제 7장: 일반 상대성 이론의 실험적 검증

이전 장에서는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 중력, 공간 및 시간에 대한 이해를 근본적으로 바꾼 것을 알아보았습니다. 이 이론은 별빛의 태양에 의한 구부러짐, 수성 궤도의 접선의 전진, 그리고 빛의 중력적 적색편이와 같은 뉴턴 중력과 다른 일련의 놀라운 예측들을 제시합니다. 이 장에서는 이러한 예측들을 자세히 살펴보고, 일반 상대성 이론을 테스트하는 지난 세기 동안 축적된 관측적 증거를 조사해보겠습니다. 우리는 아인슈타인 자신이 제안한 세 가지 "고전적 실험"으로 시작한 다음 중력 렌즈링, 중력파, 그리고 블랙홀과 같은 현대적인 실험으로 넘어갈 것입니다. 우리가 볼 것처럼, 일반 상대성 이론은 모든 실험에서 훌륭한 성공을 거두었고, 현재까지 우리들의 최고의 중력 이론으로 자리잡아왔습니다.

세 가지 고전적 실험

아인슈타인이 1915년에 일반 상대성 이론을 발표한 직후에는 그 이론을 확인하거나 반증할 수 있는 세 가지 관측적 실험을 제안했습니다. 이 실험들은 일반 상대성 이론의 "고전적 실험"으로 알려지게 된 것입니다. 이들 실험은 다음과 같습니다:

1. 수성의 전진점 이동
2. 태양에 의한 별빛의 굴절
3. 빛의 중력적 적색편이

위의 실험들을 하나씩 살펴보겠습니다.

수성의 전진점 이동

수성은 태양 주위를 매우 긴 타원 궤도를 따라 돌고 있으며, 가장 가까운 지점(전진점)은 각 궤도마다 약간의 전진을 합니다. 뉴턴 중력에 따르면 이 전진은 다른 행성들의 중력적 요인으로 완전히 설명될 수 있습니다. 그러나 19세기 말 정밀한 관측 결과는 수성의 전진점이 뉴턴의 이론에서 예측한 것보다 세기당 약 43 아크초 더 많이 전진하는 것으로 나타났습니다.

이 이상현상은 수십 년간 천문학자들에게 수수께끼로 남았으며, 어떤 사람들은 이를 설명하기 위해 태양 근처의 보이지 않는 행성("블루컨") 존재를 제안하기도 했습니다. 그러나 1915년에 아인슈타인은 자신의 일반 상대성 이론이 수성의 초과 전진을 자연스럽게 설명한다는 것을 밝혀냈습니다. 일반 상대성 이론에 따르면 태양 주위의 시공간의 곡률은 수성의 궤도가 세기당 추가적으로 43 아크초 전진하도록 만듭니다. 이는 관측 결과와 완벽히 일치합니다.

이는 아인슈타인 이론의 큰 성공이었습니다. 이는 오랜 수수께끼를 설명하고 시공간의 곡률의 존재를 강력한 증거로 제시했습니다. 오늘날에는 수성의 전진점 이동이 일반 상대성 이론의 중요한 관측적 기둥으로 간주됩니다.

태양에 의한 별빛의 굴절

일반 상대성 이론의 또 다른 예측은 별빛이 중력장에 의해 굴절된다는 것입니다. 이 이론에 따르면 태양 근처에서 지나가는 한 줄기의 별빛은 작은 각도만큼 굴절되며, 굴절은 뉴턴 중력의 예측보다 두 배 크게 일어납니다.

아인슈타인은 이 효과가 태양식 일식 중에 테스트될 수 있다고 깨달았습니다. 태양 근처의 별들이 어둡게 된 주간 하늘에서 가시적이 되기 때문에 일식 중 별들의 표면상 위치를 이반 상황에서의 위치와 비교함으로써 천문학자들은 굴절을 측정할 수 있으며, 그것이 일반 상대성 이론의 예측과 일치하는지 확인할 수 있습니다.

이 효과를 측정하기 위한 첫 번째 시도는 아서 에딩턴이 이끄는 두 가지 원정에 의해 1919년 태양식 일식 중에 이루어졌습니다. 하나의 팀은 아프리카 앞 바다에 있는 프린시페 섬으로 이동했고, 다른 팀은 브라질의 소브랄로 갔습니다. 날씨와 장비의 어려움에도 불구하고, 두 팀 모두 일식을 사진으로 찍고 별들의 위치를 측정하는 데 성공했습니다.

결과를 분석한 결과, 별빛이 태양에 의해 굴절되었으며, 그 크기가 아인슈타인의 예측과 근접함을 보여주었습니다. 이 소식은 전 세계에서 기사 제목을 석권하며, 아인슈타인을 국제적인 명성으로 떠올렸습니다. 태양에 의한 별빛의 굴절은 일반 상대성 이론과 곡률된 시공간의 존재를 효과적으로 확인한 것으로 여겨졌습니다.

1919년 이후, 빛의 굴절 실험은 광학 망원경 뿐만 아니라 레이디오 망원경을 사용하여 계속해서 더 정밀한 측정이 이루어졌습니다. 가장 정확한 측정은 매우 장기간 베이스 라인 인터페로미터리 (VLBI)을 사용하여 일반 상대성 이론을 0.02%까지 실증하였습니다.

빛의 중력적 적색편이

일반 상대성 이론의 세 번째 고전적 실험은 빛의 중력적 적색편이에 관한 것입니다. 일반 상대성 이론에 따르면 중력장에서 방출되는 빛은(즉, 파장이 증가함) 잠재적 우물에서 벗어나면 적색편이됩니다. 중력장이 강할수록 적색의 크기는 커집니다.

아인슈타인은 이 효과를 태양의 스펙트럼선에서 측정할 수 있다고 제안했습니다. 태양 대기의 원자에서 방출되는 빛은 지구의 실험실에서 동일한 선들이 생산되는 것과 비교하여 약간 적색되어야 하는데, 이것은 태양의 강력한 중력장 때문입니다.

이 중력적 적색편이를 측정하는 것은 매우 정밀한 분광학과 다른 스펙트럼선을 이동시킬 수 있는 다른 효과(태양의 회전에서의 도플러 이동과 같은)로 인해 매우 어려웠습니다. 첫 번째 성공적인 측정은 1925년 월터 애담스가 Mount Wilson 천문대의 100인치 망원경에서 스펙트로그래프를 사용하여 수행되었습니다. 애담스는 아인슈타인의 예측과 일치하는 중력적 적색편이를 발견했지만, 상당한 불확실성을 함께 보였습니다.

이후로도 매우 정밀한 실험, 분광계, 원자시계를 사용하여 중력적 적색편이에 대한 보다 정확한 실험이 이루어졌습니다. 1960년대에는 로버트 파운드와 글렌 레브카가 하버드 대학교의 22미터 탑을 오르내리면서 감마 선의 적색편이를 측정하여 GR을 1% 정도의 정확도로 확인했습니다. 나중에는 로켓에 탑승한 수소 메이저 시계를 사용한 실험에서 적색편이를 10^5 분의 몇 부분 내지 하는 정밀도로 확인했습니다. 중력적 레드시프트는 일반상대성이론의 중요한 실험이자 지구의 중력으로 인한 중요한 문제인 GPS 위성에 대한 것이다. 이 효과를 보정하지 않으면, GPS 네비게이션은 매일 몇 킬로미터 정도 오차가 발생하게 될 것이다.

일반상대성이론의 현대적인 실험

세 가지 고전적인 실험은 일반상대성이론에 대한 강력한 증거를 제시해 주었지만, 이론이 발표된 이후 백년 동안 많은 실험들이 고안되어 수행되었다. 이러한 최신 실험은 GR을 새롭고 극단적인 환경에서 조사하며, 아인슈타인 시대에는 상상할 수 없었던 고급 기술을 활용하고 있다.

중력 렌즈 효과

일반상대성이론의 가장 두드러진 예측 중 하나는 중력 렌즈 효과이다. 유리 렌즈가 빛을 통과하는 동안 굴절시키듯이, 거대한 물체(은하 또는 은하 집단과 같은)는 배경 광원의 빛의 경로를 굴절시켜 "중력 렌즈" 역할을 한다.

중력 렌즈 효과에는 세 가지 주요한 영역이 있다:

1. 강한 렌즈 효과: 이는 렌즈가 충분히 크고 충분히 잘 정렬되어 배경 광원의 여러 이미지, 아크, 또는 링을 만들 수 있는 경우에 발생한다. 첫 번째 강한 렌즈는 1979년에 발견되었으며, 두 개의 이미지로 나타난 동일한 퀘이사의 배경에서 렌즈로 작용하는 전경 은하에 의해 굴절된 퀘이사였다. 지금은 수백 개의 강한 렌즈가 알려져 있으며, 이는 어둡게된 물질의 분포를 지도하고 GR을 킬로파섹 단위로 테스트하는 방법을 제공한다.

2. 약한 렌즈 효과: 이는 렌즈 효과를 일으키는 물질의 질량이 여러 이미지를 생성하기에 충분히 강하지 못하지만, 여전히 배경 은하들의 모양을 왜곡하는 효과이다. 천문학자들은 하늘의 큰 영역에서 이러한 모양 왜곡을 통계적으로 분석함으로써 우주의 대규모 구조를 지도하고, 우주론에 대한 GR을 테스트할 수 있다. 약한 렌즈 효과는 최근 몇 년 동안 우주론의 주요한 조사인 어둠의 에너지 조사와 킬로-Degree 조사와 같은 주요 조사들이 점점 정밀한 측정을 제공함으로써 중요한 조사가 되었다.

3. 마이크로렌즈 효과: 이는 압축된 물체(별 또는 행성과 같은)가 배경 별 앞을 통과함으로써 후자가 임시적으로 밝아지는 렌즈 효과에 발생한다. 마이크로렌즈는 외계 행성의 발견과 은하 내 블랙홀 및 기타 어두운 물체의 인구를 조사하는 데 사용되었다. 또한 항성 척도에서 GR을 테스트하는 정보를 제공한다.

중력 렌즈 효과는 GR에 대한 몇몇 놀라운 검증을 제공해 왔다. 관찰된 렌즈 시스템의 수, 분포 및 특성은 GR의 예측과 훌륭한 일치를 보여주며, 대체되는 중력 이론에 대한 엄격한 제약 조건을 제공한다.

중력파

최근 몇 년 동안 일반상대성이론을 테스트하는 가장 흥미로운 발전은 중력파의 직접 검출이었다. 중력파는 가속하여 진행되는 질량에 의해 생성되며, 빛의 속도로 외부로 전파되는 시공의 주름이다. 아인슈타인은 1916년에 중력파의 존재를 예측했지만, 그들의 극히 작은 진폭으로 인해 중력파가 결코 검출될 수 없을 것이라고 의심했다.

100년이 지난 후, 레이저 간섭 중력파 관측소(LIGO)는 통과 중력파로 인해 발생하는 미약한 시공 왜곡을 측정하는 데 성공했다. 2015년 9월 첫 번째 검출은 약 13억 광년 거리에 위치한 두 개의 블랙홀이 합쳐지면서 생성되었다. 관측된 파형은 일반상대성이론의 예측과 일치하여 몇 퍼센트 내외의 정밀도를 제공하였다. 이는 강장, 고속 범위에서 이론의 놀라운 확인을 제공한다.

그 이후로, LIGO와 그의 유럽 상대인 버고는 수십 개의 중력파 사건을 검출했다. 이에는 이진 블랙홀, 이진 중성자 별, 심지어 중성자 별-블랙홀 병합 등이 포함되었다. 각 사건은 극한 환경에서 GR을 테스트하는 새로운 기회를 제공하였으며, 지금까지 그 이론은 뛰어난 성과를 보여주고 있다.

중력파 천문학은 전자기 복사선으로는 보이지 않는 영역과 사건을 조사할 수 있게 해주는 새로운 창을 열었다. 또한 블랙홀의 존재, 중력파의 속도로의 전파, "머리카락이 없다"는 정리(블랙홀은 질량, 전하 및 회전으로 완전히 특성화되는 것을 의미)와 같은 주요 예측을 확인하는데 있어서 가장 엄격한 GR 테스트를 제공하였다.

블랙홀에 대한 관측적 증거

블랙홀은 아마도 일반상대성이론의 가장 극단적이고 수수께끼스러운 예측일 것이다. 이들은 공간시간의 곡률이 너무 강력하여 빛을 포함한 어떤 것도 사건 지평선 내에서 벗어날 수 없는 영역이다. 블랙홀은 아인슈타인의 방정식의 직접적인 결과지만 많은 시간 동안 수학적 호기심에 지나치지 않은 물리적인 현실로 간주되었다.

하지만 오늘날, 블랙홀의 존재에 대한 압도적인 관측적 증거가 있다. 이 증거는 여러 가지 다른 조사 방법에서 얻어진다:

1. X선 이중성: 이는 블랙홀이나 중성자 별이 동반자 별로부터 물질을 끌어당기는 시스템들이다. 물질이 나설 때 마다 온도가 상승하고 나선 궤도를 그리면서 X선을 방출하며, 이는 망원경에 의해 감지될 수 있다. 특히 빠른 변동성과 높은 에너지로 이어지는 X선 방출의 특성은 블랙홀과 같은 조밀한 물체의 존재에 대한 강력한 증거를 제공한다.

2. 초대질량 블랙홀: 우리 은하계를 포함한 대부분의 은하 중심에는 태양의 수백만에서 수십억배나 더 무겁고 조밀한 물체들이 있다. 이러한 객체들은 별들의 집단 또는 다른 알려진 객체들로는 설명하기에는 너무 무거우며 조밀하며, 그들의 특징은 초대질량 블랙홀로 예상되는 것과 일치한다. 최고의 증거는 은하 중심에 공전하는 별들의 관측에서 얻어지는데, 이는 천문학자들이 중심 물체의 질량과 크기를 매우 정밀하게 측정할 수 있게 되었다.

3. 중력파: 앞서 언급한대로 LIGO와 Virgo에 의해 검출된 중력파 신호는 합체하는 흑홀의 예측과 일치합니다. 이 신호로 유추된 질량, 회전력 및 기타 속성은 흑홀과 중성자성 등 다른 조밀한 물체와 일치하지 않습니다.

4. 이벤트 호라이즌 망원경: 2019년에 이벤트 호라이즌 망원경 공동 연구에서 첫 번째 직접적인 흑홀 영상을 공개했습니다. 세계의 라디오 망원경을 연결하여 지구 크기의 가상 망원경을 구축함으로써, M87 은하 중심의 초거대 흑홀의 사건 지평선을 해결할 수 있었습니다. 관측된 흑홀 그림자의 크기와 모양은 일반 상대성 이론의 예측과 일치하여, 이론의 놀라운 시각적인 확인을 제공하였습니다.

흑홀에 대한 관측적인 증거는 지금까지 강력하여, 그 존재를 거의 확실시할 수 있습니다. 흑홀은 강한 곡률과 높은 속도 영역에서 이론을 탐사하여 일반 상대성 이론의 가장 극단적인 테스트를 제공합니다. 지금까지 일반 상대성 이론은 이러한 모든 테스트를 통과하여, 우리에게 가장 우수한 중력 이론임을 더욱 확고히 하였습니다.

결론

일세기가 지난 지금도, 일반 상대성 이론은 우리가 가장 정확하고 검증된 중력 이론입니다. 아인슈타인이 제안한 고전적인 실험으로부터 중력파와 흑홀의 신경 써마루 관측까지, 이 이론은 점점 더 정밀하고 엄격한 실험과 관측에 노출되었고, 매번 승리하였습니다.

일반 상대성 이론의 확인은 단지 이론 자체에 대한 승리뿐만 아니라, 과학적인 방법론 전체에 대한 성공입니다. 일반 상대성 이론은 뉴턴 중력과 상식과는 대조적인 다양하고 역설적인 예측을 했습니다. 그렇지만 이러한 예측들은 신중하게 설계된 실험과 관측에 의해 검증됨으로써 올바름을 입증했습니다. 이것이 과학의 본질입니다: 테스트 가능한 예측을 만들고,자연이 진리의 궁극적인 심판자가 되게 하는 것입니다.

물론, 어떤 과학적인 이론도 완전하거나 최종적이지 않습니다. 아직도 많은 미해결 질문과 답이 없는 문제들이 남아 있습니다.