우리 우주의 중력이 4차원 외에 다른 차원으로 새지 않는다는 흥미로운 연구가 나왔다. 

이로써 4차원의 우주 중력문제를 다룬 일반상대성이론이 옳았음이 다시 한 번 입증되었다. 만약 중력이 다른 여분의 차원(존재가 확인되지는 않았지만)이 존재하고, 거기로 중력이 샌다면 아인슈타인의 중력이론인 일반상대성이론은 틀린 것이 된다. 하지만 여분의 차원이 이론적으로 제기된 이상 과학자들은 일반상대성이론을 검증하려는 시도를 포기하지 않을 것으로 보인다.

이번 연구는 미국 레이저간섭계중력파관측소(LIGO)의 연구팀이 중성자별 간의 충돌로 인해 발생한 중력파와 빛이 지구에 도달할 때까지 감소한 양을 비교하여 결론을 도출했다고 미국의 과학전문매체 Sciencealert가 최근 보도했다. 해당 논문은 현재 출판 전 공유사이트 arXiv에 게재되어 동료 평가를 기다리고 있다.

차원 간 중력이 샐 수 있다는 주장은 우리 우주의 4차원 외에 추가적인 차원들이 있다는 주장에 기반한다. 일반상대성이론은 세 개의 공간 차원과 한 개의 시간 차원을 합친 4차원의 시공간(spacetime)만을 다룬다. 그 이상의 다차원이나 평행우주 등은 언급하지 않는다.

만약 아인슈타인이 일반상대성이론에서 전제한 4차원 이상의 차원들이 존재한다면 중력파를 통해 그 존재 여부를 알 수 있을 것이라는 주장이 일부 물리학자들에 의해 제기됐다. 우주에 중력이 존재하는 한 어떤 차원에서도 중력은 존재할 것이기 때문이다. 이에 따라 국제 LIGO 협력팀이 꾸려져 이 문제와 더불어 여러 중력파 기반의 실험을 통해 일반상대성이론을 검증을 시도한 것이다.

우리가 아는 시공간에서는 중력과 빛이 모두 존재한다. 하지만 여분의 차원이 존재하는 5차원이나 6차원, 7차원 등에서는 중력과 빛이 공존하는 것이 아니라 중력은 존재하고 빛은 존재하지 않을 수 있다. 그리고 이론상으로 거대한 천체 간 충돌로 인해 발생한 중력파가 시공간을 물결처럼 퍼져나갈 때 중력의 일부가 다른 차원들로 샐 수 있다.

다행히도 이를 확인하는 건 비교적 단순한 실험이다. 연구팀은 이에 완벽한 천문학적 신호를 포착했다. 바로 GW170817이다. 2017년 8월 17일에 포착한 것으로 두 중성자별의 충돌로 인해 발생한 중력파 신호에 붙여진 이름이다.

GW170817은 굉장히 큰 사건이었다. 천문학자들이 LIGO를 사용해서 중력파가 발생하는 지점을 처음으로 지목하자마자 전 세계의 모든 천문대들은 그 지역을 향해 망원경을 돌렸다. 처음으로 천문학자들은 중성자 별 두 개가 충돌하는 것을 관측할 수 있었을 뿐만 아니라 수많은 천문대들이 하나의 사건에 집중한 덕에 그들은 하나의 사건에 대해 유래를 찾기 힘들 정도의 많은 데이터를 모을 수 있었다. 이는 후속 연구를 위한 보물단지와도 같다.

GW170817 관측을 통해 빛과 중력파가 같은 속도로 전파한다는 것도 증명되었다. 연구자들은 중력이 알 수 없는 차원으로 새어나가는 동안에 빛은 새지 않는다면 그 둘이 지구의 관측소까지 도달했을 때 그 감소량의 차이가 발생할 것이라고 예측했다.

하지만 그런 일은 일어나지 않았다. 둘의 세기의 비율은 전후가 일정했다. 일반상대성이론은 다시 한 번 옳음이 증명된 셈이다. 일반상대성이론에서는 중력파가 빛의 속도와 꼭같이 전파된다고 규정하고 있기 때문이다. 이 실험에서도 그러했고 동시에 GW170817을 사용한 다른 실험들에 의해서도 일반상대성이론이 옳은 것으로 나왔다.

우리 우주의 중력이 우리가 알지도 못하는 다른 차원으로 새고 있지 않다는 사실은 큰 위안이 된다. 물론 혹시 중력이 몽땅 새어버려서 무중력 상태에서 겪을 수많은 건강 문제들도 걱정될 수 있지만 그런 것보다는 이론적인 난문제가 예상되기 때문이다.

이번 논문은 아직 다른 물리학자의 평가를 기다리는 상태이지만 그 결론은 현재까지 얻은 다른 일반상대성이론 테스트 결과들과 일치한다.

일반상대성이론은 검증에 검증을 거쳤지만 버텨냈다. 하지만 과학자들은 여전히 일반상대성 이론이 틀렸다는 것을 증명하고 싶어한다. 그런 날이 만약에 온다면 엄청난 사건이겠지만 여태까지는 그런 시도를 할 때마다 일반상대성이론이 옳다는 것을 확인하고, 우리 우주에 대해 조금씩 더 알게 되었을 뿐이다.

연구자들은 “LIGO에서 앞으로 더 많은 중성자별 간, 혹은 블랙홀 간의 충돌을 탐지할 수 있을 것”이라며 “이들 정보를 통해 오차의 한계를 더욱 좁힘으로써 일반상대성이론 약점의 증거를 찾게 될지도 모른다”고 말했다.

# 기사출처 : Sciencealert ,Our Universe’s Gravity Isn’t Leaking into Other Dimensions, Physicists Find / arXiv : Tests of General Relativity with GW170817

<'우주관 오디세이' 저자·인저리타임 편집위원장>(번역 도움 : 권기현 일본 도호쿠대학 화학과 졸업)

인저리타임 조송현 pinepines@daum.net 조송현의 기사 더보기

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