중력 쫌 아는 10대 (올 댓 중력: 아인슈타인의 중력과 그 너머의 세상)

오정근

저자:오정근
서강대학교물리학과에서학사,석사,박사학위를받았으며일반상대성이론,특히블랙홀을전공했습니다.이화여자대학교,워털루대학교,연세대학교연구원을거쳐현재국가수리과학연구소에재직중입니다.2009년부터현재까지중력파검출국제거대프로젝트인미국의라이고,일본의카그라연구단에서활동하고있습니다.한국의중력파연구단을결성하는데참여했으며,한국중력파연구협력단(KGWG)의총무간사를맡고있습니다.지은책으로《중력파,아인슈타인의마지막선물》,《중력파과학수사대GSI》가있습니다

그림:방상호
홍익대학교에서시각디자인을전공했어요.오랫동안책을기획하고그림을그리고디자인을했습니다.상상하고그리고만들고디자인하고책읽고글쓰고운동하면서어제와는또다른하루를만들려고합니다.
《원소쫌아는10대》,《빛쫌아는10대》,《시민불복종쫌아는10대》,《사라진민주주의를찾아라》,《대중음악히치하이킹하기》,《싸우는인문학》등여러책에그림을그렸습니다.단행본외에도다양한매체에그림을그리고있습니다.

중력을뛰어넘기위한준비운동

중력장에들어가며-중력을이기는식빵고양이

1장뉴턴의밧줄과아인슈타인의그물망
뉴턴이말하는힘과운동|밧줄로연결된물체들|
흔들리는뉴턴의밧줄과떠오르는아인슈타인의그물망|측지선을따라가자
2장그물망에서일어나는일들
3차원공간에서빛의이동경로|렌즈가된중력과아인슈타인고리|속보:수성,아인슈타인지지선언!!
3장그물망에서일어난사건을표현하는법
피타고라스소환술!|벡터를활용하자|곡면에서의최단거리를재보자
4장단하나의방정식
텐서와곡률|등가원리와관성기준틀|누가감히시공간을휘게하였는가?
5장별을노래하는마음으로
별로빛나는우주|우주를이해하기위한눈물나는노력|뭉쳐야산다!|별,우주의화학공장
6장버틸수없는중력의무거움
그런데그것이실제로일어났습니다|시대를앞서간천재의비극|초신성,중성자별,그리고중력수축
7장보이지않지만존재하는것
빛이퍼져나가는모습|팽이처럼회전하는블랙홀|블랙홀과호킹복사|드디어실현되는블랙홀의관측
8장파도치는그물망？중력파
Wedidit!|Wanted:중력파|색다른중력파
9장옳다는증거들vs불완전한증거들
아인슈타인의예측력은우주제일!|빛처럼빠른중력파|특이점의세계|점점넌멀어지나봐
10장아인슈타인을넘어서
두이론이손잡아야하는이유|1+1=?|끊임없는이론의발전

중력장을빠져나오며？중력을이용하는법

뉴턴의중력부터아인슈타인의중력까지
“중력?그거사과나무아래에있다가발견한거아니야?”
기억이섞였는지아니면너무오래돼왜곡됐는지모르지만이제이런생각은과거에묻고새롭게발견된사실로업데이트할때가됐다.사과나무외에도물체는보이지않는밧줄로연결되어있다는뉴턴의중력은인류문명을이룩하는데큰공헌을했다.만유인력의법칙을통해중력의존재를처음발견한뉴턴의위대함은과학사에길이남을것이지만인류의활동무대가지구에서우주로넓혀진이때필요한것은뉴턴의중력이아닌아인슈타인의중력이다.

“뉴턴의중력은뭐고아인슈타인의중력은또뭐야?”
발견자마다중력이달라지는것처럼느껴질수있지만사실개념은똑같다.다만어디에서적용되느냐에차이가있을뿐이다.‘질량을가진물체에작용하는힘’이라는개념으로쓰이던지구에서의중력은물체가서로를잡아당긴다는뉴턴의중력으로충분히설명할수있었다.하지만기술이발달하면서관측한우주에서나타나는기현상,①똑바로간다고생각했던빛이휘고②도달거리가늘어나도착시간이늘어나거나③관측한별의위치와실제위치가조금씩다르게나타나는현상,④그리고빛도빨아들인다는블랙홀의존재등뉴턴의중력으로는설명할수없는사례가나타나자이것들을논리적,과학적으로설명할수있는이론이필요해졌다.이때나타난것이바로중력을밧줄이아닌그물망에비유해설명한아인슈타인의중력이다.우주가한개의시간과세개의공간으로구성된4차원구조의시공간으로이루어져있다는사실이발견된이후아인슈타인은이시공간에지구나태양처럼거대한질량을가진물체가놓여있다면시공간은비틀어진다고보았다.비틀린시공간을따라빛이움직이고별에서나오거나반사된빛이왜곡되어위치가달라지는등의문들이하나씩풀리면서아인슈타인의중력은이제학계의대세가된다.

“원래부터똑똑한사람들이니까생각해낼수있던거아닌가?”
아인슈타인은이미100년전이모든것을예측하고있었다.다만실측하지못했을뿐.《중력쫌아는10대》에는아인슈타인이예측하고세운이론에따라그동안우주를해석하고이해하려는수많은과학자의웃음과울음이담겨있다.에딩턴,슈바르츠실트,힐베르트,그로스만,찬드라세카르등그들역시처음부터모든것을이해하고깨달은것이아니라첫술에배부를수없는것처럼각고의노력끝에업적을남길수있었던것이다.자라나는세대에게는이러한끊임없는도전과의문을갖는자세가필요하고포기하지않았던사람들의모습을지켜보면서자유롭게미래를꿈꾸며그미래를자기손으로바꿔나갈수있다는상상을키워갈수있을것이다.


우주를제대로맛보기위한애피타이저
여타의과학책중에는과학을설명하기위해어쩔수없다며복잡한수식을마구끌어다쓰거나청소년의시각에서는이해하기힘든여러현상을설명없이나열해놓기만한책들이있다.그러나《중력쫌아는10대》는다르다.이책에서도기본적인공식이나계산법은등장하지만그것은존재만확인하고넘어가는정도에그치지결코그것들이주가되는것이아니다.이책은무엇보다과학을어려운대상으로만여겨기피하고흥미를갖지못하는청소년에게,꿈에서나볼수있을것같은신기하고놀라운현상들을청소년의눈높이맞춰자세히소개함으로써어렵게생각하지않도록유도한다.그러면서도재미있는그림과지구에서는확인하기힘든천체현상이담긴사진을넣어,요즘청소년들사이에서유행하는이세계탐험책같은느낌이들게해우주에대한관심을자극하는데목적을두고있다.
중력은우리와늘함께해왔다.인간이이룩한모든문명은우리주변에항상중력이작용하고있다는것을전제로만들어진것이다.그런데하늘로날아오르고,우주로떠나려는움직임이나타나는데중력을극복하고그것을이루어내기가쉽지않음을깨닫게되자중력은우리의자유를억압하는장애물이아닌가라는생각도들기시작한다.중력만없었다면…하는생각을할수있지만오히려중력은잘만활용하면더욱유용한존재가될수있다.자동차내비게이션이나핸드폰에있는GPS는위성으로부터신호정보를받는과정에서반드시위치왜곡이일어난다.위치왜곡의원인은상공2만미터에떠있는GPS위성이받는중력이지구중력의4분의1정도에불과하고,중력이낮은곳은높은곳에비해시간이빨리흐른다는일반상대성이론을생각해보면원리를파악하는것은문제를해결하는데큰도움이된다.이책에는이렇듯중력에여러현상을명료하게설명할수있는방법을통해청소년에게궁금증을해결하기위한열쇠를제시함으로써과학탐험의욕구를독려한다.
이책은뉴턴의중력으로는설명되지않는현상을아인슈타인의중력으로설명한뒤(1-3장)수식을정리해나가고밝히는등과학자들의노력(4-5장)을보여준다.그리고그과정에서관측한중력수축현상,초신성,중성자별과블랙홀,호킹복사(6-7장)를설명한뒤중력파를측정하고블랙홀의촬영(8-9장)등이현실로이루어졌지만,뉴턴의이론으로설명할수없는현상들을설명하기위해아인슈타인의이론이등장했던것처럼아인슈타인의이론으로설명하지못하는현상이관측되자새로운이론에대한수요가생기고있다는것으로보여준다(10장).끈이론이이에대한대안이될수있지만답보상태에머물러있고저자는결국,우리청소년들이그문제에대한해답을제시해줄거라믿는다는점을강조한다.


중력파:빛에버금가는위력을지닌인류의또다른도구
2016년가을은물리학계에의역사적인한해로기록되었다.오랜꿈이었던중력파를실제로측정해낸것이다.중력파란시공간의그물망위에놓여있던그물망이흔들리면서나타나는운동의여파로100년전아인슈타인이일반상대성이론을발표하면서그존재가처음으로언급되었다.하지만①중력파를측정할수있는기술이부족하고②너무먼곳에서일어나고③중력파가지구를지나간다고하지만그속도가빛속도에버금갈만큼빨라서지금까지한번도측정해내지못했는데,미국의라이고연구소가이것을해낸것이다.인류가지구에등장한이래지구밖우주를탐사하는데의존했던관측도구는빛밖에없었다.맨눈으로관측하다가최신기술의망원경을도입하면서관측범위가획기적으로넓어지는발전이있었지만어디까지나우주공간을뚫고날아온빛을관찰한다는행위에서벗어나지못했다.그랬던인류에게중력파의발견과측정이가능해졌다는것은빛에버금가는성능을가진또하나의관측수단이생겼다는것을의미한다.
예전에우리는피부속에있는뼈의모습을눈으로확인할수없어서골절이나염좌를제때발견하지못했기때문에심할경우환자가사망에까지이르게되는일이종종있었다.하지만X선의발견덕분에몸을열어보지않아도속을들여다볼수있는불가능한일이가능해졌고많은사람의목숨을구하는등의학발전에큰역할을해냈다.중력파역시마찬가지이다.그동안우리는우주를눈으로‘보아서’관측했지만빛이도달할수없을만큼멀리떨어져있거나그빛을흡수해서관측할수없던블랙홀같은천체를‘귀로’들어서관측할수있다는점에서중력파의발견은인류가새로운세계로도약하기위한추진력을얻어냈다는의미이기에앞으로물리학·천문학발전에큰기여를할수있을것이다.


중력을알고활용하면상상이현실이된다!
만화《드래곤볼》의주인공인손오공과그의라이벌인베지터는작중에서종종적과싸우기위해중력을조절할수있는인공중력실에들어가수행을거듭하여자신의전투력을단시간내에급격히높이는모습을보여준다.온라인게임<오버워치>에등장하는영웅시그마는중력을조절하여상대를허공에띄웠다가내리꽂는‘중력붕괴’기술을사용해적을공격한다.물론이런기술을실제로구현하는것은머나먼미래의일이겠지만그래도현재시점에서중력을활용할수있는방법은없을까?

2016년9월경상북도경주지진은규모5.8의지진으로수십명이부상당하고엄청난액수의재산피해를입힌대한민국지진관측역사상가장강력했던지진이다.우리나라는그동안다른나라에비해지진안전지대에속한다고생각했기에대비가제대로되어있지않았고지진발생여부가사람들에게빠르게전달되지않아피해를더욱키웠다.이후체계가정비되고매뉴얼이만들어져2017년포항지진때는좀더신속한정보전달이가능해졌지만더빠른전달을위해중력파를활용하는연구가이루어지고있다.지진발생뒤에는거의순간적으로지구중력장에교란이일어나는데전달속도가각각초속8킬로미터,4킬로미터에불과한P파나S파와달리전파속도가빛속도인초속30만킬로미터에버금가는속도로움직이는중력파를감지해내는시스템을구축해두면훨씬빨리지진을감지해내고대비할수있을것이다.

또중력파는보이지않는곳을확인할수있도록도와준다.그동안인류가무엇을관찰한다는것은들어오는빛을눈이확인한다는의미였다.이후천체망원경이등장하고현재는우주공간에허블우주망원경을설치하는등기술의발전이있어왔지만어디까지나인류의입장에서관측이란눈으로확인한다는것에서벗어나지못했다.때문에빛이닿기힘들정도로멀리떨어진곳이나태양과는비교도되지않을만큼커다란천체뒤에있는별,빛을흡수해서보이지않는블랙홀을관찰한다는것이불가능했다.그러나블랙홀이나중성자별이충돌하면서생기는중력파를측정하는게가능해지면서인류의관측개념이크게확대되었다.

또한중력은우리에게먼곳으로뻗어나가는힘을전달해주기도한다.이미인류는목성의중력을이용하여탐사선의속도를높이는스윙바이기술을현실화시킨적이있다.그런데만약목성과는비교도되지않을정도로큰블랙홀의중력을이용해우주를항해하는우주선의속력을높일수있다면지구에서멀리떨어져있는천체까지이동하는시간을줄일수있지않을까?우리가블랙홀에대해경의와두려움을동시에느끼는이유는,빛조차빨아들일정도로강력한중력을가져서눈으로관측할수없는블랙홀이기에자칫잘못들어가면절대빠져나오지못한다는점과안으로빨려들어가면우리몸이산산조각날수있다는사실때문이다.그런데최근연구결과에의하면블랙홀에서는호킹복사현상이일어나입자를방출하기도하고,영화<인터스텔라>에서브랜드박사가블랙홀로부터에너지를얻어탈출하게되는펜로즈과정이증명되기도하는등블랙홀을활용한방안이다각도로연구되고있다.더이상중력을이용하는것이꿈만같은일이아니라는것이다.현실로다가온중력의활용을우리청소년이구현해낼수있도록도와주기위해만든《중력쫌아는10대》는용기와재미를동시에제공해준다.


◇더높은단계로도약하는열띤과학토론의장<과학쫌아는십대>
‘2015개정교육과정’은자주적이고창의적이며더불어사는인간상을추구한다.그가치관아래교과별핵심개념과원리를중심에두고인문？사회？과학기술에대한기초소양교육을강화하면서교과간통합과융합교육을하는데초점을맞추고있다.
미래형인재를만들려는이런교육의흐름에맞춰,풀빛은지식의양보다는핵심이되는개념을선별하고그것이어떤원리로이루어져있고어떻게적용할수있는지를또렷이알게하는청소년용과학시리즈를기획하였다.핵심과원리,그리고적용이라는삼박자에질문과토론을유도하는인문학적고찰은중학생독자와현장교사,학부모들이원하는바이자과학공부에대해<과학쫌아는십대>시리즈가목표하는분명한방향이다.
지금까지첨단과학기술인인공지능의실체를충분히나타날수있는현실적인문제들과접목해조목조목해부한1번《인공지능쫌아는10대》를시작으로,다채로운성분으로가득차고우리주변에서쉽게볼수있는요소를통해세상의본질을탐구하는2번《물질쫌아는10대》,일상에서쉽게행하는여덟가지소비를통해환경에대한인식을환기하는3번《환경과생태쫌아는10대》가출간되면서<과학쫌아는십대>시리즈는과학적지식을우리의삶과연결시키는적극적노력을선보였다.이후우주탄생론을담은4번《빅뱅쫌아는10대》와문명을일구고다지는데기여한빛의세계를담은5번《빛쫌아는10대》,지구과학,물리,화학분야를대표하는물질의가장작은단위인원소를중심삼아정리한6번《원소쫌아는10대》는우주를이해하는데필요한기본적인지식을소개하는기틀을다져놓았다.이제부터는지금까지정리해놓은지식을활용할수있는단계로올라설때이다.우주에서나타나는새롭고특이한현상의원인을보여주는책이7번《중력쫌아는10대》이다.이후출간될《전자기쫌아는10대》,《유전자쫌아는10대》,《기후변화쫌아는10대》,《미래에