퍼온곳 : 기호일보(16. 2.15)

‘중력파’ 검출을 통한 격변적 미래사회 변화 예측 (1)

/김두환 인천대 객원교수 겸 미래변화예측연구소 소장

▲ 김두환 인천대 객원교수 겸 미래변화예측연구소 소장

100년간의 수수께끼. 인간은 드디어 우주 생성 비밀의 열쇠를 쥐게 됐다. 지난 11일 라이고과학협력단(LSC)은 두 개의 블랙홀이 합쳐지면서 발생하는 ‘중력파’ 신호를 검출했다고 발표했다.

20세기 과학의 패러다임을 확 바꿔 놓은 현대물리의 두 개 이론은 양자역학과 상대성이론이다. 양자역학은 수많은 물리학자들이 오랜 기간에 걸쳐 완성한 이론인 반면, 상대성이론은 아인슈타인이 1905년 ‘운동하는 물체의 전기역학에 대하여’ 라는 논문을 통해 ‘특수상대성이론’으로 발표됐다.

그 후 그는 1916년 「일반상대성이론의 기초」를 출판하면서 중력은 시공연속체 속의 질량의 존재에 의해 생긴 굽어진 장이라고 주장하면서 중력파를 예언하게 된다.

1919년 5월 29일 일식 사진을 찍으면서 일반상대성이론에서의 예측을 검증함으로써 일반상대성이론의 정당성은 확보했으나 중력파는 100년 동안 검출하지 못했다. 100년간 숨겨졌던 중력파의 실체가 이제 서서히 드러나게 되며, 아마도 2016년 노벨물리학상은 실체를 밝힌 물리학자들에게 돌아갈 것이 확실하다.

　물리학자이자 미래연구가인 나는 두 가지 관점에서 ‘중력파’의 검출을 논하고 싶다. 첫째, 이론핵물리학자로서의 관점은 우주 생성 및 진화의 비밀의 문을 열 열쇠를 얻었다는 것이다. 물리학자들은 자연현상을 연구한다. 관측된 자연현상의 원리를 연구할 뿐 아니라, 예측되는 자연현상을 관측하고자 노력하고 있다.

자연현상을 이해한다는 것은 그 현상을 관측할 수 있을 뿐 아니라(실험물리학), 그 현상의 원리를 이론적으로 설명할 수 있어야 한다(이론물리학). 자연을 구성하고 있는 4대 힘은 중력, 전자기력, 약한 핵력(약력), 강한 핵력(강력)이다. 그러나 물리학자들은 자연을 구성하는 힘이 여러 개라는 것에 의문을 갖고 있었다.

　질량을 갖고 있는 물체들이 중력이라는 실제적인 힘에 의해 움직인다는 사실은 지금까지 갖고 있던 물체 상호작용에 대한 인간 사고의 패러다임을 확 바꿔 버렸다.

중력이 관측되지는 않았지만, 뉴턴은 중력이라는 개념의 도입을 통해 물체들 간의 상호작용을 거의 모두 설명할 수 있었다. 마치 인간이 신의 경지에 오른 것 같은 감동이었다. 신의 섭리에 해당되는 천체의 운동을 중력을 통해 거의 완벽하게 설명할 수 있었기 때문이다.

19세기 들어 물리학자들은 진일보된 개념을 발표하게 된다. 전기를 띤 물질의 특성과 자성을 띤 물질의 특성이 전자기력이라는 힘에 의해 설명될 수 있다는 것이다. 중력과 전혀 다른 힘인 전자기력이 또 다른 세상을 지배하고 있다는 사실은 인간이 자연에 대한 인식의 영역을 어마어마하게 확장하게 했다.

뉴턴의 만유인력법칙과 맥스웰의 전자기법칙으로 인한 인간의 인식 확장은 20세기 들어 제안된 양자역학과 상대성이론으로 인해 놀람의 단계를 넘어 혼돈의 단계로 접어들게 된다. 뉴턴역학을 통해 거시 현상을 설명했던 인간은 양자역학을 통해 미시세계의 현상까지도 설명하게 됐다.

뿐만 아니라 미시세계를 주도하고 있는 핵력은 기존의 힘과 전혀 다른 특성을 갖고 있다는 것을 발견하게 된다. 핵력은 약력과 강력으로 나뉜다.

19세기에 전기력과 자기력을 전자기력으로 통일한 경험이 있는 물리학자들이 20세기 들어 종류가 늘어난 4개의 힘을 통일하고자 하는 시도는 당연해 보인다.

아인슈타인은 먼저 중력과 전자기력을 통일하고자 했다. 두 개의 힘이 잘 알려져 있다는 이유일 것이다. 특히 두 힘은 모두 파동의 성질을 가진 중력장과 전자기장으로 설명할 수 있었다. 전자기장은 이미 전자기파로 완벽하게 설명된 상황이었기에 중력파를 통해 중력장을 설명하고자 했던 아인슈타인의 접근 방법은 타당해 보였다.

　그러나 아이러니컬하게도 과학의 역사는 아인슈타인의 생각과 정반대로 흘렀다. ‘전자기약력이론’을 통해 전자기력과 약력이 통일됐고, ‘게이지이론’으로 불리는 ‘대통일장이론’을 통해 전자기력, 약력, 강력이 통일됐다. 아직도 중력은 통일되지 않았다.

‘중력파’의 검출을 통해 중력에 대한 좀 더 많은 새로운 정보들을 얻을 수 있게 될 것이며, 최종 목적인 중력을 포함한 전자기력, 약력, 강력의 통일된 힘을 규명하게 될 것이다. 이는 지금까지 있었던 과학의 발전을 뛰어넘는 혁명적 발전이 일어날 것이다.

　둘째, 미래연구가로서의 관점은 경이로운 과학의 발전보다도 격변적인 미래사회 변화를 일으킬 패러다임 변환(paradigm shift)이 일어난다는 것이다. 이야기는 계속된다.

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 2016년 02월 15일 월요일 제10면