중력의 키스 - 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.

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 역할

 거대 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.

지은이 : 해리 콜린스
영국 카디프 대학교 사회학과 석좌교수이자 지식·전문성·과학 연구센터 소장. 1980년대 초에 상대주의의 경험적 프로그램Empirical Program of Relativism을 제창해 과학지식사회학의 이론적 조류를 이끌었으며, 1990년대 중반 이후의 이른바 ‘과학 전쟁Science War’에서도 주요 논객으로 활동했다.
1970년대부터 중력파 연구에 관심을 가지고 과학사회학 연구를 지속해왔으며, 중력파 연구 공동체인 라이고LIGO의 유일한 비과학자로 소속되어 민족지 연구를 수행했다. 그 연구를 바탕으로 이 책 『중력의 키스Gravity’s Kiss』를 비롯하여 『중력의 유령과 빅 독Gravity’s Ghost and Big Dog』 『중력의 유령Gravity’s Ghost』 『중력의 그림자Gravity’s Shadow』 등 중력파 발견 과정을 다루는 책들을 펴냈다. 이 외에 『틀 바꾸기Changing Order』 『과학이 만드는 민주주의Why Democracies Need Science』 등의 저서가 있다.

옮긴이 : 전대호
서울대학교에서 물리학을 공부한 후 칸트의 공간론에 관한 논문으로 같은 대학에서 철학 석사학위를 받았다. 이어서 독일학술교류처의 장학금으로 라인 강가의 쾰른에서 주로 헤겔 철학을 공부했다. 헤겔의 논리학에 나오는 양적인 무한 개념을 주제로 박사논문을 쓰던 중 유학생활을 청산하고 귀국했다.
귀국 후 번역가로 정착했다. 영어와 독일어를 우리말로 옮기는데, 대개 과학책과 철학책을 일거리로 삼는다. 고등학교 시절부터 시를 썼으며 신춘문예로 등단해 두 권의 시집을 냈다. 시집으로 『가끔 중세를 꿈꾼다』 『성찰』이 있다. 『철학은 뿔이다』를 썼고, 『정신현상학 강독 1』을 옮기고 썼다. 『인터스텔라의 과학』 『위대한 설계』 『기억을 찾아서』 『로지코믹스』 『헤겔』(공역) 『초월적 관념론 체계』 『나는 뇌가 아니다』를 비롯한 많은 책을 번역했다.

감수 : 오정근
1972년 서울에서 태어났다. 어린 시절부터 밤마다 마당이나 뒷산에 올라 육안으로 별과 성단 등을 찾고 관찰하곤 했다. 개기월식을 밤새 직접 손으로 스케치하며 그 일지를 시간에 따라 손수 기록하는 등 별을 관측하는 흥미로 천문학에 대한 꿈을 꾸었고, 이 천체를 지배하는 이론에 대한 호기심에 매료되었다.
서강대학교에서 물리학을 공부하고 일반상대성이론을 전공했다. 현재 국가수리과학연구소에서 중력파에 대한 연구를 하고 있으며, 한국중력파연구협력단의 총무간사를 맡고 있다. 또한 라이고 과학협력단, 카그라 협력단의 회원으로도 활동 중이다.
2016년 브레이크스루상 특별상, 2016년 그루버 우주론상을 라이고(LIGO) 팀과 함께 수상했다. 중력파의 최초 발견과 역사적 여정을 다룬 『중력파, 아인슈타인의 마지막 선물』을 썼고, 이 책으로 제57회 한국출판문화상 저술상을 수상했다. 또한 이 책은 2016 아태이론물리센터 올해의 과학도서, 2016 세종도서 학술부문 우수작으로 선정되었다. 『중력파, 아인슈타인의 마지막 선물』을 어린이들이 읽을 수 있도록 새롭게 쓴 책이 바로 『중력파 과학수사대』이다.

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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