에 있는 산 속 1킬로미터 아래의 광산에 검출기를 건설했다.

고시바 마사토시(1926~2020) 2002년 노벨물리학상

규모도 어마어마하여 3천 톤의 증류수 탱크(높이 16미터, 지름 16.5미터)를 설치하고 그 내부둘레를 1천여 개의 광전증폭기로 둘러쌌다. 중성미자와의 충돌로 인해 전자가 가속하게 되면 빛이 나오는데 광전증폭기란 이를 관측하기 위한 것으로 ‘가미오간데(Kamiokande)’라고 불렸다. ‘가미오간데’는 우연히 마젤란 대성운에서 폭발한 중성미자를 관측했는데 이것은 태양계 밖 천체에서 발생된 중성미자의 첫 관측으로 고시바 박사는 데이비스 박사와 함께 새로운 방법의 우주 망원경을 개발한 셈이다.

가미오칸데 모형

한편 중성미자의 실험과 이론의 차이에 대한 연구도 계속되어 현재 중성미자 진동론이 제시되고 있다. 즉 일부 중성미자가 그 종류를 바꿔 지구에 도착하므로, 전자-중성미자만 측정할 수 있는 중성미자 검출기는 이론보다 항상 적은 양만 관측된다는 것이다.

한편 고시바 박사는 일본에서 학생 때 성적이 좋지 않기로 이름난 사람이지만 미국 로체스타대에서 박사학위를 받은 후 오랫동안 입자물리실험의 경험을 토대로 가미오간데 아이디어를 창출한 입지전적인 사람이다. 그는 우주 X선 망원경을 개발한 미국인 리칼도 자코니 박사와 함께 2002년 노벨상 물리학상을 받았다. 이들 수상자들이 다른 노벨상 수상자들과 차이가 있다면 창의력뿐만 아니라 긴 세월에 걸친 불굴의 노력이 노벨상으로 열매를 맺었다는 점이다.

리칼도 자코니(1931~018) 2002년 노벨물리학상

근래 뉴턴의 고전 물리학에 아인슈타인의 강펀치가 다시 날아들었다. 미국 항공우주국(NASA)의 ‘페르미 감마선 우주망원경’이 73억 광년의 거리를 날아온 감마선 빛을 관측한 후 빛 속도가 에너지나 파장과 관련 없이 항상 일정하다고 보았던 아인슈타인의 이론이 여전히 유효하다고 밝혔다. 아인슈타인의 이론은 근본적으로 광속불변의 법칙에 의지한다. 그런데 근래의 물리학자들이 양자론과 상대성이론을 통합한 ‘만물의 이론’을 만들면서 미시의 양자세계에선 시공간의 진공에서 ‘양자요동’이 일어나며 고에너지와 만날 때 상호작용을 일으키기 때문에 빛의 에너지가 클수록 빛 속도가 느려진다는 예측을 내놓았다.

이것을 간단하게 설명하면 ‘바다를 멀리서 보면 평탄하지만 가까이 보면 물거품을 일으키며 요동하는 것처럼 양자세계에서도 시공간이 요동한다는 것이다.' 즉 아인슈타인 이론에선 에너지와 파장에 관계없이 빛 속도가 일정하지만, 양자 중력이론에선 빛 속도가 양자요동의 영향을 받는다는 것이다.

페르미 감마선 우주망원경

이 가설은 뉴턴의 이론을 아인슈타인이 교정해 준 것처럼 아인슈타인이론도 교정될 수 있음을 의미했는데 결론은 아인슈타인의 광속불변의 법칙은 여전히 유효하다는 설명이다. 페르미 감마선 우주망원경에 의한 측정에 의하면 73억 광년 떨어진 곳에서 두 중성자별의 충돌로 생긴 엄청난 에너지의 감마선 입자들을 포착했다. 포착된 감마선 입자 하나는 다른 것에 비해 무려 100만 배 가량 큰 에너지를 지니고 있으므로 아인슈타인에 도전한 새로운 양자 중력 이론에 의하면 두 입자의 도착 시각이 최소한 몇 분 정도 달라야 했다. 하지만 결과는 0.9초 차이에 불과했다. 김상표 교수는 무려 73억 광년이나 날아오는 동안에 빛이 불과 0.9초 차이만을 나타냈다면 이는 사실상 에너지 차이가 빛 속도에 영향을 끼친다는 양자이론의 일부 예측이 틀렸음을 뜻한다고 설명했다. 또 한 번 아인슈타인의 이론이 난공불락의 영역이 된 것이다.

유럽입자물리학연구소(CERN)

그런데 2011년 9월 22일 스위스의 유럽입자물리학연구소(CERN, Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire)는 매우 놀라운 발표를 했다. 지금까지 존재가 불가능하다고 여겨졌던 빛의 속도보다 빠르게 이동하는 입자를 포착했다는 것이다. CERN의 과학자들은 스위스 CERN에서 출발한 중성미자가 730킬로미터 떨어진 이탈리아의 그란 사소 지하실험실에 있는 검출기에 도달한 시간이 빛이 도달하는 시간보다 60나노초(0.00000006초) 빠르다는 것을 측정했다는 주장이다. CERN의 발표대로라면 중성미자는 빛보다 약 5만분의 1배만큼 빠르다. 과학계는 실험의 실수일 가능성이 크다고 보지만 CERN측은 실험의 오류 가능성을 여러 방면에서 확인한 결과 같은 결과가 나왔으므로 공개한다고 발표했다.

만약 이 발견이 사실로 확인되면 우주 탄생 과정을 설명하는 빅뱅 이론(우주가 점 같은 상태에서 137억 년 전에 대폭발이 일어나 팽창, 한계에 이른다는 이론) 등 기초 이론이 흔들리게 된다. 오페라(OPERA)라고 부르는 이번 실험에는 한국을 비롯해 일본, 이탈리아 등 11개국 연구진들이 참여하고 있다. 이 발표가 사실이라면 아인슈타인의 견고한 이론도 흔들릴 수 있다는 뜻으로 뒤에서 다시 설명한다.