중력파의 직접 검출

중력파 물리학, 새로운 과학이 태동하는 현장 천체물리학 최전선의 전율 넘치는 흥분을 전달하다 중력파 물리학과 과학사회학을 아우르는 수작

스파이 소설처럼 스릴 넘친다. ─카를로 로벨리(『보이는 세상은 실재가 아니다』 저자) 과학이 어떻게 거대한 협력을 통해 이루어지는지를 전례 없는 방식으로 보여준다. ─앨런 프랭클린(콜로라도 대학교 물리학 교수) 2016년 2월 라이고LIGO 협력단은 중력파의 최초 직접 검출을 공표하며 중력파 천문학 시대의 시작을 알렸다. 발표 당시부터 중력파 검출은 ‘노벨상감’으로 회자되었고, 예상대로 2017년 노벨 물리학상은 라이너 바이스, 배리 배리시, 킵 손 등 라이고 프로젝트에서 핵심적인 역할을 했거나 중력파 검출에 기여한 이들에게 돌아갔다. 중력파를 통해 우리는 이전에 전혀 관측하지 못했던 방식으로 블랙홀, 중성자별, 초신성과 같은 우주의 거대 천체들이 일으키는 사건을 관측할 수 있는 새로운 눈을 가지게 되었다. 우주의 구조와 특성을 이해할 수 있는 또 다른 길이 열린 셈이다. 중력파 최초 직접 검출은 완전히 새로운 천체물리학의 시대를 공표하는 업적이라 할 만하다. 『중력의 키스』는 중력파로 확증된 ‘그 신호’ GW150914가 검출된 2015년 9월 14일부터 시작해, 2016년 2월 논문이 발표되기까지 라이고 협력단 내부에서 발견이 참으로 확정되는 과정, 또 논문이 세상에 공표되고 중력파의 실재가 사회적으로 인정되는 과정을 현장 연구한 영국의 저명한 과학사회학자 해리 콜린스의 역작이다. 저자 해리 콜린스는 과학 연구가 어떤 과정을 거쳐 진행되고 진리로 받아들여지는지 연구해왔다. 콜린스는 40년이 넘는 기간 동안 중력파에 매료되어 이에 관한 과학사회학 연구를 수행했고, 1990년대 초반부터 2010년대 중반까지, 중력파 탐지를 목표로 하는 라이고 협력단의 유일한 비과학자로 소속되어 협력단의 활동을 탐구·관찰했다. 협력단은 최첨단의 기술이 적용된 간섭계 설비를 통해 중력파를 검출하고, 오로지 계산을 통해 얻어낸 그래프로만 확인할 수 있는 그 신호를 중력파라고 선언하고, 논문을 발표한다. 결과적으로 이 논문은 발표 당시 아주 큰 놀라움을 자아냈다. 이 발견은 21세기의 거대과학이 이루어낸 가장 위대한 업적 중 하나로 꼽히며, 당시 노벨 물리학상을 비롯해 물리학 브레이크스루상, 그루버 우주론상, 쇼 천문학상, 카블리 천체물리학상 등을 휩쓸었다. 과학계뿐 아니라 대중의 관심도 한몸에 받았다. 이 책에서 저자 해리 콜린스는 라이고 협력단 내부자의 시선과 사회학자의 관점을 동시에 채택해, ‘과학 지식’이 관측되고 선언되며 사회적으로 수용되는 현장을 우리 앞에 선보인다. 협력단이 중력파일 가능성이 유력한 신호를 탐지한 날은 2015년 9월 14일이다. 이때부터 열띤 토론과 검증 과정을 거쳐 2016년 2월 논문이 발표된다. 라이고의 검출기 2대는 각각 미국의 핸퍼드와 리빙스턴에 있지만, 협력단은 세계 각지의 과학자 1000여 명으로 구성되어 있다. 하지만 논문 발표 전까지 이 소식은 기밀로 부쳐져야 한다. 1000명이나 되는 과학자들이 단 한 편의 논문을 써내는 과정의 어려움, 비밀 유지의 어려움, 세부사항 기술에 관한 갑론을박 등이 담긴 이메일들이 구성원 사이에 분주히 오간다. 이 책은 중력파 검출의 현장을 시간순으로 따라가며 현장감 있게 전달한다. 권말에는 검출 과정에 대한 저자의 사회학적 분석이 주를 이룬다. 우주에 존재하는 놀라운 천체 및 천체 현상, 그리고 그것의 경이로움을 기술하는 이미지와 글은 과학 대중문화에서 드물지 않다. 그러나 이 책은 과학 지식을 단순히 우리 눈앞에 보여주는 데 그치지 않고, 그 놀라운 사실들이 어떻게 논쟁과 갈등, 때로는 과로와 감동을 동반한 인간 활동을 통해 산출된 것인지 보여준다. 21세기의 위대한 과학적 도약이 완성되는 과정의 세부를 생생히 살펴볼 수 있다. 2017년 스미스소니언 선정 최고의 과학책 10권에 꼽혔다.

약어

1장 첫째 주：정합성을 찾았다
2장 의심들과 문제들：악의적인 신호 주입?
3장 반세기에 걸친 중력파 검출의 역사
4장 둘째 주와 셋째 주：동결, 소문
5장 넷째 주：상자가 열리다
6장 다섯째 주에서 10월 말까지：단순명쾌함, 블랙홀
7장 11월：물결, 믿음, 두 번째 월요일 사건
8장 11월：발견 논문 쓰기
9장 12월, 열둘째 주에서 열여섯째 주：증명 퇴행, 엄격한 전문가주의, 셋째 사건
10장 1월과 2월：LVC 전체 모임과 논문 제출
11장 마지막 물결：기자회견으로부터 미국물리학회로, 또 그 너머 세계로
12장 틀 바꾸기：긴 깨달음
13장 과학의 본성에 관하여
14장 책, 저자, 공동체, 전문성

후기 중력파 천문학의 출범
책을 쓴 과정과 도움을 준 사람들
사회학적 철학적 주석
부록1 최초 검출 절차
부록2 발견 논문 초고
부록3 저자 목록에 관한 규칙
감수의 말 중력파 연구의 시작과 끝을 담은 로그 파일
참고문헌
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이 연구는 이런 식으로 진행된다. 간섭계는 루이지애나주와 워싱턴주에 있지만, 내가 이제껏 언급한 이메일 4통은 독일 하노버, 플로리다주, 오스트레일리아 멜버른, 파리에서 왔다. 오늘날 실험 장비의 물리적 위치는 거의 중요하지 않다. 실험 데이터를 분석하는 사람들의 물리적 위치도 마찬가지다. 공교롭게도 지금 미국은 밤이어서 대다수 사람이 잠들어 있다. 이것이 사건을 맨 먼저 알아챈 과학자들의 물리적 위치가 유럽─정확히 하노버─인 이유다.(15쪽)암맹 주입이란 은밀히 검출기에 주입되는 가짜 신호를 말한다. 한두 명의 연구자로 이루어진 팀이 가짜 신호를 만들어서 진짜 신호처럼 보이도록 간섭계에 집어넣는다. 취지는 공동체를 이룬 연구자들이 정신을 바짝 차리고 진짜 신호를 검출할 준비를 갖추도록 강제하는 것이다. 연구자들은 신호가 진짜라고 믿고 절차를 진행할 수밖에 없다. 왜냐하면 오직 신호를 주입한 팀과 공동체의 지휘자만이 신호가 암맹 주입인지, 아니면 잠재적인 진짜 신호인지 알기 때문이다.(34쪽)과학자들과 연구비 지원자들이 관측 가능한 중력파가 정말로 존재하며 다음 세대의 검출기는 틀림없이 중력파를 검출하리라는 이론적 확신을 토대로 기꺼이 난관을 헤쳐나간 것은 인간의 인내력이 거둔 커다란 승리다. 그러나 역사는 승리자에 의해 쓰인다. 그리 멀지 않은 과거에 첨단 기술이었던 공진 막대는 이제 형편없는 장비로 느껴지고, 과거 세대의 간섭계들은 단지 이 승리를 향한 여정에 놓인 원형들에 불과한 것처럼 느껴진다. 이것은 실제 사건들의 순서가 역사 서술을 통해 뒤바뀌는 하나의 사례다.(84쪽)왜 그들은 비밀을 유지하고 싶어할까? 첫째, 소식이 퍼지면 언론인들의 끝없는 질문을 감당해야 하기 때문이다. 하지만 확실히 이것은 언론 담당자 1명이 처리하면 될 문제다. 둘째, 그들이 무언가 발견한 것처럼 보이다가 결국 희망이 무너졌을 때 명색이 과학자로서 바보처럼 보이는 것이 두렵기 때문이다. 하지만 그들이 바보처럼 보이는 것은 오로지 과학은 오류를 범하지 않는다는 이미지를 그들이 유지하려 하기 때문이다. 그런 이미지 게임은 오래전에 끝났다. 과학은 끝없이 오류를 범한다는 것을 누구나 안다. 우리가 확고히 해야 하는 것은 과학은 우리가 보유한 최선이라는 점, 그리고 과학이 최선인 이유 하나는 과학자들의 정직함에 있다는 점이다.(92쪽)이메일 폭풍에 직면한 가련한 논문 작성자들은 어떻게 해야 할까? 그들에게 미안함을 느끼지 않을 수 없다. 원고를 개선할 방법에 대해서 조언할 권리가 있으며 모든 초안에 대하여 장황하게 논평하기를 꺼리지 않는 사람들 1000명과 함께 논문을 쓰는 일이 얼마나 어려울지 상상해보라. 논문 작성팀이 받은 이메일은 약 2500통에 달한다. 논문 저자 목록에 포함된 사람들 가운데 거의 절반이 이메일을 보냈다.(219쪽)예컨대 우리는 ‘그 사건’이, 1000명의 사람들이 블랙홀 쌍성계 감쇠 나선운동을 보기를 강력히 욕망하고 집단적으로 생산한 파형을 모종의 소통 경로를 통해 무의식적으로 조율함으로써 만들어낸 염력의 결과일 수도 있음을 안다. 그러나 또한 우리는 ‘그 사건’이 그런 결과라고 말하지 않는 편이 더 낫다는 것을 안다. 그 말은 사회적 수용 가능성의 한계를 벗어난다(『중력의 그림자』 5장 참조). 그러나 누군가가 악의적으로 가짜 신호를 주입했을 가능성을 진지하게 고려하는 것은 허용된다. 이 가능성은 우리가 기꺼이 공개할 만한 것은 아니지만 최근 들어 사회적으로 수용 가능하게 되었다. 증명 퇴행은 논리에서는 무엇이든지 의문시할 수 있음을 일깨운다. 그러나 실행에서는 무엇이든지 의문시할 수 없다. 만약에 실행에서 무엇이든지 의문시한다면, 과학은 녹아 없어질 것이다.(248쪽)과학적 발견은 새로운 행동과 존재 방식을 창조한다. 과학적 발견은 사회적 변화다. 과학적 발견은 사회적 틀을 바꾼다. 그렇기 때문에, 일반상대성이론은 어떤 의미에서 100년 전에 ‘발견’되었지만, 우리는 지금도 그 이론을 발견하는 중이다.(363쪽)

독립적인 재현replication이 불가능한 간섭계 검출기의 시대
라이고는 얼마나 엄정해야 하는가?어느 ‘중력파 과학자’가 보아도 중력파 연구의 시작과 끝을 고스란히 담고 있다고 인정할 로그 파일.─오정근(국가수리과학연구소 선임연구원)1915년 일반상대성이론 장 방정식이 최종적으로 정식화되고 1년 후, 아인슈타인은 중력파의 존재를 예측했다. 중력파를 본격적으로 검출하려는 시도는 영국의 천문학자 조지프 웨버 때로 거슬러 올라간다. 웨버는 1950년대 말부터 실온 공진 막대 기술로 중력파를 검출하려 했다. 웨버는 중력파 검출에 성공했다고 공표했으나, 학계의 검증 및 승인을 거치지 못해 타당한 결과로 받아들여지지 않았다. 그 뒷세대 검출기인 극저온 막대 역시 마찬가지였다.
과거의 막대형 검출기는 간섭계 검출기interferometer detector의 세대가 도래하면서 완전히 주류에서 밀려나게 되었다. 그런데 간섭계 검출기가 가지고 있는 하나의 아이러니는, 간섭계 기술이 요구하는 막대한 자금 수요 때문에 중력파 검출을 위한 다른 모든 접근법을 고사시킨다는 것이다. 간섭계 검출기는 전례 없는 감도와 성능을 지니게 될 터였지만, 예산 문제, 전체 기간의 반 이상을 점검과 정비에 사용해야 하는 복잡한 설비 문제 때문에 중력파 검출의 독립적인 재현이 어려워지는 상황이 도래했다. 그러므로 간섭계로 중력파를 검출하는 과학자들은 매우 엄정한 기준을 사용해 이것이 중력파인지 아닌지 확증해야 한다.
이러한 요구 때문에 라이고 공동체에는 내부적으로 엄정함을 기하기 위한 여러 규칙을 가지고 있다. 그중 가장 눈에 띄는 것은 ‘암맹 주입blind injection’이다. 중력파 연구 공동체의 일원은 누구든지 한두 명의 연구자로 팀을 구성해 중력파로 보일 만한 신호를 의도적으로 주입할 수 있다. 그것이 암맹 주입인지 아닌지는 그것을 주입한 사람과 라이고 공동체의 최고위급 인사가 아니면 아무도 알지 못한다. 신호의 진위 여부를 검증하기 위해 공동체가 어떤 노력을 쏟든 간에, 논문을 학술지에 제출하기 위한 최종 회의 전까지 주입의 정체는 비밀에 부친다. 어떤 관점에서 이 절차들은 몹시 비효율적이고 소속 과학자들의 불만을 일으키기도 하지만, 이는 엄밀한 검출을 위해 필요한 절차로 합의되었다. 최초 검출된 중력파로 확증된 GW150914 역시 암맹 주입 신호가 아닌지 가장 먼저 고려되었으나, 5개월간의 긴 논쟁과 합의를 거쳐 라이고 협력단은 그 신호를 진짜 중력파로 서서히 믿게 된다.
중력파는 어떻게 참으로 합의되고
사회적 실재가 되는가?시의적절한 필독서이자, 훗날 이 분야의 고전이 될 책.
─『스카이 앳 나이트Sky at Night』어떤 신호가 검출되었다고 하더라도 이를 실제 중력파로 확증하기란 쉬운 일이 아니다. 지진파나 다른 외부적 요소 때문에 검출기에서 허위 경보가 울리는 것은 흔한 일이고, 암맹 주입일 가능성도 크다. 그럼에도 라이고 구성원들은 GW150914가 진짜 중력파 신호라는 확신을 빠른 속도로 가지게 되었다. 거기에는 높은 통계적 유의도라는 과학적 근거도 있었지만, 그 신호가 라이고의 감도 향상 정비를 마친 직후 진행된 ‘시험 가동’ 중간에 검출되었다는 강력한 사회적 증거도 있었다.
물론 중력파의 검출에는 신뢰도 높은 과학적 근거가 존재한다. 그러나 중력파의 발생이 단발적 사건이고 재현이 불가능하다는 점에서, 모든 세부사항을 과학적으로 100퍼센트 증명할 수는 없다. 확증에는 반드시 사회학적, 철학적 고찰이 동반되는 것이다. 과학사회학자 해리 콜린스는 이러한 판단의 마디들을 예리하게 들여다보며 그들의 과학적 결정에 사회적 요인들이 반드시 포함되어 있음을 관찰한다. 그러나 콜린스는 사회학자의 관점에만 매몰되지 않고, 이런 과학적 합의의 과정이 사회적 합의와 마찬가지로 민주적 절차를 거치고 있음에 주목한다. 민주주의 세계에서 과학의 역할거대 과학의 생동감 넘치는 현장, 과학자들의 사회적 상호작용이 궁금한 독자들에게 좋은 참고서가 될 것이다.─김초엽(소설가)콜린스가 중력파 검출의 과정을 세세히 기록하는 가장 중요한 이유는 이러한 절차가 민주주의를 위해 잠재적으로 엄청나게 중요하기 때문이다. 콜린스는 민주주의 사회에서 과학 실현의 과정이야말로 집단적인 가치의 등대로 구실할 수 있는 유력한 대안이라고 본다. 과학 지식은 논리적으로 완벽한 것이 아니라 최선인 절차의 집합이기 때문이다. 과학 실행의 절차에 요구되는 덕목들이 민주주의 가치들과 많이 겹친다는 점을 강조하며, 콜린스는 거대 공동체가 발견해낸 중력파 검출의 세부적인 과정이 과학 실행의 현장을 보여줄 뿐 아니라 민주주의 사회가 참조할 수 있는 합의 과정을 포함하고 있다고 믿는다.
콜린스는 토머스 쿤의 ‘본질적 긴장’을 인용하여, 주류 과학의 중요한 특성이 ‘참신한 주장의 수용과 과학적 규제 사이의 긴장’임을 말한다. 즉 과학은 새로운 주장을 수용해야 하지만, 그것이 과학적 방법론이나 가치에서 너무 많이 벗어난 것이어서는 안된다. 본질적 긴장은 유사 과학을 과학으로부터 분리시키면서도, 참신한 과학적 발견이 계속 이루어질 수 있도록 견제하는 도구인 것이다. 특정한 가치를 기조로 하면서도 개개인의 권리와 의견을 존중해야 하는 민주주의가 현대 과학의 집단적 실행에서 주요한 힌트를 얻을 수 있으리라고 이 책은 강조한다.