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과학과 놀자

탈출 속도가 빛의 속도가 되는 우주공간 경계선

최근 역주행하고 있는 노래가 있다. 우연히 듣게 되었는데, 가수의 실력도 실력이거니와 가사와 음률이 좋아서 인상에 남았다. 반 아이들과 종업식 날 함께 들을 계획도 세웠다. 가사 중 몇 줄을 적어보자면 다음과 같다.이 노래는 헤어짐을 위로하는 내용인데, 생소한 단어들이 보인다. ‘사건의 지평선 너머로 저기 사라진 별의 자리 아스라이 하얀 빛’과 같이 말이다. 사실 이 곡을 작사, 작곡하고 직접 부른 가수 윤하는 이전부터 꾸준히 천체 물리학적 소재에서 영감을 받아 곡을 만들어왔다. 2007년 발매한 앨범에 포함된 주기마다 나타났다 사라지는 ‘혜성’부터2022년 발매된 앨범에 포함된 블랙홀의 경계선을 일컫는 ‘사건의 지평선’까지 말이다. 특히 ‘사건의 지평선’이 수록된 이번 앨범에는 가상의 혜성 구름이지만 태양계 혜성들의 발생지라고 여겨지는 ‘오르트 구름’, 혜성의 순우리말 표현인 ‘살별’, ‘별의 조각’, ‘하나의 달’, ‘black hole’과 같이 천체 물리에서 따온 비유와 내용이 한가득이다.그럼 ‘사건의 지평선(event horizon)’이란 무엇이며 왜 이 표현을 사용해 헤어짐을 비유한 것일까. 사건의 지평선이라는 용어는 사람들이 가장 많이 알고 있는 물리학자인 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 나온다. 일반 상대성 이론에서 질량은 시공간을 휘게 한다. 이때 질량이 클수록 시공간을 많이 휘게 한다. 질량에 따른 시공간의 휘어짐에 따라 나타나는 힘을 ‘중력(gravity)’이라고 한다. 질량에 의해 휘어진 공간을 물체가 탈출하기 위해서는 일정 이상의 속도가 필요하다. 그 경계가 되는 속도를 ‘

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노벨이 남긴 '유대한 유산'…120년 이어진 세계최고 권위賞

매년 10월 노벨 수상자 이름이 발표됩니다. 세계적 권위를 가진 상이기 때문에 거의 모든 나라들이 발표를 기다립니다. 수상 부문은 6개입니다. 물리, 화학, 생리·의학, 문학, 경제, 평화상이죠. 수상자가 발표되면, 세계 언론들은 앞다퉈 개인과 단체의 업적을 소개합니다. 노벨상은 이제 세계 지성의 축제가 된 듯합니다.노벨상은 스웨덴 발명가 알프레드 노벨(Alfred Nobel·1833~1896)의 유언에 따라 만들어졌습니다. 1901년 첫 수상자를 냈습니다. 벌써 120년이 지났군요. 어떤 상이 100년 이상 지속된다는 것은 신기합니다.노벨상은 노벨이 기부한 재산으로 운영됩니다. 좋은 뜻만으로 상이 만들어지고 유지되긴 어렵습니다. 돈이 드는 것이지요. 노벨 수상자들은 약 1000만크로네(115만달러·13억원 정도)를 받습니다. 수상자가 다수일 경우 상금이 나눠지기도 하지요. 상금도 상금이지만 노벨상이 주는 명예와 권위는 가치로 따지기 힘듭니다. 평생의 업적을 인정받는 것이니까요.노벨은 당대 최고의 부자 중 한 명이었습니다. 그는 다이너마이트를 발명해서 큰 부를 쌓았습니다. 노벨이 다이너마이트를 만들기 전에도 화약은 있었습니다. 문제는 안전하지 않았다는 것이었죠. 사소한 부주의에도 폭발하기 일쑤였어요. 폭약 성분인 니트로글리세린의 성질이 그랬습니다. 노벨은 액체인 니트로글리세린을 규조토에 스며들게 하는 방법으로 고체형 폭약을 만들었습니다. ‘다이너마이트’라는 것이죠. 다이너마이트는 불티나게 팔렸습니다. 탄광, 터널, 건설 등 다이너마이트 사용처는 무궁무진했습니다. 노벨은 스웨덴 이외에 독일, 영국에도 공장을 세웠습니다.그러나 노벨의 발명품은 엉뚱한 곳

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블랙홀 운명 밝혀 노벨물리학상 수상한 펜로즈, 우주 시공간의 전체 기하학적 구조에서 파악

2020년 노벨물리학상 수상자인 로저 펜로즈는 정신과 의사인 아버지와 함께 '펜로즈의 삼각형'<그림1>으로 알려진 비현실적인 도형을 디자인했다. 이 도형들은 상대론을 그림에 담고자 했던 화가 에셔(Escher)와의 교감을 통해 발전해갔다. 펜로즈의 삼각형과 에셔의 판화 '폭포(Waterfall)'<그림2>는 부분을 보면 현실적으로 가능하지만 전체를 보면 구현이 불가능하다. 펜로즈는 이런 불가능한 도형의 기하학적 연구를 확대해 블랙 홀 형성이 우리 우주에서 피할 수 없는 운명임을 밝혔다. 아인슈타인도 부정한 블랙홀의 존재아인슈타인의 일반상대론이 1915년 발표된 직후, 1916년 슈바르츠실트는 ‘구대칭 구조의 블랙홀 해(解)’를 발견했다. 이 해에 의하면 빛도 빠져 나오지 못하는 영역인 사건의 지평선이 존재한다. 그런데 블랙홀 해는 사건의 지평선과 중심에서 무한대로 발산하는 성질을 가지고 있어서 논란의 대상이 됐다. 아인슈타인은 블랙홀의 존재를 부정했고 계산을 통해 블랙홀이 현실적으로 불가능함을 보였다. 상대론으로 우주 시공간의 인식을 바꾼 아인슈타인이지만, 양자역학에 이어 블랙홀의 존재까지 부정한 것이다.그런데, 아인슈타인의 계산은 몇 가지 잘못된 가정에서 출발했다. 별이 블랙홀로 수축하지 않고, 유한한 밀도를 가진 평형 상태에서 멈출 것이라고 가정한 것이다. 슈바르츠실트 해에 의하면 태양이 반경 3㎞ 이내로 압축되면 블랙홀이 되고, 지구가 반경 9㎜ 이내로 압축되면 블랙홀이 되는데, 당시 상식으로는 상상할 수 없는 현상이었기 때문이다. 압축되기 전에 다른 안정된 상태에서 멈추는 것이 훨씬 자연스러워 보였을 것이다. 펜로즈,

과학과 놀자

'0과 1의 불확정성' 토대로 양자역학은 새 정보기술 제공할 것

조지 소로스의 회사 이름이 퀀텀펀드이고, 혁신적인 발전을 '퀀텀 리프' 또는 '양자 도약'이라고 해 비즈니스에 '퀀텀' 또는 '양자'라는 용어가 쓰인 지는 꽤 됐다. 얼마 전에는 "검찰개혁은 양자역학이라도 동원해야 이해가 되느냐"는 말까지 나왔다. 이해하기 어려운 것의 대명사로 양자역학 또는 양자물리학이 등장한 셈이다. 필자는 1990년대에 근무하던 연구소에서 양자컴퓨터와 양자암호통신 연구를 시작하자고 제안했지만, "양자가 무엇이냐"고 질문하는 사장님을 설득할 수 없었다.우리나라는 물론 한자 종주국인 중국조차 일본 학자들이 만든 한자 번역어를 많이 쓰는데, 동음이의어로 인한 혼란이 자주 뒤따른다. 한글로 ‘양자’라고 쓰면 언뜻 양자회담의 양자(兩者)나 입양한 양자(養子)가 우선 떠오른다. 일본 서적을 많이 읽는 사람들이 우리 한자음 ‘양자’로 기억하는 일본 물리학 용어에도 양자(陽子)가 있다. 이는 수소원자의 핵인 프로톤(proton)으로 우리나라에서는 양성자(陽性子), 중국에서는 질자(質子)라고 한다. 양자역학의 양자는 퀀텀(quantum)의 번역어인 ‘量子’다. 한·중·일 모두 같은 한자 표기를 쓴다. 자연의 원리 설명하는 궁극의 이론양자역학은 1900년 독일의 막스 플랑크에 의해 시작됐다. 플랑크가 대학에서 물리학을 공부하고 싶다고 하자 그의 지도교수는 이제 물리학은 거의 완성된 학문이라 앞으로 별로 할 것이 없다고 했다. 그렇지만 온도가 올라갈수록 금속이 처음에는 붉게 빛나다가, 노랗게 그리고 하얗게 변하는 흑체복사 현상을 이전의 고전물리학으로는 설명할 수 없었다. 플랑크는 빛이 가진