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특수상대성이론과 일반상대성이론의 차이점은 몇 가지로 살펴볼 수 있다. 특수상대성이론은 조건이 붙은 특수한 상황에서만 적용되는 이론이다. 이 이론이 적용되는 것은 ‘중력의 영향이 없다’ ‘관측자가 가속도운동을 하고 있지 않다’는 조건이 충족되는 경우다. 일반상대성이론은 그런 제약을 없애고 더욱 일반적인 상황에 적용되도록 발전시킨 이론이다. 일반이론은 특수이론을 그 속에 포함한다. 일반이론에서는 중력이 강한 곳에서 반드시 시간이 느려진다.
이 책은 1905년 특수상대성이론, 1915년 일반상대성이론에 관한 논문이 발표된 뒤 1916년 독일에서 처음 출판됐다. 그 무렵, 상대성이론을 이해한 과학자는 세계에서 12명밖에 없다는 말이 나올 정도로 어려웠다. 그래선지 아인슈타인은 서문에서 이렇게 말했다. “과학으로서뿐 아니라 철학적인 관점에서 상대성이론을 알고 싶어 하는 독자를 위해 나는 이 책을 쓰게 됐다. 이론물리를 이해하는 데 필요한 수학을 모르는 독자들이 상대성이론에 대한 정확한 통찰력을 얻을 수 있도록 이 책은 의도됐다. 고등학교 수준의 교육을 받은 독자라면 내용을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.”
아인슈타인에게는 16세 때부터 사로잡힌 한 가지 문제가 있었다. ‘광선과 나란히 달리면 무슨 일이 일어날까? 만일 내가 빛의 속도로 날아간다면 내 얼굴이 거울에 비칠까?’라는 의문이었다. 상대성이론의 발견으로 그가 내린 결론은 ‘만일 빛이 소리와 같은 성질을 지닌다면 광속으로 날아가는 얼굴에서 나온 빛은 거울에 도달하지 못한다’였다.
특수상대성이론은 아인슈타인이 스위스 특허청 직원으로 일하던 무명시절에 알아냈다. 그가 특허 심사관으로 일하던 시절에는 시계에 대한 특허가 자주 접수됐다. 당시 도시를 잇는 열차의 속도가 빨라지면서 여러 도시 간에 시간을 맞추는 일이 점점 더 중요해졌다. 도시는 정지해 있는 좌표계이므로 두 도시 사이에 시간을 맞추는 일은 그리 어렵지 않았다. 그렇지만 그중 하나의 좌표계가 움직이고 있다면 정지한 좌표계와 운동하는 좌표계의 시간을 어떻게 맞출까 하는 것이 아인슈타인의 머리에서 떠나지 않는 궁금증이었다. 어느 한 좌표계에서 ‘동시’라고 말할 수 있는 시간이 다른 좌표계에서는 ‘동시’가 되지 않는다면 어떻게 해야 할까라는 물음표도 생겼다.
1905년 5월 어느 날, 아인슈타인은 근무가 끝난 뒤 친구 베소의 집에 들렀다. 그는 빛과 관성계(慣性系)에 대한 문제를 한참 동안 토론하고 돌아갔다. 다음 날 아인슈타인은 베소를 다시 찾아와서 “고마워, 어제 그 문제 완전히 다 풀렸어”라고 말을 건넸다. 그때부터 특수상대성이론에 관한 논문을 쓰기까지는 불과 5주 정도의 시간이 걸렸을 뿐이라고 한다.
‘뉴턴 역학’ 대체
뉴턴에게 24~25세 때 ‘기적의 해’가 있었듯이 아인슈타인이 26세 때인 1905년도 ‘기적의 해’로 불린다. 특수상대성이론, 광양자가설, 브라운운동 이론, 질량과 에너지의 동등성 등 주요 4개 논문을 잇달아 발표한 해였기 때문이다. 이 4개 논문은 공간, 시간, 물질에 대한 물리학의 관점을 바꿔놓았다.
상대성이론은 그때까지 한 치의 의심도 없이 올바른 이론으로 받아들여진 뉴턴 역학을 대체했다. 시간과 공간의 개념을 혁명적으로 변화시켰을 뿐만 아니라 훗날 원자력발전 등으로 인류 생활에도 폭풍을 몰고 왔다. 특히 특수상대성이론의 유명한 공식 E=mc²은 핵무기를 탄생시키는 데 결정적인 역할을 한다. 핵무기는 인류의 사고에 격변을 몰고 왔다. 상대성이론은 과학은 물론 철학, 영화와 애니메이션, 미술, 사진, 문학, 음악, 건축 등 거의 모든 분야에 엄청난 영향을 미쳤다. 이 때문에 미국 시사주간지 ‘타임’은 새천년 직전인 1999년 아인슈타인을 20세기의 가장 영향력 있는 인물로 선정했다.