뉴턴의 중력부터 아인슈타인의 중력까지
“중력? 그거 사과나무 아래에 있다가 발견한 거 아니야?”
기억이 섞였는지 아니면 너무 오래돼 왜곡됐는지 모르지만 이제 이런 생각은 과거에 묻고 새롭게 발견된 사실로 업데이트할 때가 됐다. 사과나무 외에도 물체는 보이지 않는 밧줄로 연결되어 있다는 뉴턴의 중력은 인류 문명을 이룩하는 데 큰 공헌을 했다. 만유인력의 법칙을 통해 중력의 존재를 처음 발견한 뉴턴의 위대함은 과학사에 길이 남을 것이지만 인류의 활동 무대가 지구에서 우주로 넓혀진 이때 필요한 것은 뉴턴의 중력이 아닌 아인슈타인의 중력이다.

“뉴턴의 중력은 뭐고 아인슈타인의 중력은 또 뭐야?”
발견자마다 중력이 달라지는 것처럼 느껴질 수 있지만 사실 개념은 똑같다. 다만 어디에서 적용되느냐에 차이가 있을 뿐이다. ‘질량을 가진 물체에 작용하는 힘’이라는 개념으로 쓰이던 지구에서의 중력은 물체가 서로를 잡아당긴다는 뉴턴의 중력으로 충분히 설명할 수 있었다. 하지만 기술이 발달하면서 관측한 우주에서 나타나는 기현상, ① 똑바로 간다고 생각했던 빛이 휘고 ② 도달 거리가 늘어나 도착 시간이 늘어나거나 ③ 관측한 별의 위치와 실제 위치가 조금씩 다르게 나타나는 현상, ④ 그리고 빛도 빨아들인다는 블랙홀의 존재 등 뉴턴의 중력으로는 설명할 수 없는 사례가 나타나자 이것들을 논리적, 과학적으로 설명할 수 있는 이론이 필요해졌다. 이때 나타난 것이 바로 중력을 밧줄이 아닌 그물망에 비유해 설명한 아인슈타인의 중력이다. 우주가 한 개의 시간과 세 개의 공간으로 구성된 4차원 구조의 시공간으로 이루어져 있다는 사실이 발견된 이후 아인슈타인은 이 시공간에 지구나 태양처럼 거대한 질량을 가진 물체가 놓여 있다면 시공간은 비틀어진다고 보았다. 비틀린 시공간을 따라 빛이 움직이고 별에서 나오거나 반사된 빛이 왜곡되어 위치가 달라지는 등 의문들이 하나씩 풀리면서 아인슈타인의 중력은 이제 학계의 대세가 된다.

“원래부터 똑똑한 사람들이니까 생각해 낼 수 있던 거 아닌가?”
아인슈타인은 이미 100년 전 이 모든 것을 예측하고 있었다. 다만 실측하지 못했을 뿐. 《중력 쫌 아는 10대》에는 아인슈타인이 예측하고 세운 이론에 따라 그동안 우주를 해석하고 이해하려는 수많은 과학자의 웃음과 울음이 담겨 있다. 에딩턴, 슈바르츠실트, 힐베르트, 그로스만, 찬드라세카르 등 그들 역시 처음부터 모든 것을 이해하고 깨달은 것이 아니라 첫 술에 배부를 수 없는 것처럼 각고의 노력 끝에 업적을 남길 수 있었던 것이다. 자라나는 세대에게는 이러한 끊임없는 도전과 의문을 갖는 자세가 필요하고 포기하지 않았던 사람들의 모습을 지켜보면서 자유롭게 미래를 꿈꾸며 그 미래를 자기 손으로 바꿔 나갈 수 있다는 상상을 키워 갈 수 있을 것이다.


우주를 제대로 맛보기 위한 애피타이저
여타의 과학책 중에는 과학을 설명하기 위해 어쩔 수 없다며 복잡한 수식을 마구 끌어다 쓰거나 청소년의 시각에서는 이해하기 힘든 여러 현상을 설명 없이 나열해 놓기만 한 책들이 있다. 그러나 《중력 쫌 아는 10대》는 다르다. 이 책에서도 기본적인 공식이나 계산법은 등장하지만 그것은 존재만 확인하고 넘어가는 정도에 그치지 결코 그것들이 주가 되는 것이 아니다. 이 책은 무엇보다 과학을 어려운 대상으로만 여겨 기피하고 흥미를 갖지 못하는 청소년에게, 꿈에서나 볼 수 있을 것 같은 신기하고 놀라운 현상들을 청소년의 눈높이 맞춰 자세히 소개함으로써 어렵게 생각하지 않도록 유도한다. 그러면서도 재미있는 그림과 지구에서는 확인하기 힘든 천체 현상이 담긴 사진을 넣어, 요즘 청소년들 사이에서 유행하는 이세계 탐험 책 같은 느낌이 들게 해 우주에 대한 관심을 자극하는 데 목적을 두고 있다.
중력은 우리와 늘 함께해 왔다. 인간이 이룩한 모든 문명은 우리 주변에 항상 중력이 작용하고 있다는 것을 전제로 만들어진 것이다. 그런데 하늘로 날아오르고, 우주로 떠나려는 움직임이 나타나는데 중력을 극복하고 그것을 이루어 내기가 쉽지 않음을 깨닫게 되자 중력은 우리의 자유를 억압하는 장애물이 아닌가라는 생각도 들기 시작한다. 중력만 없었다면… 하는 생각을 할 수 있지만 오히려 중력은 잘만 활용하면 더욱 유용한 존재가 될 수 있다. 자동차 내비게이션이나 핸드폰에 있는 GPS는 위성으로부터 신호 정보를 받는 과정에서 반드시 위치 왜곡이 일어난다. 위치 왜곡의 원인은 상공 2만 미터에 떠 있는 GPS 위성이 받는 중력이 지구 중력의 4분의 1 정도에 불과하고, 중력이 낮은 곳은 높은 곳에 비해 시간이 빨리 흐른다는 일반상대성이론을 생각해 보면 원리를 파악하는 것은 문제를 해결하는 데 큰 도움이 된다. 이 책에는 이렇듯 중력에 여러 현상을 명료하게 설명할 수 있는 방법을 통해 청소년에게 궁금증을 해결하기 위한 열쇠를 제시함으로써 과학 탐험의 욕구를 독려한다.
이 책은 뉴턴의 중력으로는 설명되지 않는 현상을 아인슈타인의 중력으로 설명한 뒤(1-3장) 수식을 정리해 나가고 밝히는 등 과학자들의 노력(4-5장)을 보여 준다. 그리고 그 과정에서 관측한 중력수축 현상, 초신성, 중성자별과 블랙홀, 호킹 복사(6-7장)를 설명한 뒤 중력파를 측정하고 블랙홀의 촬영(8-9장) 등이 현실로 이루어졌지만, 뉴턴의 이론으로 설명할 수 없는 현상들을 설명하기 위해 아인슈타인의 이론이 등장했던 것처럼 아인슈타인의 이론으로 설명하지 못하는 현상이 관측되자 새로운 이론에 대한 수요가 생기고 있다는 것으로 보여 준다(10장). 끈이론이 이에 대한 대안이 될 수 있지만 답보상태에 머물러 있고 저자는 결국, 우리 청소년들이 그 문제에 대한 해답을 제시해 줄 거라 믿는다는 점을 강조한다.


중력파: 빛에 버금가는 위력을 지닌 인류의 또 다른 도구
2016년 가을은 물리학계에의 역사적인 한 해로 기록되었다. 오랜 꿈이었던 중력파를 실제로 측정해 낸 것이다. 중력파란 시공간의 그물망 위에 놓여 있던 그물망이 흔들리면서 나타나는 운동의 여파로 100년 전 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표하면서 그 존재가 처음으로 언급되었다. 하지만 ① 중력파를 측정할 수 있는 기술이 부족하고 ② 너무 먼 곳에서 일어나고 ③ 중력파가 지구를 지나간다고 하지만 그 속도가 빛 속도에 버금갈 만큼 빨라서 지금까지 한 번도 측정해 내지 못했는데, 미국의 라이고 연구소가 이것을 해낸 것이다. 인류가 지구에 등장한 이래 지구 밖 우주를 탐사하는 데 의존했던 관측 도구는 빛밖에 없었다. 맨눈으로 관측하다가 최신 기술의 망원경을 도입하면서 관측 범위가 획기적으로 넓어지는 발전이 있었지만 어디까지나 우주 공간을 뚫고 날아온 빛을 관찰한다는 행위에서 벗어나지 못했다. 그랬던 인류에게 중력파의 발견과 측정이 가능해졌다는 것은 빛에 버금가는 성능을 가진 또 하나의 관측 수단이 생겼다는 것을 의미한다.
예전에 우리는 피부 속에 있는 뼈의 모습을 눈으로 확인할 수 없어서 골절이나 염좌를 제때 발견하지 못했기 때문에 심할 경우 환자가 사망에까지 이르게 되는 일이 종종 있었다. 하지만 X선의 발견 덕분에 몸을 열어 보지 않아도 속을 들여다볼 수 있는 불가능한 일이 가능해졌고 많은 사람의 목숨을 구하는 등 의학 발전에 큰 역할을 해 냈다. 중력파 역시 마찬가지이다. 그동안 우리는 우주를 눈으로 ‘보아서’ 관측했지만 빛이 도달할 수 없을 만큼 멀리 떨어져 있거나 그 빛을 흡수해서 관측할 수 없던 블랙홀 같은 천체를 ‘귀로’ 들어서 관측할 수 있다는 점에서 중력파의 발견은 인류가 새로운 세계로 도약하기 위한 추진력을 얻어 냈다는 의미이기에 앞으로 물리학·천문학 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.


중력을 알고 활용하면 상상이 현실이 된다!
만화 《드래곤볼》의 주인공인 손오공과 그의 라이벌인 베지터는 작중에서 종종 적과 싸우기 위해 중력을 조절할 수 있는 인공 중력실에 들어가 수행을 거듭하여 자신의 전투력을 단시간 내에 급격히 높이는 모습을 보여 준다. 온라인 게임 <오버워치>에 등장하는 영웅 시그마는 중력을 조절하여 상대를 허공에 띄웠다가 내리꽂는 ‘중력 붕괴’ 기술을 사용해 적을 공격한다. 물론 이런 기술을 실제로 구현하는 것은 머나먼 미래의 일이겠지만 그래도 현재 시점에서 중력을 활용할 수 있는 방법은 없을까?

2016년 9월 경상북도 경주 지진은 규모 5.8의 지진으로 수십 명이 부상당하고 엄청난 액수의 재산 피해를 입힌 대한민국 지진 관측 역사상 가장 강력했던 지진이다. 우리나라는 그동안 다른 나라에 비해 지진 안전지대에 속한다고 생각했기에 대비가 제대로 되어 있지 않았고 지진 발생 여부가 사람들에게 빠르게 전달되지 않아 피해를 더욱 키웠다. 이후 체계가 정비되고 매뉴얼이 만들어져 2017년 포항 지진 때는 좀 더 신속한 정보 전달이 가능해졌지만 더 빠른 전달을 위해 중력파를 활용하는 연구가 이루어지고 있다. 지진 발생 뒤에는 거의 순간적으로 지구 중력장에 교란이 일어나는데 전달 속도가 각각 초속 8킬로미터, 4킬로미터에 불과한 P파나 S파와 달리 전파 속도가 빛 속도인 초속 30만 킬로미터에 버금가는 속도로 움직이는 중력파를 감지해 내는 시스템을 구축해 두면 훨씬 빨리 지진을 감지해 내고 대비할 수 있을 것이다.

또 중력파는 보이지 않는 곳을 확인할 수 있도록 도와준다. 그동안 인류가 무엇을 관찰한다는 것은 들어오는 빛을 눈이 확인한다는 의미였다. 이후 천체 망원경이 등장하고 현재는 우주 공간에 허블 우주 망원경을 설치하는 등 기술의 발전이 있어 왔지만 어디까지나 인류의 입장에서 관측이란 눈으로 확인한다는 것에서 벗어나지 못했다. 때문에 빛이 닿기 힘들 정도로 멀리 떨어진 곳이나 태양과는 비교도 되지 않을 만큼 커다란 천체 뒤에 있는 별, 빛을 흡수해서 보이지 않는 블랙홀을 관찰한다는 것이 불가능했다. 그러나 블랙홀이나 중성자별이 충돌하면서 생기는 중력파를 측정하는 게 가능해지면서 인류의 관측 개념이 크게 확대되었다.

또한 중력은 우리에게 먼 곳으로 뻗어 나가는 힘을 전달해 주기도 한다. 이미 인류는 목성의 중력을 이용하여 탐사선의 속도를 높이는 스윙바이 기술을 현실화시킨 적이 있다. 그런데 만약 목성과는 비교도 되지 않을 정도로 큰 블랙홀의 중력을 이용해 우주를 항해하는 우주선의 속력을 높일 수 있다면 지구에서 멀리 떨어져 있는 천체까지 이동하는 시간을 줄일 수 있지 않을까? 우리가 블랙홀에 대해 경의와 두려움을 동시에 느끼는 이유는, 빛조차 빨아들일 정도로 강력한 중력을 가져서 눈으로 관측할 수 없는 블랙홀이기에 자칫 잘못 들어가면 절대 빠져나오지 못한다는 점과 안으로 빨려 들어가면 우리 몸이 산산조각 날 수 있다는 사실 때문이다. 그런데 최근 연구 결과에 의하면 블랙홀에서는 호킹 복사 현상이 일어나 입자를 방출하기도 하고, 영화 <인터스텔라>에서 브랜드 박사가 블랙홀로부터 에너지를 얻어 탈출하게 되는 펜로즈 과정이 증명되기도 하는 등 블랙홀을 활용한 방안이 다각도로 연구되고 있다. 더 이상 중력을 이용하는 것이 꿈만 같은 일이 아니라는 것이다. 현실로 다가온 중력의 활용을 우리 청소년이 구현해 낼 수 있도록 도와주기 위해 만든 《중력 쫌 아는 10대》는 용기와 재미를 동시에 제공해 준다.


◇ 더 높은 단계로 도약하는 열띤 과학 토론의 장 <과학 쫌 아는 십대>
‘2015 개정 교육 과정’은 자주적이고 창의적이며 더불어 사는 인간상을 추구한다. 그 가치관 아래 교과별 핵심 개념과 원리를 중심에 두고 인문？사회？과학기술에 대한 기초 소양 교육을 강화하면서 교과 간 통합과 융합 교육을 하는 데 초점을 맞추고 있다.
미래형 인재를 만들려는 이런 교육의 흐름에 맞춰, 풀빛은 지식의 양보다는 핵심이 되는 개념을 선별하고 그것이 어떤 원리로 이루어져 있고 어떻게 적용할 수 있는지를 또렷이 알게 하는 청소년용 과학 시리즈를 기획하였다. 핵심과 원리, 그리고 적용이라는 삼박자에 질문과 토론을 유도하는 인문학적 고찰은 중학생 독자와 현장 교사, 학부모들이 원하는 바이자 과학 공부에 대해 <과학 쫌 아는 십대> 시리즈가 목표하는 분명한 방향이다.
지금까지 첨단 과학기술인 인공지능의 실체를 충분히 나타날 수 있는 현실적인 문제들과 접목해 조목조목 해부한 1번 《인공지능 쫌 아는 10대》를 시작으로, 다채로운 성분으로 가득 차고 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 요소를 통해 세상의 본질을 탐구하는 2번 《물질 쫌 아는 10대》, 일상에서 쉽게 행하는 여덟 가지 소비를 통해 환경에 대한 인식을 환기하는 3번 《환경과 생태 쫌 아는 10대》가 출간되면서 <과학 쫌 아는 십대> 시리즈는 과학적 지식을 우리의 삶과 연결시키는 적극적 노력을 선보였다. 이후 우주 탄생론을 담은 4번 《빅뱅 쫌 아는 10대》와 문명을 일구고 다지는 데 기여한 빛의 세계를 담은 5번 《빛 쫌 아는 10대》, 지구과학, 물리, 화학 분야를 대표하는 물질의 가장 작은 단위인 원소를 중심 삼아 정리한 6번 《원소 쫌 아는 10대》는 우주를 이해하는 데 필요한 기본적인 지식을 소개하는 기틀을 다져 놓았다. 이제부터는 지금까지 정리해 놓은 지식을 활용할 수 있는 단계로 올라설 때이다. 우주에서 나타나는 새롭고 특이한 현상의 원인을 보여 주는 책이 7번 《중력 쫌 아는 10대》이다. 이후 출간될 《전자기 쫌 아는 10대》, 《유전자 쫌 아는 10대》, 《기후 변화 쫌 아는 10대》, 《미래 에너지 쫌 아는 10대》는 물리, 생명과학, 지구과학이라는 자연과학의 가장 기초적이면서 핵심적인 영역을 심화해서 다룰 예정이다.
미래 지향적인 현실 소재에서부터 기초 과학의 토대가 되는 핵심 개념까지 <과학 쫌 아는 십대>는 전방위로 과학을 아우른다. 우리는 이런 지식들을 단순히 정보를 전달하는 데에 그치지 않는다. 그러한 주입식 교육이 더 이상 통하지 않는다는 것은 겪어 본 우리가 더 잘 알고 있고 다음 세대인 청소년을 위해서는 그러한 일이 반복되어서는 안 된다. 지금 필요한 것은 암기가 아닌 이해이다. 삼촌과 이모가 중학생 조카에게 생성 원리는 무엇이고, 어떻게 적용을 하며, 해결되지 않은 과학적 문제는 무엇이고, 야기하는 쟁점은 무엇인지, 결과적으로 우리가 그것을 어떻게 받아들여 해석해야 하는지를 입체적으로 다루는 것이 이 시리즈의 특징이다. <과학 쫌 아는 십대>는 십대의 눈높이에 맞춰 가장 친절하고 가장 쉬운 설명이 핵심이다. 거기에 내용을 풍성하게 하는 사진 자료와 핵심을 파고들되 위트로 무장한 삽화로 처음부터 끝까지 호기심을 잃지 않고 완독할 수 있게 하는 매력을 갖추고 있다. 작은 부분도 놓치지 않고 십대를 위해 내용과 형식에 정성을 다한 <과학 쫌 아는 십대>를 친구처럼 곁에 두기를 제안한다.
뉴턴이 중력을 이해하자 물리학이 탄생했다. 뉴턴이 놓친 것을 아인슈타인이 설명하자 물리학에 혁명이 일어났다. 하지만 아직도 우리는 중력을 완전히 이해하지 못한다. 이 책은 물리학의 가장 매혹적인 주제인 중력을 쉽고도 우아하게 설명한다. 한마디로 멋진 책이다. 물리학과 학생이 읽어도 좋을 만큼 깊은 내용을 다루지만, 10대의 눈높이를 놓치지 않는다. 중력파 연구자 오정근 박사가 또 사고 쳤다.
-김상욱 물리학자 | 《떨림과 울림》 저자

중력을 뛰어넘기 위한 준비운동

중력장에 들어가며 - 중력을 이기는 식빵고양이

1장 뉴턴의 밧줄과 아인슈타인의 그물망
뉴턴이 말하는 힘과 운동 | 밧줄로 연결된 물체들 |
흔들리는 뉴턴의 밧줄과 떠오르는 아인슈타인의 그물망 | 측지선을 따라가자
2장 그물망에서 일어나는 일들
3차원 공간에서 빛의 이동 경로 | 렌즈가 된 중력과 아인슈타인 고리 | 속보: 수성, 아인슈타인 지지 선언!!
3장 그물망에서 일어난 사건을 표현하는 법
피타고라스 소환술! | 벡터를 활용하자 | 곡면에서의 최단거리를 재 보자
4장 단 하나의 방정식
텐서와 곡률 | 등가원리와 관성기준틀 | 누가 감히 시공간을 휘게 하였는가?
5장 별을 노래하는 마음으로
별로 빛나는 우주 | 우주를 이해하기 위한 눈물 나는 노력 | 뭉쳐야 산다! | 별, 우주의 화학공장
6장 버틸 수 없는 중력의 무거움
그런데 그것이 실제로 일어났습니다 | 시대를 앞서간 천재의 비극 | 초신성, 중성자별, 그리고 중력수축
7장 보이지 않지만 존재하는 것
빛이 퍼져 나가는 모습 | 팽이처럼 회전하는 블랙홀 | 블랙홀과 호킹 복사 | 드디어 실현되는 블랙홀의 관측
8장 파도치는 그물망 ？ 중력파
We did it! | Wanted: 중력파 | 색다른 중력파
9장 옳다는 증거들 vs 불완전한 증거들
아인슈타인의 예측력은 우주 제일! | 빛처럼 빠른 중력파 | 특이점의 세계 | 점점 넌 멀어지나 봐
10장 아인슈타인을 넘어서
두 이론이 손잡아야 하는 이유 | 1+1\u003d? | 끊임없는 이론의 발전

중력장을 빠져나오며 ？ 중력을 이용하는 법