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많은 이들에게 일반상대성이론은 ‘선문답’에 가깝다. 공간과 시간이 어떻게 구성되고 변하는가에 대한 아인슈타인의 생각은 지난 100년 동안 세계 최고 수준의 지식인들에게도 충격과 낙담, 그리고 질문을 안겨줬다. 옥스퍼드대 천체물리학 교수이자 일반상대성이론 전문가인 페드루 페레이라 교수는 “이제야 때가 왔다”고 말한다. 앞으로 몇 년 안에 정말 중요한 발견이 일어날 것이란 말이다. 일반상대성이론 100년주년을 기념해 책 ‘완벽한 이론’을 펴낸 그를 e메일로 인터뷰했다.


Q. 일반상대성이론을 ‘완벽한 이론’이라 부르는 이유는

일반상대성이론은 복잡하고 난해하지만 한편으로는 매우 대중적이다. 몇 쪽 분량의 수식들로 쉽게 요약된다. 무엇보다 나온 지 100년이 지났지만 여전히 새로운 성과를 내고 있다. 아직도 완전히 이론을 이해하지 못했기 때문에 밝혀내야할 부분도 많다.

Q. 유럽우주국(ESA)에 자문을 한다고 들었다

ESA가 검토하고 있는 다양한 연구 프로젝트를 과학적으로 분석하는 일이다. 레이저 간섭계 우주 안테나(LISA)를 이용해 우주팽창의 역사를 되짚어 보거나, 블랙홀의 중심부에서 방출되는 강력한 X선을 포착하는 위성을 쏘아 올리는 연구가 얼마나 현실성이 있는지 토론한다. 재밌는 것은 이 모든 우주 사업을 뒷받침하는 과학적 논증에 일반상대성이론이 있다는 점이다. 모든 제안서에 상대성이론이 큰 글씨로 쓰여 있다.

Q. 21세기 과학의 중심이라고 하는 이유는

21세기 현대 물리학과 천문학의 주요 논제들은 모두 일반상대성이론의 산물이라고 봐도 과언이 아니다. 예를 들어 힉스 입자의 존재를 가능하게 하는 표준모형에도 일반상대성이론이 들어간다. 또 우주의 팽창과 암흑에너지, 블랙홀, 암흑물질 등 대부분의 천문학 이론들이 일반상대성이론이 성립한다는 전제 하에 만들어진 것이다.

Q. 이론의 중요성을 일반인은 공감하기 어렵다

상대성이론은 우리 생활과도 밀접한 관련이 있다. 내비게이션, 휴대폰 등에 사용되는 위성항법장치(GPS)가 대표적인 사례다. 이론에 따르면 지구와 같은 중력물체는 중앙에 가까워질수록 시간이 느리게 흐른다. 지상 2만 100km 상공의 위성에 장착된 원자시계는 지상의 시계보다 빠르게 흐른다. GPS의 정확성을 높이기 위해서는 시간 오차를 바로잡는 것이 중요하다. 우리가 편리하게 사용하는 웹브라우저와 무선통신도 모두 상대성이론을 기반으로 하는 기술이다.

Q. 현재 어떤 연구가 진행되고 있는가

상대성이론에서 발전한 블랙홀과 중력장 연구가 활발하다. 대표적인 예가 ‘사건지평 망원경’ 프로젝트다. 전파망원경을 결집해 초거대질량 블랙홀의 실물 사진을 촬영하는 프로젝트인데 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구진들이 앞장서서 진행하고 있다. 제곱킬로미터배열(SKA)거대전파망원경을 이용한 중력파 연구도 기대를 모으고 있다. 2024년까지 호주와 뉴질랜드, 남아프리카공화국에 전파망원경 3000개를 배치해 집광면적이 1km2인 거대 망원경 시스템을 만들고 이것으로 원시 중력파의 존재를 입증할 신호를 찾아내는 게 연구 목표다.

Q. 완벽하게 이해하는 날이 올까

지난 100년 동안 상대성이론이 얼마나 발전했는지를 돌아보면 놀라움을 금할 수 없다. 앞으로 100년도 기대가 된다. 21세기는 틀림없이 일반상대성이론의 세기가 될 것이다. 앞으로 몇 년 안에 정말로 중요한 어떤 일이 일어날 것이라고 생각한다. 그도 그럴 것이 유능하고 젊은 과학자들이 유례없는 계산 능력으로 상대성이론을 파헤치고 있다. 일반상대성이론의 한계에 접근하면서 대안이 될 중력이론들도 모색하고 있다. 현대 물리학의 중대한 변환의 시기에 연구자로 일할 수 있어 행운이라고 생각한다.


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PART 5. 중력파
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