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상대성이론
알베르트 아인슈타인 지음, 장헌영 옮김, 지식을 만드는 지식
시간을 테마로 한 옴니버스 영화 ‘텐 미니츠-첼로(Ten Minutes Older: The Cello)’ 중 마이클 레드퍼드 감독의 10분짜리 작품 ‘별에 중독되어(Addicted To The Stars)’의 줄거리다. 한 사람에겐 10분이라는 시간이 어떤 이의 한평생이 되는 역설은 알베르트 아인슈타인의 특수상대성이론에 기댄 놀라운 시간여행의 상상력에 따른 것이다.
아인슈타인은 상대성이론을 알기 쉽게 설명해달라는 요청을 받자 “미인과 함께 있으면 1시간이 1분처럼 느껴지지만 뜨거운 난로 위에서는 1분이 1시간보다 길게 느껴지는 것과 같다”고 흥미로운 비유로 답변했다는 일화가 전해진다.
20세기 최고의 물리학자 아인슈타인의 위대한 저작 ‘상대성이론: 특수 상대성이론과 일반 상대성이론’(원제 Uber Die Spezielle Und Die Allgemeine Relativitatstheorie)은 시간과 공간은 절대적인 것이 아니며, 관측하는 입장에 따라 바뀐다는 게 뼈대다. 그동안 시간과 공간은 전 우주에 걸쳐 오직 하나뿐이며, 같은 공간에 펼쳐 있을 뿐이라는 믿음에 의심의 여지가 없었다. 따라서 모든 존재는 같은 공간에 있고, 모든 사건은 동일한 공간에서 일어난다. 같은 공간에서 일어나는 모든 사건에는 하나뿐인 동일한 시간이 적용된다. 이 같은 고정관념이 아인슈타인의 상대성이론에 의해 뿌리째 바뀌게 됐다. ‘4차원 시공간’ 개념도 그렇게 생겨났다.
4차원 시공간 개념
특수상대성이론을 요약하면 이렇다. 시간은 물체의 이동속도에 따라 상대적으로 변화한다. 물체가 빛의 속도로 움직일 때 시간은 정지한다. 빛의 속도보다 더 빨리 움직이면 시간은 거꾸로 가기 시작한다. 예를 들면 빛의 속도에 가까운 속도로 날아가는 우주선 안에서는 시간의 흐름이 느려진다. 달 표면에 있는 사람이 보면 우주선 안의 시간이 천천히 흘러간다. 우주선 안에 있는 사람에게는 아무런 변화가 없다. 시간의 흐름이 느려지고 빨라지는 것은 다른 입장에 있는 사람과 비교했을 때만 의미를 가진다. 광속에 가까운 속도로 날아가는 우주선과 정지해 있는 우주선의 길이는 원래 같다. 하지만 광속에 가까운 속도로 날아가는 우주선은 길이가 줄어든다. 시간이 느려지는 것과 마찬가지로 물체의 길이도 상대적이다. 물체는 광속에 가까워질수록 가속하기 어려워진다. 광속에 가까운 속도로 날아가는 우주선의 질량은 커진다.
어떤 초문명의 기술로도 넘을 수 없는 속도의 한계가 이 세계에 존재한다. 속도의 한계는 빛의 속도다. 빛의 속도는 관측하는 장소의 속도나 광원의 운동속도에 관계없이 언제나 초속 30만km로 일정하다. 얼마 전 국제적 과학연구그룹인 오페라(OPERA) 팀이 ‘빛보다 빠른 물질을 발견했다’고 발표했다가 1년도 안 돼 철회하는 해프닝이 있었다. 이 해프닝은 아인슈타인의 특수상대성이론이 옳았음을 다시 한 번 확인해줬다. 현대과학에서 가장 중요한 방정식인 E=mc²은 특수상대성이론의 가장 중요한 결과다.
일반상대성이론을 간추리면 다음과 같다. 빛은 중력에 의해 휘어진다. 물체도 아니고 무게도 없는 빛이 중력에 의해 나아가는 코스가 바뀐다. 불가사의하지만 실제로 태양 뒤편의 별에서 나오는 빛이 태양 근처에서 휘어지는 것이 확인됐다. 이 휘어짐은 진공 상태에서도 일어나지만, 물속에서 일어나는 빛의 굴절과는 다르다. 빛이 휘는 현상은 공간이 휘기 때문에 일어난다. 중력은 시간의 흐름에도 영향을 끼친다. 중력에 의해 시간이 천천히 흐른다. 빛을 휘게 할 뿐 아니라 삼켜버릴 정도로 중력이 강한 ‘블랙홀’ 근처에서는 시간이 거의 정지해버린다. 우주선이 블랙홀 근처까지 날아가 잠시 머물렀다가 돌아오는 것을 상상해보자. 머무는 장소를 잘 선택하면 여행자는 1년밖에 보내지 않았는데도 지구에서는 100년이 지나가는 일이 생길 수 있다. ‘블랙홀’이 ‘미래의 타임머신’으로 사용되는 것이다. 영화 ‘별에 중독되어’도 이 현상에서 착안한 것으로 보인다.
아인슈타인은 ‘일반상대성이론’에서 이렇게 말했다. “이제 우리는 ‘공간’이라는 모호한 용어를 전적으로 피해야 하며, 공간으로부터는 어떠한 사소한 개념조차 구성할 수 없음을 시인해야 한다.”
아인슈타인은 아이작 뉴턴의 만유인력으로 설명되지 않는 세 가지 현상을 일반상대성이론으로 규명했다. 첫째, 수성이 태양 둘레를 공전할 때 공전궤도가 세차운동(歲差運動·Precession)하는 값을 정확하게 밝혔다. 둘째, 멀리 떨어진 별에서 나오는 빛이 태양 부근을 지날 때 태양의 만유인력에 의해 휘는 것이다. 셋째, 중력 적색 편이라고 불리는 것으로 매우 큰 질량을 가진 별에서 나오는 빛은 파장이 증가한다.
일반상대성이론은 수성의 근일점(타원궤도 중에서 태양에 가장 가까워지는 점)이 100년마다 43초씩 이동하는 현상을 설명해냈다. 1960년에는 금성의 근일점이 100년에 8초씩 이동한다는 사실이 추가로 드러나 일반상대성이론을 뒷받침했다. 중력에 의해 빛이 휘어진다는 사실은 1919년 5월 29일 일식(日蝕) 때 확인됐다. 이 실험에서도 아인슈타인의 예측은 1% 이하의 오차로 적중했다. 중력 적색 편이는 1964년에 실험으로 확인했다