킵 손

1. 개요

킵 손은 1940년 유타주 로건에서 태어난 미국의 이론물리학자이다. 캘리포니아 공과대학교에서 학위를 받고 교수로 재직했으며, 블랙홀, 중력파, 상대성이론, 시간여행, 웜홀 등 다양한 주제를 연구했다. 중력파 연구와 LIGO 프로젝트에 기여했으며, 웜홀을 이용한 시간 여행 가능성을 제기하기도 했다. 또한, 대중 과학 저술 활동을 통해 과학의 중요성을 알리는 데 힘썼으며, 영화 《인터스텔라》의 제작에도 참여했다. 2017년에는 중력파 검출에 대한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.

2. 생애

1940년 6월 1일 유타주 로건에서 아버지 윈 손(D. Wynne Thorne^영어)과 어머니 앨리슨 손(Alison C. Thorne^영어) 사이에서 태어났다. 아버지와 어머니는 모두 유타 주립 대학교 교수였는데, 아버지는 토양화학, 어머니는 경제학을 가르쳤다. 손 가족은 총 4명의 자녀를 두었으며, 킵 손을 포함하여 세 명이 대학교수가 되었다. 킵 손의 부모는 예수 그리스도 후기 성도 교회 신자였지만, 킵 손 자신은 무신론자라고 밝혔다. 과학과 종교에 대한 그의 견해에 대해 손은 "저의 가장 훌륭한 동료들 중 상당수는 매우 독실하고 신을 믿습니다… 과학과 종교 사이에는 근본적인 불일치가 없습니다. 저는 마침 신을 믿지 않습니다."라고 말했다.

1958년 캘리포니아 공과대학교에 입학하여 1962년 학사 학위를 받았고, 1965년 프린스턴 대학교에서 존 아치볼드 휠러의 지도 아래 "원통형 시스템의 기하역학(Geometrodynamics of Cylindrical Systems)"이라는 논문으로 박사 학위를 받았다. 1967년 캘리포니아 공과대학교 최연소 교수가 되었으며, 1970년에는 30세의 나이로 이 학교 역사상 최연소 정교수 중 한 명이 되었다. 1981년 윌리엄 R. 케넌 주니어 교수가 되었고, 1991년 리처드 파인만 이론물리학 교수가 되었다. 2009년 6월 은퇴하여 명예 리처드 파인만 이론물리학 교수가 되었다.

1971년부터 1998년까지 유타 대학교 겸임교수를, 1986년부터 1992년까지 코넬 대학교 앤드류 D. 화이트 대학원 교수를 역임했다.

킵 손은 일반 상대성 이론의 관측, 실험, 천체 물리학적 측면에서 작업하는 많은 주요 이론가들에게 멘토이자 논문 지도 교수로 활동했다. 약 50명의 물리학자가 그의 개인적인 지도 아래 캘리포니아 공과대학교에서 박사 학위를 받았다.

킵 손은 전문가와 일반 대중 모두에게 중력과 천체 물리학의 발견에 대한 흥미와 중요성을 전달하는 능력으로 유명하다. 블랙홀, 중력파, 상대성이론, 시간여행, 웜홀과 같은 주제에 대한 그의 발표는 미국의 PBS 방송과 영국의 BBC 방송에 소개되었다.

2014년 우주여행과 블랙홀을 소재로 한 영화 《인터스텔라》에 과학 자문으로 참여하였다.

2017년 중력파 관측소 LIGO에 대한 공로로 노벨 물리학상을 수상하였다.

킵 손은 1960년 린다 진 피터슨과 결혼하여 카레스 앤과 건축가 브렛 카터, 두 자녀를 두었다. 1977년 이혼 후, 물리학자 칼 세이건의 소개로 만난 린다 오브스트와 1979년부터 1980년까지 교제했으나 헤어졌다. 이후 친구로 남아 인터스텔라에서 공동 작업했다. 1984년 남가주 대학교(USC) 생체역학 및 물리 치료 교수인 캐롤리 조이스 윈스타인과 재혼했다.

3. 주요 연구 업적

킵 손은 상대론적 천체물리학과 중력 물리학, 특히 상대론적 항성, 블랙홀, 중력파를 중심으로 연구했다. 대중적으로는 웜홀을 이용한 시간 여행 가능성에 대한 이론으로 가장 잘 알려져 있지만, 그의 과학적 업적은 공간, 시간, 중력의 일반적 특성을 다루며 일반 상대성 이론 전반에 걸쳐있다. 주요 연구 분야는 다음과 같다:

* 중력파 연구와 LIGO 프로젝트: (하위 섹션에서 상세히 다룸)
* 블랙홀 우주론: (하위 섹션에서 상세히 다룸)
* 웜홀과 시간 여행: (하위 섹션에서 상세히 다룸)
* 기타 연구:
* 안나 지트코프와 함께 중성자별 핵을 가진 적색 초거성인 손-지트코프 천체의 존재를 예측했다.
* 상대론적 항성의 진동 이론과 이들이 방출하는 중력파의 기초를 마련했다.
* 제임스 하틀과 함께 블랙홀 및 다른 상대론적 천체의 운동과 세차 운동 법칙을 일반 상대성 이론으로부터 유도했다.
* 느리고 단단하게 회전하는 정지 상태의 축대칭 천체의 외부를 묘사하는 근사해인 하틀-손 계량을 제시했다.
* 우주의 팽창 속도를 가속시키고, 통과 가능한 웜홀 "스타 게이트"를 열어 두며, 민코프스키 시공간의 시간적 지오데식 자유 부유 "워프 드라이브"를 작동시키는 데 필요한 요소인, 보편적으로 반중력을 가진 "이국적인 물질"의 존재를 이론적으로 예측했다.
* 클리포드 윌 등과 함께 일반 상대성 이론 검증에 대한 이론적 해석의 기초를 마련했다.
* 2005년 당시 양자 중력 이론의 양자 거품으로부터 고전적 시공간의 기원에 관심을 가졌다.

3.1. 중력파 연구와 LIGO 프로젝트

쏜의 연구는 지구에서 관측되는 중력파의 세기와 시간적 특징 예측에 초점을 맞추었다. 이러한 "특징"은 쏜이 주도적인 역할을 한 다기관 중력파 실험인 라이고(레이저 간섭계 중력파 관측소, Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)와 밀접한 관련이 있다. 1984년, 그는 두 개 이상의 '정지' 지점 간의 미세한 변동을 감지하고 측정하기 위한 라이고 프로젝트(미국 국립과학재단이 자금 지원한 역대 최대 규모의 프로젝트)를 공동 설립하였다. 이러한 변동은 계산 결과에서 설명하는 바와 같이 중력파의 증거가 될 것이다. 그의 연구의 중요한 측면은 이러한 대상을 분석하는 데 필요한 수학을 개발하는 것이다. 쏜은 또한 실험에 근거하여 개발할 수 없는 라이고의 특징에 대한 공학 설계 분석을 수행하고 중력파를 찾는 데 사용되는 데이터 분석 알고리즘에 대한 자문을 제공한다. 그는 라이고가 목표로 해야 할 중력파원을 확인하고, 라이고 빔 튜브에서 산란된 빛을 제어하기 위한 차단 장치를 설계하고, 블라디미르 브라긴스키(모스크바, 러시아) 연구팀과 협력하여 고급 중력파 검출기용 양자 비파괴 설계와 고급 검출기의 가장 심각한 종류의 잡음인 열탄성 잡음을 줄이는 방법을 고안하는 등 라이고에 대한 이론적 지원을 제공하였다. 칼턴 M. 케이브스와 함께 쏜은 조화 진동자의 양자 비파괴 측정에 대한 역작용 회피 방식을 발명했는데, 이는 중력파 검출과 양자 광학 모두에 적용 가능한 기술이다.

2016년 2월 11일, 라이고 과학 협력단을 대표하는 네 명의 물리학자들은 2015년 9월 라이고가 13억 광년 떨어진 곳에서 두 개의 블랙홀이 충돌하는 신호를 기록했다고 발표했다. 이 기록된 검출은 덧없는 중력파의 울림을 최초로 직접 관측한 것이며 일반 상대성 이론의 예측을 확인한 것이다.

3.2. 블랙홀 우주론

손의 연구는 주로 상대론적 천체물리학과 중력 물리학에 초점을 맞추고 있으며, 특히 상대론적 항성, 블랙홀, 그리고 중력파에 중점을 두고 있다. 그는 웜홀을 시간 여행에 사용할 수 있다는 논란이 많은 이론으로 대중에게 가장 잘 알려져 있을 것이다.

프린스턴 대학교에서 박사 학위 과정을 공부하던 중, 그의 지도교수인 존 휠러는 그에게 한 가지 문제를 생각해 보라고 과제를 내주었다. 반발적인 자기장 선의 원통형 다발이 자체의 인력에 의해 붕괴될 것인지 아닌지를 알아내는 것이었다. 몇 달 동안 이 문제를 해결하기 위해 고심한 끝에, 그는 원통형 자기장 선이 내폭될 수 없다는 것을 증명했다.

원통형 자기장 선 다발은 내폭되지 않지만, 구형 별은 자체 중력으로 내폭된다. 쏜은 이 두 현상 사이의 이론적 경계를 탐구하려고 시도했다. 그는 결국 중력이 모든 내부 압력을 극복할 수 있는 것은 물체가 모든 방향으로 압축되었을 때만 가능하다는 것을 알아냈다. 이러한 깨달음을 표현하기 위해 쏜은 그의 후프 추측을 제안했는데, 이는 설계된 후프의 임계 둘레를 그 주위에 놓고 회전시킬 수 있을 때 내폭하는 별이 블랙홀로 변하는 것을 설명한다. 즉, $\backslash begin\{matrix\}\; \backslash frac\{4\; \backslash pi\; GM\}\{c^2\}\; \backslash end\{matrix\}$ 둘레의 후프를 회전시킬 수 있는 질량 M의 물체는 블랙홀이어야 한다.

천체물리학과 이론물리학이라는 두 분야 모두에 사용될 도구로서, 쏜과 그의 학생들은 블랙홀 이론에 대한 "막 패러다임"이라는 특이한 접근 방식을 개발하여 블랙홀이 일부 퀘이사와 활동 은하핵에 에너지를 공급할 수 있는 블랜드포드-즈나젝 메커니즘을 명확히 하는 데 사용했다.

쏜은 블랙홀의 엔트로피의 양자 통계 역학적 기원을 조사했다. 그의 포스트닥인 보이치에흐 주렉과 함께 그는 블랙홀의 엔트로피가 블랙홀이 생성될 수 있는 방법의 수의 로그임을 보였다.

이고르 노비코프와 돈 페이지와 함께 그는 블랙홀 주변의 얇은 강착 원반에 대한 일반 상대성 이론을 개발했고, 이 이론을 사용하여 그러한 강착에 의해 질량이 두 배가 되면 블랙홀은 일반 상대성 이론에서 허용되는 최대 스핀의 0.998까지 회전하지만 그 이상은 회전하지 않는다는 것을 알아냈다. 이것은 아마도 자연에서 허용되는 최대 블랙홀 스핀일 것이다.

3.3. 웜홀과 시간 여행

손은 웜홀을 시간 여행에 사용할 수 있다는 논란이 많은 이론으로 대중에게 가장 잘 알려져 있다. 쏜과 캘리포니아 공과대학교(Caltech) 동료들은 물리 법칙이 시공간이 다중 연결될 수 있는지(고전적인 통과 가능한 웜홀과 "타임머신"이 존재할 수 있는가?)에 대한 과학적 연구를 수행했다. 쏜은 김숭원과 함께 시공간이 폐쇄적 시간적 곡선(즉, 과거로의 시간 여행을 방지)을 생성하는 것을 항상 방지할 수 있는 보편적인 물리적 메커니즘(진공 편극의 폭발적인 성장, 양자장)을 확인했다.

마이크 모리스와 울비 유르트세버와 함께 그는 통과 가능한 웜홀이 시공간 구조에서 존재하려면 양자 상태의 양자장으로 채워져야 하며, 이는 평균 영점 에너지 조건(즉, 충분히 큰 영역에 걸쳐 음의 정규화된 에너지가 존재)을 위반해야 함을 보였다. 이는 양자장이 이러한 확장된 음의 에너지를 가질 수 있는 능력을 탐구하는 연구를 촉발시켰다. 쏜의 최근 계산에 따르면 통과 가능한 웜홀을 통과하는 단순한 질량은 결코 역설을 초래할 수 없다 – 시간 여행이 도입되면 역설로 이어지는 초기 조건은 없다.

3.4. 기타 연구 업적

손의 연구는 주로 상대론적 천체물리학과 중력 물리학에 초점을 맞추고 있으며, 특히 상대론적 항성, 블랙홀, 그리고 중력파에 중점을 두고 있다. 그는 웜홀을 시간 여행에 사용할 수 있다는 논란이 많은 이론으로 대중에게 가장 잘 알려져 있을 것이다. 그러나 공간, 시간, 중력의 일반적인 특성에 중점을 둔 손의 과학적 기여는 일반 상대성 이론의 모든 주제를 아우른다.

킵 손은 안나 지트코프와 함께 중성자별 핵을 가진 적색 초거성인 손-지트코프 천체의 존재를 예측했다. 그는 상대론적 항성의 진동 이론과 이들이 방출하는 중력파의 기초를 마련했다. 제임스 하틀과 함께 킵 손은 일반상대성이론으로부터 블랙홀 및 다른 상대론적 천체의 운동과 세차 운동 법칙을 유도했는데, 여기에는 인접한 천체의 시공간 곡률에 대한 다극 모멘트의 결합의 영향도 포함된다. 또한 느리고 단단하게 회전하는 정지 상태의 축대칭 천체의 외부를 묘사하는 근사 해인 하틀-쏜 계량을 제시했다.

킵 손은 또한 우주의 팽창 속도를 가속시키고, 통과 가능한 웜홀 "스타 게이트"를 열어 두며, 민코프스키 시공간의 시간적 지오데식 자유 부유 "워프 드라이브"를 작동시키는 데 필요한 요소인 보편적으로 반중력인 "이국적인 물질"의 존재를 이론적으로 예측했다. 클리포드 윌과 다른 제자들과 함께 그는 일반 상대성 이론 검증, 즉 상대론적 중력 이론 검증에 대한 이론적 해석의 기초를 마련했고, 윌과 다른 사람들이 이 기초 위에 연구를 발전시켰다. 2005년 당시 킵 손은 양자 중력 이론의 양자 거품으로부터 고전적 시공간의 기원에 관심을 가지고 있었다.

4. 영화 《인터스텔라》 자문

킵 손은 칼 세이건의 소설 《콘택트》에 웜홀 여행에 대한 아이디어를 제공했다. 킵 손과 그의 친구이자 프로듀서인 린다 옵스트는 크리스토퍼 놀란 감독의 영화 《인터스텔라》의 콘셉트를 개발하기도 했다. 그는 또한 관련 서적 《인터스텔라의 과학》을 집필했다.

5. 수상 경력

킵 손은 다음을 포함한 수많은 상을 수상했다.

그는 우드로 윌슨 펠로우, 댄포스 펠로우, 구겐하임 펠로우, 풀브라이트 펠로우였다. 그는 또한 클레어몬트 대학원 대학교에서 명예 인문학 박사 학위와 테살로니키 아리스토텔레스 대학교 물리학과에서 명예 박사 학위를 받았다. 2024년에는 캠브리지 대학교에서 명예 박사 학위를 받았다.

6. 저서

* 킵 손, 찰스 미즈너, 존 휠러 공저, 중력(Gravitation), 1973, (W H 프리먼 & Co). 이 책은 역사상 가장 위대한 과학 서적 중 하나로 평가받으며 두 세대의 학생들에게 영감을 주었다.
* 킵 손, 300 Years of Gravitation, (S. W. 호킹 및 W. 이스라엘 공편), 1987, (시카고: 시카고 대학교 출판부), 중력파(Gravitational Radiation).
* 킵 손, R. H. 프라이스, D. M. 맥도널드 공저, 블랙홀, 막 패러다임(Black Holes, The Membrane Paradigm), 1986, (뉴헤이븐: 예일 대학교 출판부).
* J. 프리드먼, M. S. 모리스, I. D. 노비코프, F. 에체베리아, G. 클링크해머, 킵 손, U. 유르트세버 공저, Physical Review D., 1990, (인쇄 중), 닫힌 시간꼴 곡선을 가진 시공간에서의 코시 문제(Cauchy Problem in Spacetimes with Closed Timelike Curves).
* 킵 손, 『블랙홀과 워프: 아인슈타인의 엄청난 유산』(Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy), 1994. 이 책은 여러 언어로 번역 출판되었다.
* 킵 손, 『인터스텔라의 과학』(The Science of Interstellar), 2014. (크리스토퍼 놀란 서문)
* 킵 손, 로저 D. 블랜드포드 공저, 현대 고전 물리학: 광학, 유체, 플라스마, 탄성, 상대성 이론 및 통계 물리학''(Modern Classical Physics: Optics, Fluids, Plasmas, Elasticity, Relativity, and Statistical Physics), 2017, (프린스턴: 프린스턴 대학교 출판부).
* 킵 손, 『블랙홀과 시공의 왜곡: 아인슈타인의 엄청난 유산』(임 일·츠카하라 주신 역, 백양사, 1997년 7월. ISBN 4-8269-0077-5)

킵 손은 또한 『사이언티픽 아메리칸』, 맥그로힐의 『과학기술 연감』, 『콜리어 백과사전』 등 다양한 출판물에 글을 기고했으며, 학술지에 150편 이상의 논문을 발표했다.