뉴턴 Highlight `상대성 이론(Theory of Relativity)` 개정 신판

누구나 이해할 수 있는 상대성 이론 - 일본 뉴턴프레스 지음, 사토 가쓰히코 감수/뉴턴코리아

우리가 인식하는 세계는 눈으로 보는 3차원 빛의 세계이다. 하지만 정말 3차원일까? 그리고 , 빛 외에 우리가 인식하지 못하는 또 어떤 것들이 이 세계에 존재할까?

아인슈타인은 우리가 살고 있는 이 세계를 4차원이라고 정의했다. 4차원이라고 해서 아주 신기한 이론은 아니다. 3차원 공간에 시간이라는 차원을 더한 것이 4차원이라는 얘기다. 공간에서는 어느 방향으로든지 이동이 가능하다. 하지만 시간에서는 오로지 한쪽 방향만 있지 역 방향의 이동은 가능하지 않다. 과연 왜 그럴까?

상대성 이론은 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론으로 나뉜다. '기적의 해'라고 불리는 1905년. 그동안 아무도 생각하지 못했던 '빛과 공간 그리고 시간'에 대한 기존의 통념을 완전히 바꾸어 놓은 일이 일어났다. 뉴턴역학 이후  절대적으로 여겨져 오던 시간은 언제 어디서나 항상 일정한 것이 아니라 운동하는 물체의 방향과 속도에 따라 달라진다는 이른바 '상대성 이론'이 발표된 것이다.

사실 상대성 이론은 우리가 살고 있는 주변 세계처럼 속도가 느린 환경에서는 적용되지 않는다. 이 이론이 설명되려면 우리가 빛의 속도에 근접할 수 있어야만 이해가 될 수 있다. 그럼 빛의 속도에 근접했다고 가정하면 어떻게 될 것인가?

첫째, 질량이 무한히 늘어난다.
둘째, 시간이 상대적으로 천천히 간다.
셋째, 공간이 줄어든다.

하지만, 이것은 빛의 속도로 움직이고 있는 동안의 물체에만 해당하며 그 외의 물체에는 일반적으로 흐르는 시간이 적용된다. 이걸 다시 생각하면 빛의 속도를 내기란 불가능하지만 만약 빛의 속도로 여행하는 것이 가능해서 오랜 시간 동안 우주를 비행하다가 돌아왔다고 가정한다면 세상의 시간은 아주 많이 흘러가 있게 될지도 모른다.

위의 이론대로라면 빛의 속도와 같아지면 시간은 그 속도를 내는 물체의 입장에서 보면 멈춘다. 과연 그렇게 되면 세상이 어떻게 보이게 될까? 어떤 설명에 따르면 운동하는 물체의 뒤쪽 배경이 앞으로 오고(?) 다시 말하면 뒤에 있는 광경이 앞에 보인다는데(??...) 이렇게 해석하다 보면 이 세상은 과거와 현재, 미래가 서로 구분할 수 없고 그 조합을 뒤바꿀 수도 있지 않을까... 게다가 이 세계는 어쩌면, 단지 허상에 지나지 않는다는 아주 심오하고 철학적인 결론이 이끌어져 나올 수 있다.

그리고, 빛보다 더 빨라지면 과거로 갈 수도 있게 된다. 하지만 아인슈타인은 실제로는 이렇게 될 수 없다고 말하는데 그 이유는 질량이 무한대로 늘어날 수는 없기 때문이라고 한다. 그래서 빛보다 빠른 속도는 현실적으로 불가능하다고 결론지었다. 질량이 늘어나고 시간이 천천히 가는 것은 포항에 있는 우리나라에서 제작한 '입자가속기'의 입자 가속 실험결과 증명이 되었다.

특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론의 가장 큰 차이점은 바로 '가속도'와 '중력'이다. 특수 상대성 이론에서는 가속도라는 개념이 없다. 하지만, 이 '가속도'를 고려하면 어떻게 될까?

한 가지 가정을 하자. 우리는 지금 화성으로 간다. 아주 멋진 우주 비행선이 우리 눈앞에 있다. 자, 출발! 지구대기권을 빠져나가니 아주 환상적인 우주가 눈앞에 펼쳐진다. 앞으로 총 5년 이상이라는 시간 동안 화성계획을 수행할 것이다. 처음에는 그리 빠르지 않은 속도로 시작했으나 가속도가 붙어 점점 속도가 빨라진다. 대기가 없는 진공상태라서 마찰력은 0에 가까우니 결국엔 우주비행선의 속도가 빛의 속도에 근접할 것이다. 그러면 우주선 안에 있는 승무원들의 시간은 지구에 있는 사람들보다 매우 느리게 진행된다. 이런 상태로 가다가 화성궤도에 진입하기 전에 속도를 늦추어서 화성에 착륙하여 맡은바 임무를 완수하고 다시 광속에 가까운 속도로 지구에 돌아온다.

과연 출발 전 웃으며 배웅해주던 사랑하는 사람들이 떠나기 전의 그 모습에서 얼마나 달라져 있을까? 그건 장담할 수 없다. 돌아온 승무원들의 눈앞에는 출발전과는 많이 달라진 세상이 펼쳐져 있거나 어느 정도의 미래 세계가 보일 확률이 높을 것이다. 바로 그 승무원들에게 아주 느리게 흘러갔던 시간이 지구에서는 보통 그대로 흘러갔기 때문이다. 따라서, 과거로의 이동은 불가능할지 몰라도 미래로의 이동은 다소 극단적이지만 이론적으로는 가능하다. 그리고 또 한가지 아인슈타인의 일반 상대성이론이 제시한 훌륭한 발견은 바로 '가속도'는 '중력'과 일맥상통한다는 점이다. 이 일반 상대성이론은 '중력장 이론'이다.

'중력'... 빛은 눈에 보이나 중력은 눈에 보이지 않는다. 그리고, 우리의 감각기관은 중력을 감지할 수 없다. 그 이유는 '중력파'는 너무나도 미세하여 우리의 감각은 물론 지금 존재하는 그 어떤 관측장비로도 검출하기가 힘들기 때문이다. 중력은 눈에는 보이지 않지만 이 세계에 존재하는 물체는 그 주위에 중력장이 존재하고 있으며 서로 중력장에 의해 긴밀하게 연결되어 있다. 그리고, 그것은 선으로 연결된 것이 아니라 면 개념의 공간으로 연결되어 있다.

따라서 모든 물체가 움직이게 되면 그 주위에는 공간이 어느 정도 왜곡된다. 이 왜곡이 아주 커지면 공간이 찌그러지게 되고 거기에 중력을 극복할 수 있는 표면장력이 매우 큰 '전자기파'의 반중력이 작용하면 시공을 초월하여 '워프(Warp)'가 가능한 '웜홀(Worm Hole)'이 생길 수 있다고 한다.

영화 '컨택트(Contact)'에서 웜홀을 만들기 위해 막대한 에너지를 투입하여 중력을 극복할 수 있는 전자기 에너지 장이 만들어지고, 주인공 조디포스터가 그 에너지 장 안으로 들어가는 순간 어딘지 모르는 끝간데 없는 곳으로 빨려 들어가며 도착한 곳에서 외계인과 미지의 조우를 하게 되는데 그 외계인은 어릴 때 죽은 자기 아버지의 모습으로 나타난다. 주인공이 받을 충격을 감안했다는 것이 그 외계존재의 설명이었다.

그곳이 어딘지, 우리가 흔히 얘기하는 저승인지 또는 만난 존재가 신인지 단순히 우리가 생각하는 외계인인지는 알 길이 없다. 주인공이 작별인사를 하고 다시 이 세계로 돌아온 순간 그녀가 정신을 차리고 보니 사람들이 둘러싸고 그녀를 들어올린다. 그녀는 책임자에게 시간이 얼마동안 흘렀는지를 물었으나 그 책임자는 시간은 전혀 흐르지 않았고 그녀와 그녀가 탑승한 기계는 에너지 장에 들어가자마자 바로 반대쪽으로 떨어졌으며 임무는 실패라고 말했다.

그러나, 주인공은 청문회에서 자기가 겪은 모든 일을 상세히 설명했으며, 이 일에 대한 연구가 절실히 필요하다고 역설했다. 위원회는 심사숙고 끝에 다음과 같은 결론을 내렸다. '....그녀의 열정은 확실히 대단하다. 우리는 그녀의 연구가 전혀 가치 없는 일이라고 생각하지 않는다. 어쨌든, 그녀에게 연구비를 지원하도록 계획을 세울 방침이다. 그 근거로 그녀가 들고 간 캠코더의 녹화는 아무런 화면과 소리가 나오지 않았으나 분명 우리 시간으로 18시간 동안 녹화가 되어있었다....'

바로 아인슈타인은 이 '웜홀'의 존재 가능성에 대하여 생각한 것이다. 또한 중력은 빛조차 휘어지게 만드는 성질이 있다. 우리가 상식으로 쉽게 납득이 가지 않는 이 점은 아인슈타인이 생각하고 수학모델을 만들어 계산을 했으며 이것으로 수성의 근일점을 정확히 예측했다. 이것은 실제 관측을 통해 정확히 맞아 떨어짐이 확인되었으며 아인슈타인은 그 순간에 '가슴이 팡하고 뚫리는 기분이었다'라고 회고했다.

아인슈타인은 일반 상대성 이론(General Theory of Relativity)에서 세 가지를 예측했다. 모두 중력과 관계가 있다.

1. 원래는 직진하는 빛이 중력의 영향으로 구부러진다.
2. 태양의 제일 가까운 궤도를 돌고 있는 수성이 태양 중력의 영향으로 근일점이 이동한다.
3. (당시에는 발견되지 않았던)무거운 별로부터 나오는 빛이 중력의 영향을 받아 스펙트럼 선의 파장이 긴 빨간색 쪽으로 기울어져 관측된다.

아인슈타인은 1915년 일반 상대성 이론을 발표했다. 이에 따르면 태양같은 거대한 천체(天體)는 공간과 시간까지 휘어지게 할 정도로 강력한 중력을 일으키지만 이를 실험으로 확인할 방법은 없었다. 이들 아인슈타인의 예측은 지금까지 몇 번의 관측 실험을 거쳐 검증되어 그때마다 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 정확함을 입증하고 있고, 그 최초의 역사적인 순간은 1919년 5월 29일의 개기일식 때였다.

그에 따르면 우주의 3차원은 공간 안에 있는 것이 아니라 공간 위에 펼쳐져 있는 것이 정확한 표현이며 별의 중력에 의해 근접해있는 빛조차 휘어지는데다가 블랙홀에서는 그 빛도 빠져나올 수가 없다. 그리고, 이 상대성 이론에 의해 우리의 우주가 팽창하고 있다는 결과가 도출되었으며 아인슈타인 박사 사후 실제 관측에 의해 현재 우리의 우주가 매우 빠른 속도로 모든 방향에서 멀어져 가고 있음이 관측되었다.

아인슈타인은 중력장의 이론을 완성한 후 여기에 그치지 않고 자신의 상대성이론에 영감을 준 맥스웰의 '전자기파'이론을 접목시켜 중력장이론과 통합하는 '통일장 이론'을 연구했으나 성공하지 못했다. 뉴턴과 아인슈타인 모두 말년에 다음과 같은 비슷한 생각을 했다. "진리의 대양은 우리 눈 앞에 펼쳐져 있으나 우리는 아직 바닷가에서 조약돌을 주우며 밀려오는 파도에 발을 적시고 있을 뿐이다..."

아인슈타인 박사는 취미로 바이올린을 즐겨 연주했지만 음악가들이 지니는 예의 그 엄격함을 싫어했다고 한다. 이처럼 특유의 자유로운 사고방식이 20세기 과학계의 최고 화두를 탄생시켰는지 모른다. 그의 이러한 생각이 잘 드러난 사진 한 장이 아래에 나와 있다. 아마 모든 분야에서 통하는 공통 분모가 있다면 그건 바로 '유머'일 거라고 생각한다. 이 유머야말로 모든 것을 아우르는 최고의 가치라는 걸 사진 속에서 그가 몸소 보여주고 있다.