빛과 중력 - 빛은 중력에 의해 휘어진다.
1915년 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 발표합니다.
특수 상대성 이론(1905년 발표)이란 움직이는 관찰자와 정지해 있는 관찰자의 시간과 공간은
상대적으로 다르며 모든 관측자에 대해 빛의 속도는 일정하다는 이론인데
여기게 중력을 포함하고, 질량과 에너지의 존재에 의해 공간과 시간이 휘어진다는
이론이 일반 상대성 이론입니다.
빛은 관찰자의 속도변화와 관계없이 속도가 일정하고 항상 직진을 합니다.
하지만 거대한 중력을 만나면 공간은 휘어지고 빛은 이 공간을 타고 이동합니다.
즉 빛이 휘어지는 것이 아니라 관찰자에 의해 휘어지는 것처럼 보인다는 것입니다.
일상에서는 특별한 매질(물, 유리)이 없는 한 빛은 휘어질 수 없으니
어려운 이론을 자세히 이해할 필요는 없고
아주 먼 우주의 세계에서는 빛이 휘어진다고 했으니
그에 대한 증거를 보고 결과로서 받아들이면 될 것 같습니다.
1919년 영국의 과학자 에딩턴은 아프리카 서부 해안의 작은 섬 프린시페로 들어가서
개기일식이 일어나는 순간 태양 반대편 별의 사진을 촬영하고
원래 위치를 찍은 사진과 비교해 보고 1.75초(1도>1분>1초)가 휘었다고 분석해 냈습니다.
이 이론이 전해지자 한 대학원생이 아인슈타인에게
그 결과가 반대였으면 어떠 했을 것 같으냐고 짓궂게 물었는데 그 대답이 걸작이라고 합니다.
"그러면 신에게 조금 유감이겠지.
이 이론은 옳으니까"
확실히 아인슈타인은 자신의 새로운 중력이론에 대한 자신감이 있었습니다.
에딩턴의 실험은 여러 가지 논란이 많았으나 영국 왕립학회에서 과학적 근거로
인정을 받게 되고 같은 해 11월 더타임스는 아래와 같이 보도합니다.
과학의 혁명 우주의 새 이론
뉴턴의 생각을 뒤집다.
결국 아인슈타인은 1921년 노벨물리학상을 받게 되는데
아이러니하게도 이 때는 광전효과에 대한 업적 때문에 받은 것이었으며
상대성이론은 언급조차 되지 않았다고 합니다.
에딩턴의 관찰은 아인슈타인을 음지에서 양지로 끌어오는 효과는 있었으나
그 변화에 대한 충격을 과학자들은 받아들이기 힘들었던 것 같습니다.
중력 렌즈 효과(Gravitational lensing effect)는
중력의 영향을 받는 빛의 파장이 변화하는 현상을 의미합니다.
강한 중력 영역에 있는 물체는 주변 공간의 구조를 변형시키며,
이는 빛의 경로를 바꿔서 보이는 것을 가능하게 합니다.
예를 들어, 망원경으로 가까운 별이 멀리 떨어진 별에 대해
가운데 있는 별의 중력의 영향을 받아 굴절되어 보이는 것입니다.
이러한 현상은 과학적으로 확인되어 있으며,
중력 파장 변화를 증거로 중력의 존재와 강도를 측정할 수 있는 방법으로도 사용됩니다.
2015년 2월 10일 허블 우주 망원경으로 촬영한 이미지로
중앙에 은하단 SDSS J1038-4849가 있으며 마치 웃는 모습을 보이고 있습니다.
이 현상은 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 증거이며
중력에 의해 빛이 휘어 진다는 증거 이기도 합니다.
1916년 슈바르츠실트 라는 독일의 물리학자는 아인슈타인 방정식의 해를 구하게 됩니다.
그는 이 해를 통해 블랙홀의 존재를 수학적으로 증명한 것입니다.
이 블랙홀은 무한에 가까운 질량을 가지며 그 만큼 공간도 무한히 왜곡되고
빛조차도 탈출 불가능한 천체라는 것입니다.
2014년 11월 [인터스텔라]라는 영화가 대 히트를 하면서
일반인들도 블랙홀에 대한 관심을 많이 일으켰습니다.
과연 정말로 존재할까?
블랙홀을 빛도 빨아들이는 검은 구멍이라 사실상 관측은 불가능 합니다.
그렇지만 슈바르츠실트 해에 의하면 사건의 지평선이 있고
그 주위에 블랙홀의 그림자가 있을 것이며 이것을 관측하려면
지구만한 크기의 관측장비가 필요하다는 결론에 도달합니다.
EHT(Event Horizon Telescope)는 2017년 6개 대륙에 흩어져 있는
8개의 전파망원경을 하나로 연동해 지구 크기의 거대망원경을 연출하였습니다.
목표는 M-87 은하의 중심이며 지구로부터 5,500만 광년 떨어져 있고
태양의 65억배의 질량을 가지고 있는 블랙홀입니다.
결과는 아주 성공적이었으며 상상의 블랙홀의 실제 이미지를 얻게 됩니다.
참고문헌 : EHT가 발표한 최초의 블랙홀 이미지(M87)
참고문헌 : EHT가 발표한 최초의 우리은하 블랙홀
이 블랙홀 이미지들은 역시 아인슈타인의 상대성이론이 정확하다는 결정적 증거가 됩니다.
우주가 넓다고는 하지만 도저히 인간의 머리로는 상상이 안가는 공간입니다.
이러한 공간에서 벌어지는 물리적 현상을 예측하고 계산을 해내는
사람들은 정말 경이롭기만 합니다.