[천체 물리학] 주변 물질 삼키고 에너지 내뿜는 블랙홀 자기장 모습 첫 포착

[천체 물리학] 주변 물질 삼키고 에너지 내뿜는 블랙홀 자기장 모습 첫 포착

주변 물질 삼키고 에너지 내뿜는 블랙홀 자기장 모습 첫 포착

2021.03.24 23:00

천문학자들이 지구에서 5500만광년 떨어진 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀의 편광을 처음으로 관측하고 영상을 공개했다. 이 영상은 M87 은하 중심 블랙홀 가장자리 영역이 어떻게 편광돼 있는지 보여준다. 편광은 빛이 모든 방향으로 진행되는 게 아니라 한쪽으로만 진행되는 현상으로 블랙홀 가장자리의 강력한 자기장이 영향을 주는 것으로 분석됐다. 이를 통해 에너지를 양쪽 방향으로 강력하게 뿜어내는 ′제트′를 만들어낸다. 아래쪽 나선형의 밝은 선들은 블랙홀 주변의 자기장과 연관된 편광의 방향을 직접 보여주고 있다. 한국천문연구원 제공.

천문학자들이 지구에서 5500만광년 떨어진 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀의 편광을 처음으로 관측하고 영상을 공개했다. 이 영상은 M87 은하 중심 블랙홀 가장자리 영역이 어떻게 편광돼 있는지 보여준다. 편광은 빛이 모든 방향으로 진행되는 게 아니라 한쪽으로만 진행되는 현상으로 블랙홀 가장자리의 강력한 자기장이 영향을 주는 것으로 분석됐다. 이를 통해 에너지를 양쪽 방향으로 강력하게 뿜어내는 ‘제트’를 만들어낸다. 아래쪽 나선형의 밝은 선들은 블랙홀 주변의 자기장과 연관된 편광의 방향을 직접 보여주고 있다. 한국천문연구원 제공.

한국 과학자들이 참여한 국제 연구진이 우주의 블랙홀이 주변 물질을 빨아들이고 막대한 에너지를 방출하는 메커니즘을 설명할 현상을 관측을 통해 발견했다. 2019년 4월 블랙홀 영상이 처음 공개된 데 이어 블랙홀이 주변 물질을 어떻게 흡수하고 고에너지 물질인 ‘제트’를 내뿜는지 관측을 통해 근거를 확인한 건 처음이다.

한국을 포함해 미국, 유럽, 일본, 남미, 아프리카 등 전세계 연구기관 65개, 과학자 300명 이상이 참여하는 국제 공동 프로젝트 ‘사건지평선망원경(EHT)’ 연구팀은 지구에서 5500만 광년 떨어진 처녀자리 은하단의 한가운데에 있는 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀에서 강력한 자기장의 존재를 설명하는 ‘편광’ 현상을 처음으로 관측하고 이 영상을 국제학술지 천체물리학저널 회보에 24일 공개했다.

블랙홀은 사물을 끌어당기는 힘인 중력이 매우 강해 모든 물질을 빨아들이는 천체다. 빛까지 못 빠져나오기 때문에 인간의 눈으로는 볼 수도 없다. 블랙홀은 대부분 물질을 흡수하지만 일부 물질을 방출한다. 블랙홀의 강한 중력에 빨려들어가기 직전 방출되는 물질은 에너지를 양쪽 방향으로 강력하게 뿜어내는 ‘제트’를 생성한다.

편광은 특정 방향으로만 진동하며 진행하는 빛을 뜻하는데 이번에 블랙홀의 가장자리에서 발견된 편광은 블랙홀에 강력한 자기장이 존재한다는 근거로 쓰인다. 강력한 자기장의 영향으로 M87 은하 중심부의 블랙홀에 고에너지 물질의 흐름인 제트가 발생하는 것으로 설명된다.

EHT 이론연구그룹 연구책임자인 제이슨 덱스터 미국 콜로라도볼더대 교수는 “M87 은하 중심 블랙홀 주변의 뜨거운 가스 일부는 가장자리의 강한 자기장의 압력으로 블랙홀 중심의 강한 중력에너지를 이기고 밖으로 밀려 멀리 제트의 형태로 날아간다는 사실을 확인했다”고 밝혔다. 

○편광은 강력한 자기장 존재의 근거

빛을 포함하는 전자기파는 자기장과 전기장이 수직을 이룬 상태에서 진행한다. 특별한 방향성을 주지 않는다면 모든 방향으로 진행한다. 우주의 둥근 천체는 모든 방향으로 동일하게 빛을 발산하기 때문에 이를 관측하면 구 형태를 띤다는 사실을 알게 된다. 외부에서 강한 자기장이 영향을 주면 한쪽 방향으로만 정렬된 전자기파가 나오는데 이를 편광이라고 한다. 블랙홀 가장자리에서 처음으로 관측된 편광으로 강력한 자기장이 존재한다는 사실을 확인할 수 있고 자기장으로 인해 양쪽 방향으로 강한 에너지를 내뿜는 제트가 생성되는 셈이다. 

EHT 연구팀은 앞서 2019년 4월 10일  국제학술지 ‘천체물리학 저널 레터스’에 “2017년 4월 남극, 안데스산맥 등 전 세계 8곳에 있는 전파망원경이 처녀자리 은하단의 한가운데에 있는 M87 블랙홀을 동시에 관측해 그 모습을 처음으로 확인했다”고 발표했다.

이후 M87을 지속적으로 관측하고 분석한 결과 M87 블랙홀 주변의 빛에서 편광을 발견해 이번에 공개한 것이다. 조일제 한국천문연구원 전파천문본부 연구원은 “블랙홀을 직접 보고 연구를 할 수 있게 되면서 빛들이 블랙홀에 의해 어떤 영향을 받는지, 또 아인슈타인의 일반상대성 이론을 검증할 수 있다는 점에서 의미가 있다”고 말했다. 

M87 은하 중심과 주변을 다양한 해상도의 전파망원경으로 편광 관측한 결과를 비교한 영상이다. 맨 위부터 순서대로 HST(광학망원경), 칠레의 밀리미터·서브밀리미터간섭계(ALMA), 세계 각지의 전파망원경으로 하나의 천체를 동시 관측하는 초장기선전파간섭계(VLBI), EHT연구팀이 관측한 M87 은하 중심부 관측 영상이다. 전파망원경의 해상도가 높을수록 블랙홀을 세밀하게 관측할 수 있다. 한국천문연구원 제공.

M87 은하 중심과 주변을 다양한 해상도의 전파망원경으로 편광 관측한 결과를 비교한 영상이다. 맨 위부터 순서대로 HST(광학망원경), 칠레의 밀리미터·서브밀리미터간섭계(ALMA), 세계 각지의 전파망원경으로 하나의 천체를 동시 관측하는 초장기선전파간섭계(VLBI), EHT연구팀이 관측한 M87 은하 중심부 관측 영상이다. 전파망원경의 해상도가 높을수록 블랙홀을 세밀하게 관측할 수 있다. 한국천문연구원 제공.

EHT는 스페인과 미국, 남극, 칠레 등 지구 전역에 흩어진 8대의 전파망원경을 하나의 큰 전파망원경처럼 구현했다. 지구상에서 멀리 떨어진 전파망원경으로 동시에 하나의 천체를 관측하면 마치 하나의 거대한 망원경으로 본 것처럼 해상도가 높아진다. 공개된 관측 영상은 각 전파망원경에 수신된 신호 데이터를 분석하고 이를 물리적으로 구현한 것이다. 마치 TV에 수신된 전파 신호를 영상으로 구현하는 것과 유사하다.

대만 타이페이 천체물리연구원의 박종호 연구원은 “EHT는 현재 새로운 관측소가 추가되고 있고 성능이 향상되고 있다”며 “향후 EHT 관측 연구로 블랙홀 주변의 자기장 구조를 더 정확하게 드러내고 블랙홀 주변 물질의 특성에 대해 더 많은 사실을 알려줄 것으로 기대한다”고 설명했다. 

EHT 한국 연구팀은 한국천문연구원이 일부 지분을 보유한 미국 하와이 제임스클라크맥스웰 망원경(JCMT)과 칠레의 아타카마 대형 밀리미터·서브밀리미터간섭계(ALMA)로 M87 중심 블랙홀 편광 관측 영상을 만드는 데 기여했다. EHT 연구팀에는 국내에서 한국천문연구원 등 총 10명의 한국 연구자도 참여하고 있다. 해외 기관에서 참여하는 한국인 연구자도 4명이다. EHT 한국연구팀을 이끌고 있는 손봉원 천문연 책임연구원은 “천문연이 보유하고 있는 한국우주전파관측망(KVN)을 활용한 관측을 수행하고 있다”고 말했다. 

 

  • 김민수 기자 reborn@donga.com

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=45067

[소립자 물리학] 현대물리학 표준모형 깨지나…과학계 새 입자 ‘렙토쿼크’ 발견 가능성에 주목

[소립자 물리학] 현대물리학 표준모형 깨지나…과학계 새 입자 ‘렙토쿼크’ 발견 가능성에 주목

현대물리학 표준모형 깨지나…과학계 새 입자 ‘렙토쿼크’ 발견 가능성에 주목

2021.03.24 20:00

CERN 제공

유럽입자물리연구소(CERN)의 LHCb 연구팀이 표준모형에 없는 새로운 입자가 존재할 가능성을 발견했다. 사진은 LHCb에서 B 메존 입자가 전자와 양전자로 붕괴되는 모습. CERN 제공

현대 입자물리학의 경전으로 불리는 ‘표준모형’에는 없는 새로운 입자가 발견된 것일까. 유럽입자물리연구소(CERN)의 LHCb 연구팀이 22일 논문 사전 공개 사이트인 ‘아카이브(arXiv)’에 올린 논문이 물리학계를 흥분시키고 있다. BBC는 23일(현지시간) “우리를 둘러싼 세상을 설명하는 가장 정교한 이론인 표준모형에 금이 갈 수 있는 발견”이라고 평가했다. 

표준모형은 물질을 구성하는 기본 입자와 이들 사이의 상호작용을 설명하는 현대 입자물리학의 핵심이론이다. 쿼크 6개와 렙톤 6개, 이들을 매개하는 입자 4개 등 16개의 기본입자와 이들에 질량을 부여하는 힉스까지 총 17개의 입자로 세상의 모든 현상을 설명한다. 

CERN은 2010년 둘레 27km의 거대강입자가속기(LHC)에서 양성자끼리 충돌시키는 실험을 진행해 표준모형의 17개 입자 중 마지막까지 발견되지 않던 힉스를 2012년 발견해 표준모형을 완성시켰다. 그런데 이번에는 표준모형에도 없는 가상의 입자인 ‘렙토쿼크(leptoquark)’의 존재 가능성이 제기된 것이다. 양운기 서울대 물리천문학부 교수(CERN CMS 한국팀 대표)는 “이번 측정 결과가 맞다면 힉스 발견보다 더 큰 발견이 될 수도 있다”고 말했다. 

이번 연구는 LHC의 4개 검출기 중 하나인 LHCb 실험 데이터에서 나왔다. LHCb에서는 바닥쿼크가 다른 쿼크와 짝을 이룬 입자인 B 메존이 생성된다. 표준모형에 따르면 B 메존의 바닥쿼크는 뮤온 2개나 전자 2개로 붕괴되는데, 둘의 발생 확률이 같아야 한다. 

연구팀이 2011~2018년 LHCb의 충돌 데이터를 분석한 결과 뮤온 붕괴가 전자 붕괴보다 15% 더 적게 일어났다. 이는 표준모형에서 설명하는 사건 외에 새로운 종류의 사건이 생길 수 있음을 의미하고, 연구팀은 그 가능성으로 표준모형에는 없는 렙토쿼크라는 입자가 존재할 수 있다고 설명했다. 

연구를 이끈 미테시 파텔 영국 임페리얼칼리지런던 교수는 BBC에 “처음 결과를 확인했을 때 몸을 떨 정도로 흥분했다”며 “표준모형을 넘어선 새로운 발견이라고 단정하기는 이르지만, 입자물리학 연구에 몸담은 20년간 가장 흥미로운 발견임은 확실하다”고 말했다. 

CERN 제공

LHCb 검출기가 설치된 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC) 내부. CERN 제공

렙토쿼크의 존재 가능성이 이번에 처음 제기된 건 아니다. 연구팀은 2년 전에도 동일한 결과를 한 차례 발표한 바 있다. 다만 당시에는 입자 발견의 신뢰도가 2.5시그마(σ)로 낮은 편이었다. 연구팀은 2017~2018년 LHCb의 충돌 데이터를 추가해 데이터 분석량을 80% 늘려 이번에는 신뢰도를 3시그마로 높였다. 이는 1000번 실험할 때 가짜 신호가 한 번 나오는 수준이라는 의미다. 

양 교수는 “입자물리학에서는 입자 발견의 신뢰도가 5시그마일 경우 사실상 발견으로 인정하며, 이는 350만 번 실험에서 가짜 신호가 한 번 나오는 수준”이라며 “이번 발견은 서로 다른 방식으로 상호작용하는 새로운 입자나 힘이 존재할 가능성이 있다는 뜻”이라고 설명했다. 

LHCb 연구진은 내년에 CERN이 LHC를 재가동하면 추가로 데이터를 얻어 분석할 계획이다. 콘스탄티노스 페트리디스 영국 브리스톨대 교수는 BBC에 “인류는 여전히 우주의 많은 부분을 이해하지 못하고 있어 새로운 발견이 기대가 된다”며 “우주를 구성하는 95%의 물질이 무엇인지 모르고, 심지어 물질과 반(反)물질의 비율이 그토록 차이가 나는 이유도 모른다”고 말했다. 

  • 이현경 기자 uneasy75@donga.com

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=45072

[정보과학] 컴퓨터 과학 선구자 앨런 튜링, 호킹 제치고 영국 50파운드 새 지폐 주인공

[정보과학] 컴퓨터 과학 선구자 앨런 튜링, 호킹 제치고 영국 50파운드 새 지폐 주인공

컴퓨터 과학 선구자 앨런 튜링, 호킹 제치고 영국 50파운드 새 지폐 주인공

2021.03.26 13:28

영국 중앙은행인 잉글랜드은행이 25일(현지시간) 앨런 튜링이 새겨진 새 50파운드 지폐를 공개했다. 잉글랜드은행 제공

영국 중앙은행인 잉글랜드은행이 25일(현지시간) 앨런 튜링이 새겨진 새 50파운드 지폐를 공개했다. 잉글랜드은행 제공

영국 중앙은행인 잉글랜드은행이 25일(현지시간) 천재 수학자 앨런 튜링이 새겨진 새 50파운드(약 7만7900원) 지폐 도안을 공개했다. 지폐 뒷면은 튜링이 죽기 3년 전인 1951년 찍은 그의 초상과 서명, 0과 1의 이진법으로 나타낸 생일 코드, ‘튜링 기계’를 나타내는 수학기호 등이 담겼다.

 
튜링은 튜링 기계와 튜링 테스트 등 컴퓨터 개발에 필요한 기초적인 개념을 만들어 ‘컴퓨터의 아버지’ ‘인공지능(AI)의 아버지’ 등으로 불린다. 

튜링의 오른 어깨 옆으로 물결 모양의 띠 안에는 0과 1로 이뤄진 25자리 숫자 ‘1001000111100000111101111’이 등장하는데, 이는 그의 생일인 1912년 6월 23일을 이진법으로 나타낸 것이다. 컴퓨터가 0과 1을 이용해 이진법 연산을 한다는 점에서 컴퓨터 과학의 발전에 기여한 그의 업적을 표현한 것이다. 

튜링은 스스로 생각하고 다양한 작업을 할 수 있는 튜링 기계를 만들고 싶어했는데, 1936년 발표한 논문이 시초로 꼽힌다. 튜링은 논문에서 기계적인 방식으로 참과 거짓을 판단할 수 있는지 수학적으로 입증했고, 이 과정에서 튜링 기계의 개념을 처음 도입했다. 새 50파운드 지폐에 인쇄된 ‘qi’ ‘Sj’ 등이 배치된 행렬식은 논문에 등장하는 튜링 기계의 핵심 논리다. 

이밖에 튜링의 왼 어깨 아래로 그의 서명이 새겨졌고, 지폐 앞장의 위조방지 홀로그램은 컴퓨터 칩 모양으로 디자인해 튜링의 업적을 기렸다. 

잉글랜드은행 제공

영국의 새 50파운드 지폐 뒷면은 앨런 튜링의 초상과 함께 숫자, 수학식 등 그의 업적을 기리는 다양한 요소들로 디자인됐다. 잉글랜드은행 제공

튜링은 제2차 세계대전 당시 영국군 암호해독반에서 독일군 잠수함 부대의 암호체계인 ‘에니그마(Enigma)’를 1시간 만에 해독하는 ‘브리시티 봄베(British Bombe)’를 개발해 연합군의 승리에 결정적인 역할을 했다. 

하지만 튜링의 삶은 불운했다. 전쟁이 끝나자 암호해독 연구는 기밀이 됐고 그는 국가의 감시 대상이 됐다. 1952년에는 동성애 혐의로 기소됐고, 2년 뒤 시안화물 중독으로 죽음을 맞았다. 당시 영국 정부는 그의 죽음을 자살로 결론 냈지만, 역사학자들 사이에서는 지금도 주장이 엇갈린다.

앤드루 베일리 잉글랜드은행 총재는 가디언에 “튜링은 컴퓨터 과학의 선구자이지만 동성애자라는 이유로 가혹한 대접을 받았다”며 “새 50파운드 지폐에 그를 새김으로써 그의 업적과 그의 상징을 축하할 것”이라고 말했다. 

한편 튜링이 새 50파운드 지폐의 주인공으로 낙점된 건 2019년이었다. 당시 천재 물리학자 스티븐 호킹, 정치인이 되기 전에 화학자였던 마거릿 대처 전 영국 총리 등 쟁쟁한 과학자 후보가 989명이나 올라왔지만 이들을 제치고 최종적으로 튜링이 선정됐다. 

튜링이 새겨진 새 50파운드 지폐는 6월 23일부터 유통된다. 현재 50파운드 지폐에는 증기기관을 발명해 18세기 산업혁명을 이끈 제임스 와트가 새겨져 있다.  

  • 이현경 기자 uneasy75@donga.com

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=45138

[알아봅시다][물리학][사이언스N사피엔스]특수상대성 이론이 등장하기까지

[알아봅시다][물리학][사이언스N사피엔스]특수상대성 이론이 등장하기까지

2021.03.18 16:00

아인슈타인이 대학 시절을 보낸 스위스 연방공대 전경. 취히리 연방공대 제공

아인슈타인이 대학 시절을 보낸 스위스 연방공대 전경. 취히리 연방공대 제공

20세기 물리학은 그 이전의 19세기 물리학과 많은 면에서 뚜렷하게 구분된다. 흔히 이 둘은 현대물리학과 고전물리학으로 불린다. 현대물리학은 20세기를 거치며 방대한 분야에서 눈부신 성과를 이룩했는데 이를 떠받치는 큰 기둥이 둘 있다. 바로 상대성이론과 양자역학이다. 이 두 분야의 발전에 모두 크게 기여한 사람이 바로 앨버트 아인슈타인이다. 상대성  이론은 아인슈타인이 거의 혼자서 만들었으니 기여도라는 걸 따지는 게 무의미할 정도이다. 양자역학에 대해서는 아인슈타인이 일생을 두고 반대했는데 그 과정에서 양자역학을 옹호했던 과학자들이 아인슈타인을 극복하면서 양자역학이 크게 발전하였다. 

아인슈타인이 특수상대성 이론을 발표한 때는 1905년으로, 1879년생인 아인슈타인이 26세 되던 해였다. 이때 아인슈타인은 스위스 특허청의 심사관으로 일했다. 1900년에 취리히 공대를 졸업한 아인슈타인은 특허청에서 안정적인 직장을 얻기까지 꽤 힘든 시간을 보냈다. 수학, 물리학 과외 교습도 했었고 대학 강사 자리도 알아보고 있었다. 캠퍼스 커플이었던 4년 연상의 밀레바 마리치는 아기를 임신 중이었고 아인슈타인이 특허청에 취직한 1902년 리제를이라는 이름의 딸을 낳았다. 아인슈타인과 마리치가 정식으로 결혼한 것은 1903년이었다. 특허청에서 일자리를 구한 것은 대학시절 절친한 친구였던 마르셀 그로스만의 아버지가 베른의 특허청장과의 친분을 이용해 도와준 덕분이었다. 요즘 유행하는 말로 하자면 ‘친구 아빠 찬스’를 쓴 셈이었다.

1905년은 아인슈타인에겐 ‘기적의 해’로 불린다. 1666년이 뉴턴에게 ‘기적의 해’였다면 말이다. 이해에 아인슈타인은 여러 편의 논문을 썼다. 브라운 운동에 관한 논문은 원자와 분자의 존재를 확증할 수 있는 내용을 담고 있었다. 광전효과(금속에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 현상)에 관한 논문은 1921년 아인슈타인에게 노벨상을 안겼다. 그리고 특수상대성 이론의 효시가 되는 논문도 1905년에 나왔다.  

1905년 아인슈타인의 특수상대성 이론 논문

1905년 아인슈타인의 특수상대성 이론 논문

상대성 이론에는 특수상대성 이론(special theory of relativity)과 일반상대성 이론(general theory of relativity)이 있다. 보통 일상의 언어로는 일반이론이 더 쉽고 특수이론이 더 어려워 보인다. 한번은 모처에서 상대성 이론 강연을 하기로 했는데, 강연 순서를 특수상대성이론-일반상대성이론의 순서로 보냈더니 담당자가 순서가 바뀐 것 아니냐고 내게 되물었다. 물리학에서는 대개 특수한 상황이 물리적으로 더 쉽고 일반적인 상황이 더 어려운 경우가 많다. 상대성 이론에서도 그렇다. 

상대성 이론이란 한마디로, 움직이는 사람과 정지한 사람이 똑같은 물리 현상을 보게 될 것인가에 관한 이론이다. 즉, 상대적으로 운동하는 사람들 사이의 관계에 관한 이론이라고도 할 수 있다. 그 상대적인 운동이 속도가 변하지 않는 등속운동인 경우에 적용되는 이론이 특수상대성 이론이고, 속도가 변하는 운동인 경우에 적용되는 이론이 일반상대성 이론이다.

역사상 상대성 이론이 적용되는 상황이 심각해지는 경우가 있었다. 바로 지구중심설과 태양중심설이 대립할 때였다. 만약 지구가 스스로 돌면서 태양주변을 다시 돌고 있다면 그 위에 살고 있는 우리는 왜 지구의 움직임을 알지 못한단 말인가? 예컨대, 지구가 서쪽에서 동쪽으로 돌고 있다면 나무에서 떨어지는 사과는 나무 바로 아래가 아니라 나무의 서쪽으로 치우쳐 떨어져야 하지 않을까? 17세기까지도 사람들이 코페르니쿠스를 믿지 않고 갈릴레오의 주장을 반대했던 데에는 종교적인 이유만 있었던 것이 아니었다. 갈릴레오는 자신을 향한 이런 논리를 반박하는 데에 《대화》의 지면을 할애했다. 갈릴레오의 논리는 이랬다. 항해 중인 배의 돛대에서 공을 떨어뜨리면 그 공은 배의 뒷면에 떨어지지 않고 돛대 바로 아래에 떨어진다. 왜냐하면 공이 배와 함께 이미 같이 움직이고 있었기 때문이다. 21세기 버전으로 말하자면, 지하철에서 스마트폰을 떨어뜨리면 객차의 뒤쪽으로 밀려 떨어지지 않고 바로 발아래에 떨어진다. 따라서 이런 실험만으로는 배(또는 지하철)가 움직이는지 정지해 있는지 확인할 수가 없다. 지구의 자전도 마찬가지이다. 이런 이유로 갈릴레오는 상대성 이론의 원조로 꼽힌다. 

갈릴레오의 상대성 이론(또는 고전적인 상대성 이론)에서는 상대적인 운동을 하는 두 사람이 물체의 속도를 서로 달리 관측할 뿐 나머지는 모두 똑같다. 예컨대 지하철을 타고 가면서 철길 옆 도로 위를 같은 방향으로 달리는 자동차를 바라보면, 도로 위에서 자동차를 봤을 때보다 훨씬 느리게 움직인다. 왜냐하면 자동차를 관측하는 나 자신이 지하철과 함께 지면에 대해 자동차와 같은 방향으로 움직이고 있기 때문이다. 그러니까, 움직이는 사람이 관측한 물체의 속도는 정지한 사람이 관측한 속도에서 관측자 자신이 움직이는 속도를 빼줘야 한다. 이처럼 고전적인 상대론에서는 상대적인 운동을 하는 관측자들이 물체의 운동을 상대운동의 속도 차이만큼 서로 다르게 볼 뿐이다. 이는 우리의 일상적인 직관경험과 잘 부합한다. 이 체계에서는 상대적인 운동을 하는 관측자들의 눈에 보이는 현상이 본질적으로 달라지지 않는다. 

현대물리학 거장들과 함께한 막스 플랑크(가운데). 좌측부터 발터 네른스트, 알버트 아인슈타인, 막스 플랑크, 로버트 밀리컨, 막스 폰 라우에. 모두 노벨상 수상자들이다. 과학동아DB

현대물리학 거장들과 함께한 막스 플랑크(가운데). 좌측부터 발터 네른스트, 알버트 아인슈타인, 막스 플랑크, 로버트 밀리컨, 막스 폰 라우에. 모두 노벨상 수상자들이다. 과학동아DB

고전 물리학, 특히 전자기학에 정통했던 아인슈타인은 여기에 의문을 품었다. 일화에 따르면 아인슈타인은 청소년 시절부터 빛에 대한 사고실험을 했다. 만약 빛의 속도로 달려가면서 빛을 바라보면 어떻게 될까? 여기서 빛 대신 자동차를 넣으면 그 답이 무엇인지 우리는 쉽게 추정할 수 있다. 자동차와 나란히 달리는 지하철이 자동차와 같은 속도로 진행한다면, 지하철 안의 승객들은 자동차가 정지해 있는 것으로 관측하게 된다. 이 추론을 그대로 연장한다면, 빛의 속도로 날아가는 아인슈타인은 ‘정지한 빛’을 보게 될 것이다. 아인슈타인을 당혹스럽게 만든 것이 바로 이 결론이었다. 빛이 정지한다는 게 대체 무슨 뜻일까?

과학자들은 수 세기에 걸쳐 빛을 연구해 왔고 19세기 중반 제임스 맥스웰의 연구 덕분에 빛은 전자기파의 일종임이 밝혀졌다. 그러나 빛이 정지하는 현상을 어떤 형태로든 본 적이 없었다. 아인슈타인은 빛이 정지한다는 것은 완전히 넌센스라고 생각했다. 한걸음 더 나아가 아인슈타인은 빛은 모든 관성좌표계에서 항상 일정한 속도로만 움직인다고 가정했다. 이것이 이른바 ‘’으로, 특수상대성이론의 2가지 가정 중 두 번째 가정이다. 여기서 관성좌표계란 관성의 법칙이 성립하는 좌표계이다. 하나의 관성좌표계에 대해 속도가 일정한 등속운동을 하는 모든 좌표계는 관성좌표계이다. 

광속불변은 우리의 일상적인 직관경험과 크게 어긋난다. 예컨대 홍길동이 에스컬레이터에서 걸어가면 밖에서 봤을 때는 에스컬레이터가 움직이는 속도와 홍길동이 에스컬레이터에 대해서 걷는 속도가 더해져 홍길동은 더 빨리 움직인다. 만약 홍길동이 에스컬레이터에 서서 스마트폰을 켜면 어떻게 될까? 홍길동이 걷는 경우로부터 유추해 본다면 홍길동의 스마트폰에서 나온 빛은 밖에서 봤을 때 원래의 광속에다가 에스컬레이터가 움직이는 속도가 더해져야만 할 것이다. 경우에 따라서는 정지상태에서의 광속보다 더 빠를 수도 있다. 광속불변이 말하는 바는, 이런 경우에도 빛은 여전히 광속으로 움직인다는 말이다. 광원과 관측자가 어떻게 상대적인 운동을 하든 광속은 변화가 없다. 

또 이 가정에 따르면 19세기 과학자들이 전자기 파동으로서의 빛의 매개물인 에테르가 필요 없다. 에테르의 특이한 성질과 존재여부는 19세기 물리학의 큰 과제 중 하나였다. 에테르를 검출하려는 모든 시도는 실패했는데 특히 1887년 미국의 마이컬슨과 몰리가 간섭계를 이용해 정밀하게 수행했던 실험이 유명하다. 그러나 에테르가 검출되지 않았다고 해서 에테르가 아예 없다고 생각한 과학자는 거의 없었다. 똑똑한 과학자들은 에테르가 존재하더라도 마이컬슨-몰리 실험에서 검출되지 않는 이유와 논리를 만들어낼 수 있었다. 정작 에테르 문제에 대한 해법은 가장 간단한 데에 길이 있었다. 아인슈타인은 그 존재 자체를 부정함으로써 새로운 상대성 이론을 만들어 문제를 원천적으로 해결했다. 

우주에서 최대 속도를 갖는 물질은 빛이다. 아인슈타인의 특수상대성이론은 이를 전제로 한다. 과학동아DB

우주에서 최대 속도를 갖는 물질은 빛이다. 아인슈타인의 특수상대성이론은 이를 전제로 한다. 과학동아DB

특수상대성 이론의 첫 번째 가정은 모든 관성좌표계에서 물리법칙이 똑같다는 내용이다. 이는 언뜻 생각하기에 당연히 그러해야만 할 것 같다. 서로 등속운동하는 두 좌표계는 어느 쪽이 움직이고 어느 쪽이 정지해 있는지를 구분하는 것이 의미가 없다. 오직 상대적인 운동만 의미 있을 뿐이다. 그렇다면 이 두 좌표계에 적용되는 물리법칙이 다를 것이라고 상상하기 어렵다. 문제는 이 평범해 보이는 요구조건이 잘 작동하지 않는다는 점이다. 앞서 소개했던 고전적인 상대성이론을 맥스웰의 전자기론, 즉 맥스웰 방정식에 적용하면 정지한 좌표계와 움직이는 좌표계에서의 맥스웰 방정식이 달라진다. 만약 맥스웰 방정식이 전자기 현상을 설명하는 올바른 물리법칙이라면, 상대적으로 운동하는 두 사람에 대해 전자기 법칙이 달라진다는 뜻이다. 그렇다면 우리가 이 법칙을 과연 ‘자연의 법칙’이라고 부를 수 있을지도 의문이다. 이런 역사적인 배경이 있었기 때문에 1905년의 특수상대성 이론 논문의 제목은 ‘움직이는 물체의 전기동역학에 관하여’였다.

아인슈타인은 이 두 가지 가정으로부터 시작해 수학적으로 일관된 새로운 상대성 이론을 만드는 데에 성공했다. 아예 처음부터 광속 불변을 지켰고 물리법칙의 동일함을 지켰기 때문에 달라져야 하는 것은 상대적으로 운동하는 두 좌표계 사이의 관계, 즉 상대성이론 자체였다. 아마도 많은 사람들은 어떻게 달리는 자동차의 전조등처럼 움직이는 광원의 광속이 여전히 광속으로 유지될 수 있는지 궁금할 것이다.

특수상대성 이론에 따르면 애초에 상대적으로 운동하는 관측자들 사이에서 갈릴레오식으로 속도를 더하고 빼는 셈법이 틀렸다. 그러나 묘하게도 전혀 다른 방식으로 틀리지는 않아서 물체의 속도나 상대속도가 광속에 비해 그리 크지 않으면 갈릴레오의 속도 셈법과 크게 다르지 않다. 또한 새로운 셈법에서는 상대속도를 어떻게 더하거나 빼더라도 광속을 넘어서는 속도를 만들어낼 수 없다. 가령 자동차가 광속으로 달려가면서 전조등을 켜거나, 관측자가 자동차와 반대방향으로 광속으로 달려가더라도 광속은 여전히 광속이다. 아인슈타인이 사고 실험했던 상황에서도 광속은 여전히 광속이다. 그러니까 광속은 우리 우주에서 대단히 특별한 상수라고 할 수 있다. 아인슈타인은 그 중요성을 간파하고 자신의 이론을 세울 때 하나의 가정으로 도입한 것이다. 특수상대성이론은 두 가지 가정으로부터 거의 기계적으로 도출되는 결론이다. 물리학자들이 흔히 말하듯, 중요한 것은 물리적인 내용이지 수학이 아니다. 아인슈타인이 뛰어난 것은 이처럼 물리적인 실체를 꿰뚫어볼 수 있는 위대한 통찰력 때문이다. 

알베르트 아인슈타인. (1897~1966). 미 의회 도서관 제공

알베르트 아인슈타인. (1897~1966). 미 의회 도서관 제공

※참고자료

데니스 오버바이, 《젊은 아인슈타인의 초상》(김한영·김희봉 옮김), 사이언스북스.
 Albert Einstein (1905) “Zur Elektrodynamik bewegter Körper”, Annalen der Physik 17: 891.

※필자소개 

이종필 입자이론 물리학자. 건국대 상허교양대학에서 교양과학을 가르치고 있다. 《신의 입자를 찾아서》,《대통령을 위한 과학에세이》, 《물리학 클래식》, 《이종필 교수의 인터스텔라》,《아주 특별한 상대성이론 강의》, 《사이언스 브런치》,《빛의 속도로 이해하는 상대성이론》을 썼고 《최종이론의 꿈》, 《블랙홀 전쟁》, 《물리의 정석》 을 옮겼다. 한국일보에 《이종필의 제5원소》를 연재하고 있다.

[출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=44885

인류에게 ‘컴퓨터 언어’를 선사한 혁명가들 [기상천외한 과학자들의 대결] (20) 데니스 리치와 켄 톰슨

인류에게 ‘컴퓨터 언어’를 선사한 혁명가들

[기상천외한 과학자들의 대결] (20) 데니스 리치와 켄 톰슨

2021.02.01 07:48 김은영 객원기자

컴퓨터는 인류 문명에 지대한 발전을 가져왔다. 이 컴퓨터를 작동하게 만들어주는 것이 바로 ‘프로그래밍 언어’다. 프로그래밍 언어는 인간의 언어를 컴퓨터가 알아들을 수 있도록 변환한 새로운 언어체계다.

데니스 리치(Dennis Ritchie)와 켄 톰슨(Kenneth Lane Thompson)은 인류에게 컴퓨터를 작동시킬 ‘새로운 언어’를 만들어 선물했다. 이들이 만든 C 언어와 유닉스 운영체제가 없었다면 현재의 스마트폰과 컴퓨터가 이렇게 빨리 발전할 수 없었을 것이다.

이들은 C언어와 유닉스(Unix) 개발 공로를 인정받아 1983년 컴퓨터계의 노벨상이라 불리는 튜링상(Turing Award)을 수상한다.

세상에서 가장 많이 쓰는 C언어의 아버지 ‘데니스 리치’

컴퓨터는 0과 1만 구분할 수 있다. 때문에 컴퓨터를 작동시키려면 컴퓨터가 알 수 있는 언어로 프로그래밍을 해야 한다. 데니스 리치는 현대 컴퓨터 업계에서 가장 많이 사용하는 컴퓨터 프로그램 언어를 개발한 천재 프로그래머다.

데니스 리치는 1983년 튜링상을 시작으로 1990년에 IEEE 리처드 W. 해밍 메달, 1994년 컴퓨터 파이오니어상 등을 수상하며 저명한 전산학자로 명성을 떨쳤다. ⓒ 김은영/ ScienceTimes

그는 C 언어와 유닉스(Unix) 시스템을 개발했다. 현재 컴퓨터 프로그래밍에는 자바, 파이썬 등 다양한 프로그래밍 언어들이 사용되고 있다. 이러한 발전은 C 언어가 있었기 때문에 가능했다고 할 수 있다. 또한 이들이 개발한 유닉스 운영체제는 과거 연산 등 단순한 처리만 할 수 있었던 컴퓨터의 기능을 다양하고 강력하게 변화시켰다.

데니스 리치는 1967년 하버드 대학교에서 물리학과 응용수학 학위를 얻은 인재였다. 그는 어린 시절부터 수학과 물리학을 좋아했고 대학에 진학한 후에는 컴퓨터에 큰 관심을 가진다. 그는 컴퓨터로 수학 연산을 더 빨리할 수 있다는 사실에 흥미를 갖고 프로그래밍을 배웠다. 물리학과 전공이었음에도 컴퓨터에 더 관심을 가질 만큼 컴퓨터에 빠져들었다.

브라이언 커니핸과 데니스 리치가 집필한 C 언어 책 초판. ⓒ 위키미디어

데니스 리치는 대학 졸업 후에는 AT&T 벨 연구소에서 켄 톰슨(Ken Thompson)을 만나 유닉스(Unix) 시스템과 C 언어를 개발했다. 그와 브라이언 커니핸이 공동으로 쓴 C 언어 책은 1978년 출간되어 20개 언어로 번역됐다. 이후 지금까지 C 언어는 업계의 표준으로 자리 잡게 됐다. 그는 사망 전까지 왕성한 연구를 계속했고 자신이 만든 언어로 컴퓨터 운영체제까지 만든 기록을 세웠다.

게임하다가 불편해서 새로운 운영체제를 개발한 ‘켄 톰슨’

켄 톰슨 또한 현대 컴퓨터사에서 빼놓을 수 없는 프로그래밍 언어의 선구자다. 켄 톰슨은 C 언어 개발에 지대한 영향을 미친다. 켄 톰슨은 벨 연구소에서 ‘B’ 언어를 만들었고 데니스 리치는 B 언어의 특징을 살려 최종적으로 C라는 이름의 언어를 만들어냈다.

켄 톰슨(사진 왼쪽)과 데니스 리치(사진 오른쪽) ⓒ 위키미디어

켄 톰슨은 이후 구글의 고(GO) 언어를 공동 창시하기도 할 정도로 뛰어난 천재 프로그래머였다. 켄 톰슨은 버클리 대학을 졸업한 후 벨 연구소에 입사했다. 그는 미니컴퓨터 PDP-7로 게임을 하려고 했지만 당시 운영체제로는 빠르게 돌아가지 않았다. 화가 난 톰슨은 직접 운영체제를 만들기로 한다. 바로 모든 것의 시작점이 된 ‘유닉스’다.

유닉스 운영체제 개발 이후 이어진 운영체제 계보. 유닉스는 리눅스에 조상격이다. ⓒ 위키미디어

C언어는 유닉스 운영체제 개발을 위해 설계한 언어다. 벨 연구소에서 일하다 버클리 대학교로 돌아온 톰슨은 유닉스를 개조한 운영체제 BSD(Berkeley Software Distribution) 개발에 몰두했다. 켄 톰슨이 객원교수로 있으면서 빌 조이 등과 개발한 BSD는 현재 오픈 OS로 유명한 리눅스의 기원이 됐다.

켄 톰슨과 데니스 리치가 만들어낸 C 언어와 유닉스는 현재의 스마트폰과 태블릿 PC의 기본 바탕이 됐다. 이들이 창조한 것들은 현재 우리가 너무 당연하다고 여기는 컴퓨터 세상을 열었다. 천재 프로그래머들이 인류에게 선사한 근사한 종합선물인 셈이다.

[출처] https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EC%9D%B8%EB%A5%98%EC%97%90%EA%B2%8C-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EC%96%B8%EC%96%B4%EB%A5%BC-%EC%84%A0%EC%82%AC%ED%95%9C-%ED%98%81%EB%AA%85%EA%B0%80%EB%93%A4/

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와우… 엄청 덕력이구먼