2020년 노벨 물리학상 수상자들: 왼편부터 로저 펜로즈, 안드레아 게즈 그리고 라인하트 겐츨 박사
스웨덴 노벨상 위원회는 어제 10월 6일에
2020 노벨 물리학상은 블랙홀을 연구한 펜로즈, 게즈와 겐츨
세 명의 우주 물리학자들에게 수여되었다.
영국의 옥스포드 대학교 수학교수 로저 펜로즈 박사는
아인슈타인의 상대적 이론이 맞다면,
반드시 비중이 어마어마해서 모든 것을 흡수해 버리는 블랙홀의 구조가 존재한다는 것을
수학적으로 증명해 보인 업적을 인정받아서 수상자로 선정되었고,
독일의 맥스 플랭크 우주 물리학 연구소와 미국 버클리 대학교에 출신 라인하트 겐츨 박사와
그리고 미국 출신 안드레아 게즈 박사는 블랙홀이 우리의 은하계 가운데에 존재한다는 것을 믿고,
수 십년간 지속적으로 수많은 증거를 찾는 데에 정진해서
블랙홀이 실제로 존재한다는 것을 입증해 보여 준 업적으로 올해 수상자로 선정되었다.
부상으로 수여되는 상금의 반은 펜로즈 박사에,
그리고 나머지 반은 겐즐박사와 게즈 박사에 반반씩 받게 되었다.
참고로, 안드레아 게즈 박사는 1903년에 마리 큐리, 1963년에 마리아 게퍼트 메이어,
그리고 2018년에 도나 스트릭랜드에 이어서 여성으로서 네번째 노벨 물리학상 수상자가 되었다.
Photo: Pool photo by Fredrik Sandberg
1915년 11월에 발표된 아인슈타인의 일반상대성 이론은
당시만 해도 상상할 수 없는 블랙홀의 존재를 예측했다.
이 이론은 우주 공간에서 직선으로 이동하려는 모든 물체들은
물질과 에너지의 영향으로 생긴 중력에 의해서 이동선이 변경된다는 것을 설명해 준다.
그래서 지구같은 행성들이나 빛 까지도 직선 대신에 곡선으로 이동하게 된다.
하지만 이 이론이 발표되고 몇 달 후에 독일 천문학자인 칼 슈바츠쉴드가
이 이론은 너무도 작고 작은 공간에 너무도 규모가 큰 질량과 에너지가 몰리게 되면
공간-시간마저 한 점으로 붕괴되는 상황은 불가능하고,
일반상대성이론은 물론 다른 물리 이론도 성립되지 않는다고 반박하자
아인슈타인은 일반상대성이론을 철회하게 되었다.
2020년 노벨 물리학상 수상자들의 업적을 간단하게 설명하는 도표
1931년 영국 출생인 수학자 펜로즈 박사는 아인슈타인이 타계한지 10년 뒤인
1965년에 공간과 시간 개념을 일반상대성이론을 입증하는 복잡하고 어려운 수학을 피해서
새로운 방식으로 쉽게 설명해 주는 펜로즈 도표/Penrose diagram을 개발해냈다.
펜로즈 다이어그램/Penrose Diagram
이 펜로즈 도표는 그 후 지금까지 우주론의 공통 언어/Lingua Franca로
널리 사용될 정도로 우주를 설명하는데 중요한 위치를 차지하고 있다.
펜로즈는 이 도표를 통해서 너무도 큰 규모의 질량이 아주 작은 공간에 몰리면,
모든 것이 붕괴하는 현상은 불가피해진다는 것을 입증했다.
그는 이벤트 호라이즌/event horizon이라고 불리는 블랙홀 바깥쪽 가장자리에서는
우주에서 가능한 최고 속도인 빛의 속도보다 빠르게 이동해야만이 블랙홀을 벗어날 수 있기에,
그런 현상은 우주에서 불가능해서, 결국 블랙홀 안으로 빠져 들어갈 수밖에 없게 되고,
블랙홀 안쪽 지점에서는 시간과 공간의 역할이 바뀌면서
모든 곳들의 이동 방향이 아래로 떨어져서 중간 지점에 몰리게 되면서,
비중이 무한대되고, 우리가 이제까지 알고 있던 모든 물리학 이론들이
다 무의미해진다는 것을 입증하게 되었다.
위의 소개된 빛의 원뿔은 빛은 미래(노란색)와 과거를 오갈 수 있다는 것을 보여 준다.
물질이 붕괴되면서 블랙홀을 형성하게 되면
블랙홀의 주위인 이벤트 호라이즌에 다가가는 빛의 원뿔은
안으로 쏠리게 되고, 가운데에 위치한 Singularity 쪽으로 이동하게 된다
하지만 이 현상을 바깥쪽에서 보는 이들에게는
이 빛 원뿔이 이벤트 호라이즌 근처와 그 안에 다다르는 것을 볼 수 없다
그는 블랙홀이 시간의 종말이자, 우주의 종말로 이어지는 관문이라는 것도 이 도표로 보여주었다.
아울러 그는 유명한 펜로즈 타일/Penrose tiles 도 개발한 수학자이기도 하다.
이 타일은 무한대의 바닥을 절대 반복되지 않은 패턴을 사용해서 깔 수 있는 방법을 보여주는 타일이다.
그리고, AI와 의식의 기원에 관한 그의 인습 타파적 견해가 담긴
“The Emperor’s New Mind: Concerning Computers, Minds and the Laws of Physics.”
책 등을 쓴 작가이기도 하다.
펜로즈 타일 방식으로 만들어진 바닥
펜로즈 타일 방식으로 만들어진 건축 조형물
Chadra X-ray Observatory/NASA
현재 천문학자들은 우주는 태양보다 엄청나게 질량이 높은 블랙홀들이 존재한다는 것을 믿고 있으며,
5천5백만 광년 거리에 떨어진 곳에 존재하는 블랙홀의 이미지를 작년에 캡처하는 데 성공했다.
안드레아 게즈 박사는 1965년에 뉴욕에서 태어난 천문학자로
현재 미국 캘리포니아주 UCLA의 교수로 재직하고 있다.
그리고 동화책 'You Can Be a Woman Astronomer/당신도 여성 천문학자가 될 수 있다.'의
공동저자로 작가로도 활동했는데, 노벨 역사상 네 번째로 물리학상을 받게 된 그녀는
수상소감으로 "천문학은 아주 매력적인 분야이고, 과학에 관심과 재능이 있다면,
도전할 가치가 충분히 있으니 나의 수상이 많은 젊은 여성들에게
큰 용기와 감화가 되길 바란다."라고 했다.
라인하트 겐츨 박사는 독일 가르힝에 소재한 우주 물리학 막스 플랭크 기관의 기관장이자,
UC 버클리 대학교의 교수로 재직중이다.
그는 독일의 흑림의 자그마한 도시인 프라이부르크에서 성장했는데,
젊은 시절엔 독일에서 가장 유망한 투창 선수로 주목받아서
1972년 뮨헨 올림픽 대회에 독일 대표 선수로 트레이닝을 받을 정도였다.
겐츨박사와 게즈 박사는 천문학 분야의 노벨상이라고 불리우는 2012 크라푸드 상/Crafoord Prize을
비롯해서 다수의 권위 있는 천문학 상을 수상한 바 있다.
두 천문학자들은 오랫동안 우주를 관찰한 결과 은하계 중간에
4백만 개의 태양에 해당되는 거대한 질량으로 발생된 중력이 있는 블랙홀이 존재해서
은하계 중심 부분에 위치한 별들과 가스들의 위치를 조절한다는 결론에 도달하게 되었다.
2019년 4월에 세계 최초로 캡처한 메시에르 87 (Messier 87) 은하계의 블랙홀
Credit: Horizon Telescope Collaboration
겐츨박사와 게즈 박사는 1990년대 초반부터 각각 다른 천문학 연구팀을 리드해 왔는데,
주로 은하계의 중심에 위치한 궁수자리 별/Sagittarius A* 지역을 중점적으로 연구해 왔다.
겐츨 박사팀에게는 S2, 게즈박사팀은 S0-2라고 불리우는 푸르고 젊은 별을 오랫동안 관측해 온 결과,
아주 가늘고 긴 타원형 궤도를 따라서 눈에는 보이지 않은 아주 무거운 물체에서
약 177억 km 떨어진 거리를 초속 8,000 km이상의 아주 빠른 속도로 지나치는 것을
두 연구팀이 밝혀냈다.
여기에서 멈추지 않고, 그들은 같이 세계에서 가장 큰 망원경을 사용해서
은하계 중간에 존재하는 거대한 구름과 우주 가스를 꿰뚫어서 관측할 수 있는 방법을 개발했다.
그들은 인내심을 잃지않고, 지구의 대기권과 은하계의 구름과 가스로 인해서 발생하는
왜곡현상없이 은하계 중심 지역을 제대로 관측할 수 있는 계기를 개발한 덕분에
은하계 중심에 블랙홀이 존재한다는 신빙성이 높은 증거를 제시해 주었다.
이들의 연구로 우주 전체의 현상을 설명할 수 있는 아인슈타인의 상대성 이론은
빅뱅이나 블랙홀과 주위에서 발생하는 현상을 설명하려면 수정해야 된다는 것이
대부분의 물리학자들이 인정하게 되었다.
