[전문가의 세계 - 김상욱의 물리공부](일3) 중력파 ‘물체는 왜 추락할까’ 오랜 사건에 답하다

추락하는 것은 질량이 있다-2017년 노벨 물리학 상을 기리며

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매사추세츠 공대(MIT)의 라이너 바이스 교수(왼쪽)와 캘리포니아 공과 대학(진료 기록 카드. 킵 손 교수가 지난해 2월 미국 워싱턴에서 열린 기자 회견에서 중력파의 발견에 관한 설명을 듣고 있다.[연합뉴스] 추락하는 것은 날개가 있다. 공은 날개가 없지만 추락할 것이다. 사람도 추락할 수 있다. 알베르 카ミュ의 소설 전락(La Chute)에는 과거 세속적으로 성공한 변호사 클라만스가 등장한다. 그의 인생은 서서히 전락해 간다. 다리에서 투신자살하는 젊은 여성을 보고도 그냥 지나쳤기 때문이다. 이 사건으로 그의 양심에 하나 일기 시작한 파장은 결국 그를 바닥까지 추락시킨다. 그의 추락은 여자의 추락에서 비롯되었다 그의 잘못은 악을 적극적으로 저지른 것이 아니라 방조한 데 있다. 카ミュ은 이 소설을 통해 악에 대한 각성과 반항을 이야기한다. 나치즘을 방조한 유럽이 치른 대가를 보라. ■추락, 추락, 낙하자는 왜 추락하는가? 사람은 흙으로 되어 있고, 흙이 있어야 할 곳은 바닥이다. 모든 물질은 그것이 존재해야 할 위치로 돌아가려는 속성이 있다. 따라서 사람은 바닥에 떨어진다. 그렇다면 달은 왜 떨어지지 않는 걸까. 우주는 지상과 천상으로 나뉜다. 돌이나 흙은 지상의 세계에 속할 것이다. 달과 같은 천상의 물체는 지상의 것과 완전히 다른 존재다. 그들은 무게도 없고 색깔도 달착지근하며 보통 지구를 영원히 움직인다. 이것이 2300년 전 고대 그리스 철학자 아리스토텔레스가 제시한 물체 낙하에 대한 답임. 사건은 천상에서 시작된다. 해는 동쪽에서 떠서 서쪽으로 진다. 이처럼 천상의 물체는 전체 동쪽에서 서쪽으로 하나 바로 움직인다. 그러나 여기서 친국어적인 것이 있다. 이들은 '행성'으로 불린다. 'planet'(행성)의 어원은 'planetai'(유랑자)다. 이 중심의 화성은 때로 반대 방향, 즉 서쪽에서 동쪽으로 돌기도 했으므로 당시 천문학의 재앙이라 할 수 있다. 사실 코페르니쿠스의 지동설은 행성의 방랑자 체육을 알기 쉽게 설명하려는 의도로 제안되었습니다. 그러나 지동설에는 많은 사건이 있었다.우선 천동설보다 정확하지 않았다. 당시 천동설은 행성의 체육을 설명하기 위해 많은 기개를 지니고 있었다. 지구 주위를 단순히 원체육이 아니라 원체육의 중심 둘레를 다시 이중으로 원체육하겠다는 손질이 더해져 줄거리다. 이들을 주전원이라고 할 것이다. 지구가 움직이는데 왜 우리는 느끼지 못하는지도 쉽게 이해할 수 없었다. 그러나 심각한 사건은 따로 있었다. ​ 성경 여호수아 10장 12절에 보면 이스라엘 지도자 여호수아가 태양을 막는 장면이 나오고 있다. 지구가 아니라 태양이 돌아가야 가능한 예기이다. 이야말로 지동설의 비극이다. 중세 유럽에서 성경은 절대적인 권위를 가졌기 때문이다. 그래서 지동설을 지지하는 사람들은 고문을 당하거나 화형을 당해야 했다.지동설의 약점은 하나 보완됐습니다. 케플러의 눈물겨운 계산으로 행성의 체육궤도가 원이 아닌 타원이라는 것이 알려지면 비로소 지동설의 결과가 천동설보다 정확해진다. 게다가 갈릴레이의 망원경은 지동설이 옳다는 결정적인 인적 증거를 줬다. 물론 이 때문에 갈릴레이는 종교법정에 서야 했지만 줄거리다. 당시 유럽은 '30년 전쟁'이라는 최악의 종교 전쟁을 실시하는 중이었으니, 화형 당하지 않은 것만도 천만다행이다. 지동설은 아리스토텔레스의 낙하 이론에 균열이 생긴다 태양이 우주의 중심이라면 지구는 왜 태양을 떠나지 않는가? 지구도 천상의 물질이니까 태양 주위를 영원히 움직이는 걸까? 그렇다면 왜 지구상의 모든 물체는 지구 바닥으로 떨어지는가. 화성도 지구처럼 태양 주위를 돈다. 화성 위에서 돌을 떨어뜨리면 화성 지구 태양의 중심은 어디로 떨어져야 할까. 제1의 1개로서 최근 스톤이 왜 바닥에 떨어질지에 대한 새로운 이론이 필요하게 되고 있다. 월월은 낙하하고 있다 지동설은 지구를 한 행성으로 전락시켰다. ◆ 제1이지만, 최근의 지구상의 물체의 낙하는 우주적 체육과 분리되지 않게 되었다. 뉴턴이 나설 차례다. 뉴턴의 중력 이론은 낙하에 관한 기나긴 철학적 논쟁에 종지부를 찍는다. 그의 아름다운 설명을 들어보자. 질량을 가진 '모든 것'은 중력이라는 힘으로 서로 끌어당긴다. 따라서 중력을 만유인력이라고도 부른다. 사과가 (지구의) 바닥에 떨어지는 것은 지구와 사과 사이에 중력이 작용하기 때문이다. 물론 태양이나 화성도 사과를 당긴다. 그러나 우주의 모든 물체가 사과에 작용하는 중력을 합해 보면 결과적으로 지구에 끌려가는 힘이 남는다. 거리가 멀수록 중력이 작아지기 때문이다. 그렇다면 사과는 떨어지는데 달은 왜 떨어지지 않을까? 지구와 달 사이에도 중력이 작용할 것이다. 그래서 달도 지구로 떨어진다. 어라, 달이 낙하한다고? 사과를 야구공을 던지듯 수평으로 던지면 포물선을 그리며 낙하할 것이다. 지구가 편평하다면 사과를 아무리 세게 던져도 결국 바닥으로 떨어질 것이다. 그러나 사과가 떨어지는 거리만큼 땅바닥이 함께 아래로 가라앉으면 사과는 바닥에 닿지 않을 수 있다. 지구는 둥글다. 수평선을 보면 멀어지는 배가 아래로 사라진다. 결국 충분히 빠른 속도로 던져진 사과는 떨어지지만 바닥에 닿지 않을 수 있다. 날면서 낙하한 거리가 (지구가 둥글어) 떨어진 거리와 하나 두면 스토리다. 달이 낙하하지만 바닥에 닿지 않는 이유다.

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20하나 5년 9월 두 블랙 홀이 충돌하고 통합되는 과정에서 최초의 중력파가 발견됐다. 아인슈타인의 상대성이론에 따르면 중력은 가끔 과공간을 변형시킨다. 중력파는 시공간이 변형되어 만들어 내는 진동이었다 낙하에 대한 단순하고 아름답고 심오한 설명이었다. 모든 물체는 서로 잡아당긴다. 그래서 서로가 서로에게 낙하합니다. 지구는 태양에 떨어지고 있지만 태양에 닿지는 않는다. 인공위성은 지구에 떨어져 있지만 바닥에 닿지 않는다. 태양은 은하 가운데 블랙홀을 향해 낙하하고 있지만 블랙홀에는 닿지 않는다. 뉴턴은 이 모든 사실을 수학적으로 증명했어요. 그 과정에서 F=ma라는 운동법칙(가속도의 법칙, F는 힘, m은 질량, a는 가속도)을 정립해 sound는 물론 이 식을 풀기 위해 미적분이라는 수학까지 만들어냈다. 자연히 그 법칙은 어둠에 가려져 있었다. 하느님의 내용으로는 뉴턴이 있어라. 그러자 모두가 광명이었기 때문에"시인 알렉산더 포프의 연구에는 과장이 없다는 소견마저 한다.■아인슈타인의 중력 이걸로 낙하문재는 완전히 해결됐나? 뉴턴의 이론에는 이해할 수 없는 것이 2가지이다. 우선 멀리 떨어진 두 물체 사이에 중력이 어떻게 전달되는지 알 수 없었다. 달은 지구가 나쁘지 않다고 당기는지 어떻게 알까. 더구나 과도한 중력은 거리에 따라 다르다. 달은 지구로부터의 거리를 어떻게 알 수 있을까? 2번째 질문은 운동 법칙"F=ma"에 왜 질량(m)이 등장하느냐는 것이다. 중력을 일으키는 질량이 왜 운동법칙에도 과인타과여야 하는가? 운동법칙의 질량과 중력의 질량은 똑같다. 그러다 중력을 받아 운동하는 물체를 기술할 때 두 가지 질량이 상쇄돼 운동방정식에서 사라진다. 지구상의 물체가 전체 같은 속도로 낙하하는 이유다. 이 때문에 이마스크리아의 피사는 기울어진 탑을 보러 오는 사람들로 북새통을 이룬다. 하여튼 이것이 우연일까 아니면 여기에 심오한 이유가 있을까. 중력이 어떻게 전달되는가 하는 사고에 대한 단서는 전자현상에서 과인된다. 전기 기기라고 하면 표준적인 전자 공학, 전기 기기 등을 떠올릴 것이다 그러나 물리에서 전자기학은 '장'이라는 개념을 배우는 과목이었다. 두 자석은 방향에 따라 서로 끌려 밀어낸다. 그들은 서로의 존재를 어떻게 알까. 사실 이 질문은 중력 질문과 똑같았다 마이클 패러데이는 눈에 보이지 않지만 자석 주변에 펼쳐진 장의 존재를 제안했고, 제이요스 맥스웰은 패러데이의 장을 기술하는 방정식을 만들었다. 자석이 있으면 주변에 자기장이 존재합니다. 전하가 있으면 주변에 전하가 존재합니다. 전하과인 자석이 움직이면 전기장, 자기장에 변화가 생기고 이 변화는 진동 형태로 전달된다. 거미줄이 장이라고 해보자. 거미가 움직이면 거미줄을 타고 진동이 전달되는 것과 비슷하다. 전자장의 진동을 전자파라고 불렀고 이것이 '빛'이었다 결국 멀리 떨어진 자석은 상대방의 자석을 직접 보는 것이 아니라 상대방의 자석이 공간에 만들어 놓은 자장을 보는 셈이다. 거미줄에 걸린 과인실도 무슨 내용인지 알았을 것이다 지금 이 아이디어를 중력에 적용하면 된다. 질량이 있으면 주변에 중력장이 존재합니다. 달은 지구를 직접 느끼는 것이 아니라 지구가 만든 중력장을 느낀다. 질량이 움직이면 중력에 변화가 생기고, 이 변화는 중력장의 진동으로 전해질 것이다 그 진동의 이름은 중력파다.

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왼쪽부터 배리 배니시 킵슨 라이너 비와이스 교수.올해 노벨 물리학상은 중력파를 실제로 관측한 과학자에게 돌아갔다. 중력파란 정확히 어느 사람이 진동하는 것일까. 여기에대한답을얻으려면이미말한두번째질문을소견해야합니다. 뉴턴의 운동 법칙"F=ma"에는 3개의 알파벳이 등장합니다. 힘(F), 질량(m), 가속도(a)다. 뉴턴에 따르면 이 수식은 왼쪽에서 오른쪽으로 해석된다. 물체에 힘(F)을 가하면 가속(a)한다. 속도가 달라진다는 것이었다. 같은 힘에 대해 질량(m)이 클수록 가속은 작다. 사건은 왜 질량이 여기 있느냐는 지하철이 멈출 때 몸이 앞으로 쏠린다. 정지되어 있던 몸이 앞으로 기울어진다는 것은 움직이기 시작했기 때문에 가속했다는 의미였다. 그러나 중력이 과도한 전자기력처럼 과인을 앞으로 미는 힘은 없다. 그렇다면 이 가속의 정체는 어떤 것인가? 내가 탄 지하철 속도가 줄면 와인 속도도 줄어든다. 그렇지 않으면, 결국 지하철은 멈추고, 과인은 계속 달리고, 지하철 통로 문에 부딪칠 것이다 여기까지는 좋다. 그런데 내 입장에서 소견해 보자. 과인은 문명의 오지에서 온 사람이라 지하철이 뭔지 모른다. 더구나 지나친 지하철 승차감이 훌륭해 달릴 때는 움직이는 느낌조차 없다. 과인은 오지 사람이지만 뉴턴의 운동 법칙은 안다. 그렇다면 지하철이 멈출 때 내가 느끼는 속도의 변화는 외부의 힘에 의한 것이라고 소견할 수밖에 없다. 그러나 여기에 힘은 없었고 단지 지하철이 정지해 있을 뿐이었다. 아인슈타인이 나설 차례다.가속하는 사람은 (존재하지도 않는) 힘을 느낀다. 뉴턴의 운동법칙 F=ma를 이미 달리 오른쪽에서 왼쪽으로 가면서 해석해 보자. 그 사람이 느끼는 가속도에 질량을 곱해서 힘을 얻는다. 결국 이 힘은 질량이 만드는 것처럼 보인다. 질량을 만드는 힘은 중력이었다 결국 운동법칙에 질량이 등장하는 이유는 가속하는 사람이 느끼는 힘이 중력과 같기 때문이었다. 아인슈타인은 이를 등가원리라고 불렀다. 가속과 중력을 구별할 수 없다는 것이었다

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스웨덴 왕립 과학원, 노벨상 위원회는 지난 달 31둘 배리 바닛슈칼텍 교수를 '2017년 노벨 물리학 상 수상자'로 판정했다고 발표했습니다. 킵 손 교수가 1979년 중력파에 대해서 설명하고 있다. [연합뉴스] 사양 아인슈타인의 특수 상대성 이론이 필요하다. 지면이 부족하니까 핵심 결과만 스토리하자. 움직이는 사람은 길이가 짧아지고 시계가 느리게 간다. 정지한 사람과 움직이는 사람의 시간과 공간이 같지 않다는 스토리다. 정차하는 지하철을 다시 살펴보자. 지하철이 멈추는 동안 자신의 속도도 점차 줄어든다. 그렇게 하면 내 시간과 공간도 점점 짧아지고 길어질 것이다. 가속하는 동안 시공간에 변형이 생긴다는 스토리이다. 등가원리에 따르면 가속은 중력과 구별되지 않는다. 결국 중력은 시간과 공간을 변형시킨다. 중력파는 시공간이 변형돼 만들어내는 진동이다. <전락>의 클라마쿠스는 추락하는 여성을 보고 추락합니다. 물체가 왜 추락하는가는 문명역사만큼 자기 오래된 문재다... 아리스토텔레스는 추락에서 물질의 본성을 보았고, 뉴턴은 두 물체 사이에 작용하는 힘을 보았다.아인슈타인은 시공간의 변형을 보았다. 인간이 추락의 본질을 이해하면 자신의 이야기 거인, 오항시도 날개가 있는 것이 추락합니다. 날개가 없는 것은 줄거리도 없다. 추락하는 것은 질량이 있다.​​​

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[칼럼니스트 김상욱: 부산대 물리교육과 교수/경향신문]고등학교 때 물리학자가 되기로 결심한 뒤 KAIST 물리학과에서 학사·석사·박사 학위를 받았다. 포스텍 카이스트 서울대 BK조교수를 거쳐서 2004년부터 부산 대학 교수로 재직 중이다. 철학하는 과학자로서 과학의 대중화, 대중의 과학화에 힘쓰고 있다. 영화는 좋아하는데 과학은 싫어?><과학 이야기 1,2>(공저)<과학과 앉아 있자 3,4>(공저)<김상욱의 과학 공부>등의 저서가 있다.​​​