일반 상대성이론은 무엇일까요? 특수 상대성이론이 발표된 이후 다년간의 연구를 거쳐 1915년에 발표한 이론입니다. 우주에 대한 이해가 넓어진 계기가 된 이론 중 하나인데요. 이 이론은 무엇이며 이를 이해하기 위해 이해가 필요한 내용들에 무엇이 있는지 알아보려 합니다.

상대성이론

일반 상대성이론

일반 상대성이론은 특수 상대성이론에서 가속도가 0이 아닌 경우까지 확장시킨 이론입니다. 기존 등속운동을 하는 대상에서, 가속하는 물체까지 범위를 넓힌 것이죠. 물체가 가속하는 상황에서도 그렇지 않을 때와 동일한 물리법칙의 영향을 받는다는 이야기입니다.

이론을 이해하기 위해서는 중력, 가속도, 등가원리에 대해 알아야 합니다.

중력

만유인력과 원심력의 합인 중력은 흔히 지구가 지구 위의 물체를 끌어당기는 힘 정도로 생각하기도 합니다. 그러나 엄밀히 말하면 중력이란 질량을 가진 물체가 서로를 끌어당기는 힘(인력)입니다. 즉 지구가 사람을 끌어당기지만 우리도 지구를 끌어당기고 있습니다. 그렇지만 지구와 사람의 질량 차이가 워낙 크기 때문에 지구가 사람을 끌어당기는 힘이 훨씬 세고, 우리가 지구에 두 발로 서있을 수 있는 것이죠. 중력은 자연계에 작용하는 네 가지 힘 중에도 매우 약합니다. 그러나 우주 모든 곳에 작용하기 때문에 영향력이 매우 큽니다. 태양계에서 지구, 화성 등의 행성들이 태양을 중심으로 이동하는 것도 같은 원리입니다. 태양의 질량이 매우 크기 때문에 중심점 역할을 할 수 있는 것입니다. 이처럼 중력의 크기로 인해 정의된 질량을 중력질량이라 부릅니다.

가속도 / 등가원리

물체에 힘을 가하면 그 물체는 가속하게 됩니다. 그 과정에서 물체는 원래 자신의 상태를 지속하려고 하는 관성의 법칙의 영향을 받습니다. 관성질량이란 물체에 힘을 가했을 때 가속도를 결정짓는 질량을 말합니다.

이해를 돕기 위해 예시를 들겠습니다. 물체가 자유낙하 할 때 아무런 힘을 느끼지 못합니다. 놀이기구를 탈 때 잠시나마 무중력과 유사한 느낌을 받는 것 등을 생각하셔도 좋습니다. 또 유명한 갈릴레이의 사고실험이 있습니다. 가벼운 물체와 무거운 물체를 같은 높이에서 자유낙하시키는 실험이죠. 언뜻 들으면 무거운 물건이 먼저 떨어질 것이라 생각하기 쉽습니다. 하지만 결과는 질량과 관계없이 ‘동시에 떨어진다.’입니다. 질량과 상관없이 중력 가속도는 동일하며, 중력질량과 관성질량은 동일하다는 것입니다.

이제 아인슈타인이 말한 등가원리에 대해 말할 수 있습니다. 등가원리란 위 실험의 결과처럼 중력에 의한 현상과 관성력에 의한 현상을 구별할 수 없다, 즉 중력질량과 관성질량이 같다는 원리입니다.

아인슈타인은 이 등가원리를 이용해서 중력이 빛 또한 휘게 만든다고 말했습니다. 등가원리에 기하학을 결합하여 중력을 휘어진 공간으로 표현하고, ‘중력장’이라고 불렀습니다. 빛이 등속으로 직진하지만 중력장을 만나면 휠 수 있다는 것입니다. 예를 들어 지구에서 출발하여 우주로 가속하고 있는 우주선에서 손전등을 비추면 빛은 아래쪽으로 휠 것입니다. 빛이 직진하는 속도는 동일하지만 우주선은 위쪽 방향으로 가속하고 있기 때문입니다. 그리고 빛을 휘게 한다는 것은, 특수 상대성이론에서 말했듯이 공간만이 아닌 시간까지 영향을 끼칩니다. 즉 중력이 우리의 시공간을 휘게 할 수 있다는 것이죠.

SF 영화에서 연출하는 장면을 보면 상대성이론을 바탕으로 만들어진 내용들도 많습니다. 주인공이 우주에서 궤도를 이탈해 잘못된 곳에 잠깐 갔다가 돌아왔더니 지구에서는 100년이 흐른 경우, 블랙홀에 다가가니 공간이 휘는 것을 목격한 것 등입니다. 우주는 방대하고 아직 인간이 밝혀내지 못한 이야기들이 훨씬 많습니다. 현대 물리학이 발전하면 앞으로 더 많은 것들을 볼 수 있겠죠.