[작성자:] snowall

*이 글은 굉장히 정제되지 않은 상태이다.

광학 실험에서 레이저를 정렬하는 것은 굉장히 기초적인 기술이다. 그런데 너무 쉽다는 이유로 아무도 안 가르쳐주는데다가, 실제로 해보면 손기술이 많이 들어가기 때문에 처음 해보는 입장에서는 굉장히 곤란하다.

가령, 레이저의 파장, 에너지, 펄스 길이 등에 따라 사용해야 하는 보안경이 달라지는데 뭘 어떻게 선택해야 하는지. 이것들은 레이저 카탈로그를 굉장히 주의깊게 읽으면 알 수 있지만 그만큼 요약해서 적혀 있는 문서는 적은 편이다.

레이저 정렬의 기본은 거울을 이용하는 것인데, 반사법칙을 이용해서 레이저가 원하는 두 지점을 지나가도록 하는 것이다. 3차원 공간에서 점 두개를 찍으면, 그 점 두개는 직선을 하나 결정한다. 레이저 빔 정렬의 목표는 레이저의 경로가 이 직선과 일치하도록 만드는 것이다.

레이저 정렬용 거울은 보통 평면 거울을 이용한다. 평면 거울은 레이저 빔이 맞은 위치에서 반사법칙에 따라 빛을 반사시키고, 거울의 어느 위치에 맞느냐는 중요하지 않다. 그러므로 레이저 빛을 거울에 넣고 반사시킨 다음, 거울의 방향을 조절하면 원하는 위치로 가도록 만들 수 있다. 거울 하나를 이용해서 레이저의 방향을 조절하다보면 원하는 직선을 결정하는 두 점 중에서 하나를 통과시킬 수 있다는 걸 알 수 있다. 따라서 두 점을 모두 통과시키려면 거울은 두장 필요하다.

렌즈, 빔 크기 조절, 평행광 만들기, 빔 클리닝, 포물면 거울 정렬, 비축 포물면 거울 정렬, 프리즘 정렬, 회절격자 정렬, 편광기 정렬, 파장판 정렬.

이번 시간에 읽어본 책은 이해청이 지은 물리학에 대한 철학적 고찰이다. 참고로 이 분은 그 전설의 마도서 “광자원소론”의 저자이다. 그리고 이 책의 2장이 광자원소론에 대한 내용으로 채워져 있다.

흔히 이런 종류의 책들이 그렇듯이, 양자역학과 상대성이론이 어떻게 틀렸는지를 고찰하고 있다. 뉴턴 역학이 진리이고, 물리학자들은 뉴턴을 싫어하기 때문에 양자역학과 상대론을 지지하는 것일 뿐이라고 한다. 빛의 파동성은 허구이며 입자성만을 갖고 있다고 한다. 토마스 영의 이중 슬릿 간섭 실험은 잘못 해석한 결과이며 빛은 입자인 것이 맞다고 한다. 그리고 우주에서 물질의 제한속도는 초속 2000킬로미터로 제한된다고 한다. 전자와 광자는 크기가 있으며, 블랙홀과 전자의 밀도가 같다고 한다. 차근차근 한줄씩 읽다보면 이걸 내가 왜 읽고 있는지 자괴감이 들 정도로 틀린 말들이 적혀 있다.

저자는 이 책에서 광자원소론이라는 새로운 물리학 이론을 주장하고 있는데, 이로부터 유도되는 그 어떤 새로운 결과도 없다. 이 이론이 설명할 수 있는 현상은 겨우 100년 전의 광학이나 물리학 정도이고, 그 이후에 새로 발견되어서 현재 연구되고 있는 것들은 하나도 설명할 수 없다. 가령, 양자얽힘이라든가 입자가속기에서 일어난 실험에 대해서는 하나도 모르는 것이다.

이 책의 추천사를 쓴 조경철 박사는 추천사에서 “이 우주론이 틀렸다고 말할 수 있는 재료가 우리들 물리학자들에게는 없다”고 하고 있다. 아니다. 이 이론은 틀렸다고 분명히 말할 수 있고, 수없이 쌓인 실험적 증거와 논문이 그 근거이다.

물리학 공부를 정석으로 하지 않고 물리학 이론을 펼치는 경우 이상한 결론을 내게 된다. 가령, 이 책에서는 양자역학에 따르면 에너지가 양자화 되어 있기 때문에 양자역학 이론을 정립하면서 무한소를 생각해야 하는 미분과 적분을 사용한다면 논리적 오류라고 한다. 물론 그럴리가 없으며, 물리학 이론에서 미분과 적분을 사용해야 하는 이유와 에너지가 양자화 되어 있는 이유는 아무런 관련이 없기 때문에 아무 문제가 없다.

이 책을 각 잡고 읽으면서 각 장, 각 절, 각 문장마다 뭐가 틀렸는지 적어보는 것도 재밌겠지만, 그렇게 해봐야 누가 돈을 주는 것도 아니고 이 책의 저자가 읽어줄 것도 아니므로 그만두도록 하겠다.

책은 시간을 들여서 읽어야 하기 때문에, 어떤 책을 골라서 읽느냐는 자신의 소중한 시간을 어떻게 소비하느냐를 정하는 중요한 작업 중 하나이다. 그렇다면 자기가 읽을 책은 어떻게 골라야 할까? 사람마다 책을 고르는 기준은 다들 다를 수 있으며, 어느 기준이 가장 좋다고 말할 수 없다. 다만 내가 책을 고르는 기준이 다음과 같다.

1. 책은 내가 읽고 싶은 주제여야 한다. 내가 읽고 싶지 않은 책을 골라서 읽는 것 만큼 지루하고 힘든 일은 드물다. 물론 직업이 책을 읽고 서평을 쓰는 평론가라면 입금이 될 때 마다 읽고 싶은 책이 생기겠지만, 평론을 직업으로 삼는 사람이 아니라면 자신이 읽고 싶은 책을 골라서 읽는 것이 좋다.
2. 제목, 표지 디자인, 편집 디자인, 제본 등이 예쁜 것이 좋다. 그런 책이 내용까지 마음에 든다면 가장 좋겠지만, 적어도 책꽂이에 꽂았을 때, 그리고 책꽂이에서 뽑았을 때 읽고 싶은 마음이 든다면 행복하지 않을까?
3. 저자의 이름을 보고 고르는 경우도 있다. 나같은 경우, 미하엘 엔데, 마틴 가드너, 움베르토 에코의 책은 그냥 사거나 읽는다.

불치병은 없다
이번에는 “불치병은 없다(이상구 저)”를 읽어보았다. 이 책은 제목과는 달리 심각한 위험이 있는 마도서는 아니다. 물론 가벼운 위험은 있다. 이 책의 주제는 암, 당뇨, 백혈병, 등등과 같은 불치병, 또는 난치병이라고 불리우는 질병에 대해서 식단조절과 운동의 중요성을 강조하고 있다. 식단에 대해서는 실제로 식단표와 요리방법을 설명하고 있고, 운동에 대해서도 구체적으로 어떻게 운동하면 되는지 설명하고 있어서 건강에 도움이 될 만한 부분이 있다. 저자가 주장하는 바에 의하면 이와 같은 방법을 통해서 면역력과 건강을 되찾는 방법을 사용하면 불치병을 낫게 할 수 있다고 한다. 하지만 이와 같은 방법이 저자가 주장하는대로 모든 불치병에 대해서 효과가 있었다면, 이 방법은 이런 교양 서적에 나올 내용이 아니라 실제 병원에서 임상실험을 거쳐서 널리 사용되는 표준화된 치료법이 되어야 할 것이다. 하지만, 이 책이 출판된지 20년이 지난 지금까지도 그렇지 않다는 것은, 이 책의 내용과는 달리 이 방법들이 불치병에 대해서 의학적으로 검증되지 않았음을 뜻한다.

물론 균형잡힌 식단과 규칙적인 운동은 건강을 유지하는데 매우 중요하며, 이 책의 전반적인 내용은 이런 생활습관을 실천하라는 것이므로 틀린 말은 아니다. 문제는 이런 생활 습관의 개선으로 불치병을 “충분히” 낫게 할 수 있다는 주장이다.

저자의 약력을 보면 의대 출신으로, 내과 전문의이고 알러지 전문의 과정을 수료한 것으로 되어 있다. 그렇다면 의사로서 의학 학술지에서 이 책에 나온 것과 같은 주장을 뒷받침할 근거들을 찾을 수 있었을 텐데, 학술적인 근거는 전혀 없다. 심지어 다른 문헌적인 근거는 전혀 없다. 이 책에서 나온 근거 자료는 실제로 병을 고친 사람들의 수기인데, 이것은 이 책에 나온 생활습관을 시행한 사람들이 병이 나았다는 것은 알 수 있지만, 그 둘 사이에 상관관계가 있는지, 인과관계가 있는지, 모든 사람에게 적용할 수 있는지 등등에 대해 알 수는 없다.

책 내용의 생명과학적인 측면에 대해서는 별로 언급하고 싶지 않다. 유전자와 세포를 의인화 해서 설명하고 있는데, 일반생물학 수준에서도 지적할 수 있는 부분들이 많아서 일일이 지적할 수가 없다.

아무튼, 건강을 위해서 균형잡힌 식단과 규칙적인 운동은 몸에 좋다. 그 외에 이 책에서 건질만한 내용은 없다.

마도서 리뷰를 하다보면 여러 분야의 책들을 보게 되는데, 사실 물리학이나 철학 계열의 마도서인 경우 실생활에 별다른 영향을 주지 않기 때문에 유쾌하게 웃으면서 읽을 수 있다. 하지만 생물학이나 의학 관련 계열인 경우, 진지하게 받아들일 경우 사람의 목숨이 달라질 수도 있기 때문에 그다지 유쾌하지 않다.

‘아프면 낫는다(공동철 저)’의 경우도 마찬가지인데, 전기공학을 전공하고 발전소, 석유화학 관련 업계에서 수십년간 일한 저자가 의학에 대해 이야기하고 있는 책이다. 그것은 다시 말해서, 이 책에 나온 이야기가 설령 맞는 말이라고 하더라도 믿어서는 안된다는 뜻이다.

이 책의 내용을 요약하자면 “아픈건 질병을 낫게하는 힘이니까, 아프면 좋은거다”라고 할 수 있다. 사실 이 말이 완전히 틀린 것은 아닌데, 책의 내용 중에 보면 면역이 생기기 위해서 약하게 아프고 나면 다시 아프지 않는다는 부분이 있다. 그건 좋은데, 문제는 그 다음이다. “병을 앓을 때의 아픔의 정도가 면역성의 보유 기간에 비례하는 듯 하다”(208쪽) 라고 써 있다. 명백하게 틀린 주장이다. 가령, 많은 종류의 예방주사는 주사 자체의 통증은 있지만 예방주사를 맞고 나서 아프다거나 하지는 않으며, 그럼에도 불구하고 1년에서 수십년, 또는 평생의 면역을 보유할 수 있다. 이 책은 이 부분을 쓰면서 자기모순적인 서술을 하고 있는데, 책 전반적으로 서양의학에 대해 매우 불신하고 있으면서 면역에 관해서는 서양 의학의 기술과 지식을 믿는 것 같은 식으로 이야기하고 있다.

그리고, 모든 병이 마음에서 오는 것이니 마음이 편안하면 병에 걸리지 않는다고 주장하고 있다. 그러면서 오장육부와 감정의 대응에 대해 이야기하고 있는데, 간은 분노, 심장은 기쁨, 위장은 그리움, 폐는 슬픔, 대충 이런식이다. 그럼 슬프면 폐암 걸리고, 너무 기쁘면 심장병에 걸리는가? 이에 대해서 더 할 말이 없다. 물론 스트레스는 실제로 신체에 나쁜 영향을 주기도 하고, 병의 원인이 되기도 한다. 하지만 모든 병의 근원을 마음에서 찾는 것은 매우 불합리한 관점이다. 독감에 걸렸을 때 원인을 심신의 평안이 흔들렸기 때문이라고 한다면, 독감에 걸린 사람들은 모두 심신이 안정되지 못했기 때문이라고 단정지을 수 있는가?

그 외에도 책 내용 전반적으로 동양의학에 관한 찬양, 자연치유, 면역요법, 동종요법 등 대체의학에 대해 설명하고 있다. 물론 그에 대해 과학적인 근거는 없다. 인간 신체의 재생 가능성에 대해서만 근거자료가 있는데, 저자 본인이 번역한 ‘생명과 전기(로버트 베커 저)’라는 책 단 한권이다. 프리초프 카프라의 ‘현대물리학과 동양사상’도 인용하고 있긴 한데 이건 근거라고 보기엔 너무 빈약하고. 참고로 ‘생명과 전기’는 나도 읽어봤는데 도룡뇽의 신체 복구 기전에 대해 설명이 되어 있긴 한데, 교양서적이기도 하고, 너무 행복회로를 돌린 책이라서 재밌긴 하지만 과학적으로 좋은 책은 아니다.

서양에서 유래한 현대 의학이 실제 환자들의 고통을 깔끔히 없애주지 못하고, 모든 환자를 치료하지 못하는 것은 사실이다. 동양 의학, 또는 대체 의학이 어쩌면 그런 불치병, 난치병 환자들에게 실제로 유효한 치료방법을 제공할 수 있을 가능성도 있다. 그럼에도 불구하고, 이 책은 별로 좋은 책이 아니다. 본인이 열심히 수련과 운동을 한 결과 갖고 있던 어떤 병이 나았다고 하는 본인의 경험에 기반한 설명은 모두에게 적용할 수 있는 방법론이 되지 못한다. 또한, 암 환자들이나 그 외 다른 난치병, 불치병 환자들에게 ‘자연 치료 법을 적용했더라면 하는 아쉬움이 있다’는 식으로 말하는 것은, 그 환자들에게 오히려 헛된 희망을 준다는 점에서 매우 좋지 않다. 다시 말하지만, 이 책의 저자는 의사가 아니다. 인간이 가진 모든 질병이 치료 가능하다면 좋겠지만, 치료 시기가 늦거나, 치료 방법이 알려지지 않았거나, 수많은 이유로 환자들은 고통받고 생명을 잃고 있다. 환자들은 그 누구보다도 병이 낫기를 바라며, 그들을 담당한 의사들은 그 누구보다도 환자를 고치기 위해 노력하는 사람들이다. 의학에 대해 의사만 이야기할 수 있는 것은 아니겠지만, 근거도 없고 효과도 불확실한 치료법을 적용하지 못한 아쉬움을 이야기하는 것은 열심히 노력하고 있는 의사에 대한 모독이고, 살고자 하는 환자에 대해서는 무례한 것이다.

의학이 다른 자연과학 분야와 구분되는 독특한 특징이라면, 실험을 마음대로 할 수 없다는 것이다. 다른 과학은 실험이라는 명목 하에 수많은 행위가 가능하다. 통제변인과 종속변인을 바꿔가면서 결론을 얻기에 충분한 정도로 반복성 있는 실험을 할 수 있다. 하지만 의학은, 그 대상이 생명이고, 특히 그중에서도 인간의 생명이라는 점 때문에 실험을 마음대로 할 수 없다. 암 치료법을 시험하기 위해서 통제군과 대조군을 놓고, 새로 개발된 항암제에 대해 어느 쪽이 더 많이 죽는지 조사하는 실험을 한다면, 항암제의 효과는 알 수 있을지 몰라도 이 실험은 정당화 될 수 없다. 그렇다면, 이 책에서 저자가 주장하는 자연치료, 동종요법 같은 것들은 정당화 될 수 있을까? 그렇게 하다가 죽은 사람의 생명은 누가 책임질 것인가? 이 책 저자는 그 책임을 질 수 없다.

Floating down from the sky 하늘에서 사뿐히 내려온
Lovely angel queen it’s you 사랑스러운 천사, 바로 당신
Shaken from her long sleep 긴 잠에서 기지개를 켜는
Lovely angel queen it’s you, 사랑스러운 천사, 바로 당신

Touching others like a child 타인을 아이처럼 어루만지며
Loving others for a while 타인을 사랑하며
Come and take my hand, my heart 와서 내 손을 잡고, 내 마음을 가져간
In time we will be together, 우리가 함께 한 시간 동안

When we will say goodbye 언젠가 우리가 헤어질 때,
There’ll be no tears from me 나는 울지 않을 거예요
(there’ll be no tears from me) 나는 울지 않을 거예요
Time passes by so fast 시간은 너무 빨리 지나가죠
I love you 사랑해요
I’ll remenber you forever, 영원히 기억할거예요
(forever, forever) 영원히, 영원히

One thousand years she rules The earth 천년간 지구를 다스리던 당신
Lovely angel queen it’s you 사랑스러운 여왕, 바로 당신
Lighting flashes cold as ice 얼음처럼 차가운 빛을 반짝이며
Changing everything she sees 눈에 보이는 모든 것을 바꿔가는

(like a child) 아이처럼
Touching others like a child 타인을 아이처럼 어루만지며
(a while)
Loving others for a while 타인을 사랑하며
Come and take my hand, my heart 와서 내 손을 잡고, 내 마음을 가져간
In time we will be together 우리가 함께 한 시간 동안

When we will say goodbye
There’ll be no tears from me
(there’ll be no tears from me)
Time passes by so fast
I love you
I’ll remember you

Forever (forever, Forever, Forever)

When we will say goodbye
There’ll be no tears from me
(there’ll be no tears from me)
Time passes by so fast
I love you
I’ll remember you

Forever

(I can’t find you anywhere 당신을 찾을 수가 없어요
Where do you come from? 당신은 어디서 와서
Where are you going? 어디로 가나요?
I can’t find you anywhere 당신을 찾을 수가 없어요
Where do you come from? 당신은 어디서 와서
Where are you going?) 어디로 가나요?

Is this real valued? 이거 실함수인가?
Is this just imaginary? 허수 아닌가?
Caught in a detector 검출기를 좀 보렴
No escape from realism 어떤 입자도 검출에서 벗어날 수 없어
Open your chambers 챔버를 열어봐
Look up to the samples and see 그리고 샘플을 찾아서 살펴봐
I’m just a ph. D, I need no symmetry 나는 그저 Ph. D, 난 대칭성이 필요가 없지
Because It’s easy done, easy go 왜냐면 그건 이미 누가 했고, 쉽게 되지.
A little high, little low 좀 잘 될 수도 있고 안 될 수도 있고.
Anyway the mind blows, doesn’t really matter to me, to me 아무튼, 멘붕이네. 진짜 뭐가 문젠지 모르겠다.

Ma boss, just kill a sample 교수님. 샘플이 죽어버렸어요.
Do a run again and again 다시 해볼게요.
Set my trigger, now it’s dead 트리거 세팅했는데, 죽어버렸어요.
Ma boss, measure had just begun 교수님. 측정은 이제 시작됐어요.
But now I’ve gone and thrown it all away 그렇지만 다 때려치고 떠날려고요.
Ma boss, oh oh 교수님. 오, 오.
Didn’t mean to make you cry 그래도 울지는 마세요.
If I’m not back again this time tomorrow 제가 내일 다시 돌아오지 않으면
Carry on, carry on, as if nothing really matters 어차피 딴 애 시켜서 계속 할 거잖아요.

Too late, my time has come 늦었어. 연차는 이미 초과됐어.
Sends shivers down my spine 기분이 쎄 하네.
Body’s aching all the time 온몸이 안 아픈데가 없어.
Goodbye everybody I’ve got to go 다들 잘 있어요. 난 나갈테니.
Gotta leave you all behind and face the truth 연구자료는 남겨놓고 갈테니까 잘 해보슈.
Ma boss, oh oh (anyway the mind blows) 교수님, 오. 오. (아무튼 멘탈은 붕괴했고)
I don’t want to die 죽기는 싫더라고요.
Sometimes wish I’d never been born at all 내가 이짓하자고 태어난건 아니잖아요.

I see a little silhouetto of a man 딴 사람들 연구결과만 뒤쫒다가.
Sabatica, Sabatica, will you do the Funding 안식년, 안식년이 되면 연구비나 좀 따오세요
reviewer and refree very very fighting me 리뷰어랑 심사위원은 나랑 싸우자는 건가
Gallileo, Gallileo, Gallileo, Gallileo, Gallilean coordinate, magnify 갈릴레오, 갈릴레오, 갈릴레오, 갈릴레이 좌표계에서 확대좀 해봐.

I’m just Ph. D and nobody loves me 나는 Ph. D, 아무도 날 사랑하지 않아
It’s just a poor lab from a poor school 이 랩은 연구비 없는 학교에 연구비 없는 연구실
Spare him his life from this university 이 대학에서 인생을 갈아넣고 있지
Easy come easy go will you let me go 나보고 쉬운거 할거면 꺼지라니…
Bismillah, no we will not let you go, let him go 멩세컨대, 우리가 너 졸업 안시켜줄거라고. 걔부터 먼저 졸업할거라고.
Bismillah, we will not let you go, let him go 멩세컨대, 우리가 너 졸업 안시켜줄거라고. 걔부터 먼저 졸업 할거라고.
Bismillah, we will not let you go, let me go 멩세컨대, 우리가 너 졸업 안시켜줄거라고. 졸업시켜달라니까요.
(Will not let you go) let me go (never, never let you go) let me go (never let me go) (졸업 안시켜줄거야) 졸업 시켜주세요 (절대 졸업 못시켜) 졸업시켜주세요 (절대 졸업 안시켜)
Oh oh no, no, no, no, no, no, no 오, 오, 안돼 안돼 안돼 안돼 안돼 안돼 안돼
Oh mama mia, mama mia, mama mia let me go 엄마 미안, 엄마 미안, 엄마 미안. 졸업좀 시켜주세요.
Laplace has a devil put aside for me for me for me 라플라스가 내 옆에 악마를 갖다 놨네.

So you think you can stop me and spit in my eye 그래, 내가 관둘 것 같수?
So you think you can love me and leave me to die 죽겠네 정말 좀 실험좀 합시다.
Oh baby can’t do this to me baby 이래갖고는 애도 못 보러 가겠네.
Just gotta get out just gotta get right outta here 그냥 탈주하자 탈주하자 여기서 탈주하자

Oh oh oh yeah, oh oh yeah 오 오 오 예 오 오 예
Nothing really matters 뭐가 문젠지 모르겠어.
Anyone can see 제발 이 결과 좀 봐줘요.
Nothing really matters 뭐가 문젠지 모르겠어.
Nothing really matters to me 난 뭐가 문젠지 모르겠어.
Anyway the mind blows 어쨌든 멘붕이네.

작사: Freddie Mercury

*이 글의 내용은 심각하게 틀릴 수도 있습니다. 오류, 오타 등에 관한 지적과 토론 및 질문은 언제든지 무엇이든지 환영합니다!

지난 글에서 별이 어떻게 생기는지에 대해 간략히 소개를 해 보았다.

별이 빛나기(=불타기) 시작하면 핵융합 에너지에 의해서 자체적으로 에너지가 공급되면서 중력에 의한 수축을 멈추고 일정한 크기를 갖고 오랜 시간동안 빛나게 된다. 하지만 그것도 언젠가 끝나고, 모든 에너지가 다 방출되면 뜨겁게 불타던 별은 차갑게 식어버리게 된다. 차갑게 식어버린 별은 더이상 중력에 의해 버티지 못하고, 다시 수축을 시작한다. 그러다보면 다시 뜨거워져서 불이 좀 붙었다가 식었다 반복하다가 끝내 백색왜성도 되고 중성자별도 된다. 별의 진화과정에 대한 자세한 탐구는 이 글의 목적이 아니므로 건너뛰겠지만, 그렇게 별이 에너지를 방출하면서 변신하다 보면 블랙홀이 되어버린다. 아무 별이나 다 그렇게 되는 것은 아니고, 초신성 폭발 후에도 남아있는 잔재가 충분히 무거워서 중력붕괴를 일으킬 정도로 많아야 한다. 이것을 찬드라세카르 한계라고 한다. 그 외에도 블랙홀이 되기에 충분히 무겁지 않았지만 백색왜성이나 중성자별, 또는 잘 불타고 있던 항성 여러개가 만나서 합쳐지는 과정에서 블랙홀이 발생할 수도 있다.

별이 블랙홀이 되고나면 원래 갖고 있던 성질들을 잃어버리고 질량, 전하, 각운동량의 세가지 물리량만 남는다. 이것을 “털없는 블랙홀 정리(Blackhole’s no hair theorem)”라고 한다. 별은 원래 무엇을 갖고 있었나? 별은 온도, 부피, 밝기, 구성성분의 종류, 구성성분들의 위치, 에너지 상태, 등등 많은 정보들을 갖고 있었다. 그런데 별이 블랙홀로 붕괴한 후에는 아무것도 남지 않고 질량, 전하, 각운동량만 남는다는 것이다. 블랙홀이 되면 무슨 일이 일어나는가? 블랙홀 중심에는 특이점이 있다. 특이점은 쉽게 말해서 중력이 무한대로 발산하는 지점이다. 특이점을 향해 점점 다가가다 보면, 어느 시점에서는 빠져나올 수 없는 한계가 있는데, 슈바르츠실트 반지름이라고 한다. 무엇이든지 슈바르츠실트 반지름보다 더 가까이 다가가면 아무리 큰 에너지를 갖고 있어도 블랙홀에서 빠져나올 수 없다. 여기서, “무엇이든지”라고 했다. 이것은 빛에 대해서도 마찬가지인데, 우리 우주에서 가장 빠른 속도로 달릴 수 있는 존재조차도 블랙홀의 슈바르츠실트 반지름보다 더 가까운 곳에 접근하면 더이상 빠져나올수 없다. 그리고 과학자들은 이 경계를 사건의 지평선(Event horizon)이라고 한다.

그런데, 스티븐 호킹이 블랙홀에서 뭔가가 빠져나오는 것이 가능하다는 주장을 했다. 일단 이런 현상의 이름을 호킹 복사(Hawking radiation)이라고 부르는 것을 알아두자. 호킹 복사가 뭔지 알기 위해서는 우리 우주를 설명하는 또다른 이론인 양자역학을 이해해야 하기 때문이다. 호킹의 주장에 따르면, 모든 블랙홀에서는 호킹 복사가 일어날 수 있고, 그 결과 블랙홀이 점점 가벼워지며, 이것을 블랙홀의 증발이라고 한다. 블랙홀의 증발은 블랙홀이 가벼울수록 빠르게 일어나는데, 그 결과 블랙홀은 언젠가 소멸한다. 블랙홀은 어떻게 해서 증발하는가?

(이어서…)

*이 글의 내용은 심각하게 틀릴 수도 있습니다. 오류, 오타 등에 관한 지적과 토론 및 질문은 언제든지 무엇이든지 환영합니다!

우리 우주를 설명하는 이론은 두가지로 나누어진다. 하나는 일반상대성이론이고, 다른 하나는 양자역학이다. 일반상대성이론은 중력과 시공간 관한 이론이고, 양자역학은 중력과 시공간을 제외한 나머지 전부에 대한 이론이다. 중력, 시공간, 그리고 모든 것을 설명할 수 있는 하나의 이론체계는 아직 만들어지지 않았고, 아마 초끈이론이 그런 모든 것의 이론이 되지 않을까 하는 기대에 부풀어 있을 뿐이다. 이 글에서는, 블랙홀을 이용해서 양자컴퓨팅을 하겠다는 이야기에 대해 소개하려고 한다.

먼저, 일반상대성이론과 블랙홀에 관한 이야기로 시작해 보자. 일반상대성이론은 중력과 시공간에 관한 이론인데, 아인슈타인 장 방정식(Einstein’s field equation)이 주어져 있다. 이것은 4차원 4차 텐서 비선형 2차 미분 방정식인데, 쉽게 말해서 미지수가 4*4*4*4개인 비선형 연립미분방정식이라는 뜻이다. 대칭성 때문에 그보다는 많이 줄어들지만, 미지수 몇 개가 줄어들더라도 풀기 어려운 건 마찬가지이므로 넘어가자. 아인슈타인 장 방정식은 질량, 정확히는 공간에 분포하고 있는 물질의 밀도가 그 근방의 시공간의 곡률을 결정한다는 것을 이야기하고 있다. 즉, 밀도가 높으면 시공간이 많이 왜곡되고, 밀도가 낮으면 평평한 시공간이 된다는 것이다. 그럼, 평평한 시공간과 왜곡된 시공간이란 무엇일까? 구부러진 시공간에서는 구부러져서 움직이고, 평평한 시공간에서는 구부러지지 않고 움직인다. 무엇이? 빛이!

특수상대성이론에서는 관성계(Inertial frame)에서 일어나는 일들을 다룬다. 관성계란, 관성의 법칙이 성립하는 관찰계를 말한다. 관성의 법칙은 고등학교 때 배우는 뉴턴의 3가지 운동법칙 중 첫번째 법칙이다. 이것은 외부에서 힘이 작용하지 않으면 물체의 운동상태 변화가 없다고 하는 법칙이다. 반대로, 운동상태가 변하면 외부에서 반드시 힘이 작용했음을 알 수 있는데, 이것은 두번째 법칙인 힘과 가속도의 법칙이다. 그렇다면 운동상태란 무엇일까? 운동상태는 운동량이다. 운동량은 물체가 얼마나 빠르게, 그리고 묵직하게 움직이고 있는지 알려주는 척도인데, 부정확한 표현이기는 하지만 대체로 물체의 속도와 질량의 곱으로 표현한다. 물체의 운동상태 변화라는 것은 물체의 질량이 변하거나 속도가 변한다는 뜻이다. 즉, 어떤 물체를 가만히 보고만 있었는데 그 물체의 질량이 변하거나, 더 빨라지거나, 더 느려지거나, 움직이는 방향이 바뀐다면, 당신은 관성계에 있는 것이 아니다. 물론 아무것도 변하지 않는다면 당신은 관성계에 있다고 봐도 좋다.

특수상대성이론이 성립하지 않는 상황, 즉 관성계가 아닌 경우 일반상대성이론을 사용해야 한다. 일반상대성이론에서는 관성의 법칙이 성립하지 않는 경우까지도 다룰 수 있는데, 다시 말해서 가만히 보고 있는데 멈춰있던 물체가 갑자기 움직인다거나 움직이던 물체가 가던 방향을 바꾼다거나 하는 일이 발생하는 상황이다. 이런 경우, 이 물체에 어떤 일이 일어나는가를 정확히 설명하기 위해서는 시공간의 왜곡과 질량의 분포라고 하는 굉장히 거창한 개념을 들고 와야 한다. 사실 우리 주변에서 일어나는 이런 현상들은 굳이 이 단계까지 가지 않더라도 뉴턴의 운동 방정식과 뉴턴의 중력 방정식을 이용해서 잘 설명하고 예측할 수 있다. 하지만 우리 우주에는 그렇게 쉬운 문제만 있는 것이 아니어서, 뉴턴 역학으로는 설명할 수 없는 것들이 많이 있다. 그 중 하나가 블랙홀이다.

중력은 매우 약한 힘이라서, 지구 중력의 경우 사람이 조금만 힘을 쓰면 땅바닥의 돌멩이를 들어올릴 수 있다. 전자기력은 반대로 매우 강력하게 작용할 수 있는데, 강력한 네오디뮴 자석은 한번 철판에 달라붙으면 떼어내기가 매우 힘들어진다. 하지만, 매우 먼 거리, 가령 우주에 떠다니는 별과 별 사이의 거리, 정도의 규모로 멀어지게 되면 상황이 역전된다. 전자기력은 음극과 양극이 있고, N극과 S극이 있어서 멀어지면 멀어질수록 상쇄되고 약해지는데, 중력은 그 힘을 상쇄시킬만한 척력이 없다보니 매우 큰 규모에서는 지배적으로 작용하는 힘이 된다. 그러다보니, 우주에 존재하는 가스, 구름, 안개와 같은 것들이 매우 오랜 시간에 지나면서 점점 뭉치고, 그 결과 별이 탄생한 것이다.

별은 중력에 의해 물질이 뭉쳐서 만들어 진 것이다. 태초에 가스가 우주에 퍼져 있었는데, 대체로 골고루 퍼져 있었겠지만, 아주 작은 밀도 차이가 있었을 수도 있다. 그렇다고 하면, 그 중 밀도가 높은 부분은 중력이 강해서 가스 물질을 끌어당기고, 그러다보면 밀도가 높아지니까 점점 중력이 강해지고, 그렇게 중력도 강해지고 밀도도 점점 높아지는 과정이 반복되면서 커다란 덩어리를 형성하게 된다. 만약 이 상태로 그대로 저항 없이 뭉치게 된다면 한 점으로 모이게 될 것이다. 하지만 실제로는 그렇게 되기 전에 방해를 받게 되는데, 바로 열 에너지이다. 중력에 의해서 가스가 점점 뭉친다는 것은 부피가 작아진다는 뜻이다. 기체의 부피가 작아지면 압력이 올라가고, 동시에 온도도 올라가게 된다. 이 때 열 에너지는 중력에 의한 위치에너지로부터 공급된다. 그리고 그렇게 점점 뜨거워진 가스는 열 에너지에 의한 압력이 중력에 의한 압력을 맞서서 버틸 수 있을 때 까지 수축한다. 만약 가스의 중력이 충분히 크다면, 열 에너지에 의한 압력을 이겨내고 더욱 압축되는데 그 결과 핵융합이 시작된다. 그렇게 되면 열 에너지가 더 많아지고, 별이 빛나기 시작하는 것이다.

(이어서…)

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인도에서 자산을 53조원 정도 갖고 있는 갑부의 딸이 1100억원 정도 비용이 드는 결혼식을 했다는 소식이 전해졌다. 일부에서는 빈부격차가 심한 인도에서 이렇게 사치스러운 결혼식을 해야 했었냐는 비판이 있는데, 내 생각은 조금 다르다. 부자들은 돈을 써야한다. 예를 들어, 저런 수준의 갑부가 서민이랑 비슷하게 1천만원, 또는조금 더 써서 1억원 정도 들어가는 결혼식을 했다면, 그건 1000억원 가까운 돈이 시장에 풀리지 않고 저 사람 계좌에 묶여있게 된다는 뜻이다. 경기가 호황인가 불황인가는 시장에 풀린 돈이 얼마나 잘 굴러다니는가와 관련이 있다. 즉, 돈이 돌지 않는다면 시장에 풀린 돈이 아무리 많더라도 경기는 불황이다. 따라서 저 갑부의 딸이 결혼식에 저렇게 거액의 돈을 사용한 것은 인도 경제, 또는 세계 경제에 조금이나마 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 돈은 흐르지 않으면 죽은 돈이다.