인류 역사상 가장 충격적인 변화 중 하나인 상대성이론에 대한 이야기를 해볼까 합니다. 독일 태생 미국 물리학자인 알버트 아인슈타인이 세운 이론인데요. 당시 사회가 갖고 있던 기존 인식을 완전히 바꿔 패러다임의 변화가 있었던 이론입니다. 상대성이론에는 일반 상대성이론과 특수 상대성이론이 있는데요, 말만 들어서는 일반이 더 쉬워 보이지만 그렇지 않고, 특수에서 일반 쪽으로 확장되는 개념이 있어서 순서를 바꾸어 소개합니다.
상대성이론
상대성이론 배경
상대성이론이 등장하기 전 지구의 운동법칙을 설명하던 것은 뉴턴의 이론이었습니다. 고전물리학이라고도 불리는 뉴턴역학에 따르면, 우리가 지내는 시간과 공간은 절대적이고 독립적입니다. 시간과 공간은 우리에게 영향을 끼칠 수 있지만 우리가 그것을 변하게 하는 것은 불가능하고, 시간과 공간은 독립적이고 변하지 않는 존재라는 것입니다. 지금 현대에서 들어도 굉장히 당연한 말처럼 들립니다. 그런데 아인슈타인이 제시한 이 이론에 따르면, 시간과 공간이 변할 수 있습니다. 물질의 질량이나 속도에 따라 말이죠.
특수 상대성이론
특수 상대성이론은 1905년 아인슈타인에 의해 발표된 이론입니다. 이 이론은 물리학적 법칙을 이용하여 상대적인 물리 현상을 설명합니다. 빛의 속도는 모든 관측자에게 일정하며, 시간과 공간은 각각의 관찰자에 따라 상대적이라는 이론입니다. 이를 이용하여 과학계에서 의문점이었던 중력이 시공간을 휘게 하는 것도 설명할 수 있습니다.
이 이론을 설명하는 두 가지 원리가 있습니다.
상대성 원리(물리법칙의 동일성)
갈릴레오 갈릴레이가 제시한 ‘상대성 원리’입니다. 상대성 원리란 서로 같은 속도로 직선 운동을 하는 공간에서는 동일한 물리법칙이 일어난다는 것입니다. 예를 들어 자전거를 타고 가는 사람이 물건을 수직으로 위로 던지면 그 물건은 다시 수직으로 본인에게 떨어집니다. 그러나 그걸 지면에서 지켜보는 사람 입장에서는 물건은 자전거의 진행 방향으로 포물선 운동을 하는 것처럼 보입니다. 물리법칙은 변하지 않지만, 관찰자에 따라 다르게 운동하는 것처럼 보인다는 것이죠. 고속 열차를 타면서 편안하게 잘 수 있는 것, 지구가 자전하지만 우리가 느끼지 못하는 것 등도 예시가 될 수 있습니다.
빛의 속도(광속불변의 원칙)
빛의 속도는 항상 일정하다는 원칙입니다. 기본적으로 빛 또한 입자로 구성되어 있고 파동의 성질을 갖고 있습니다. 지구에서 파동의 속도는 매질이 되는 고체, 액체, 기체에서 다 다릅니다. 빛 또한 이동하려면, 즉 파동이 전달되려면 매질이 필요합니다. 그런데 우주라는 공간은 진공 상태이기 때문에, 과학자들은 빛의 매질이 되는 물체가 있을 것이라고 가정했고 ‘에테르’라는 이름을 붙입니다. 이후 실험을 통해 에테르에 방해를 받은 빛의 속도를 측정하여 에테르가 시간을 얼마나 지연시키는지 확인했습니다. 결과는 빛의 속도는 일정했습니다. 이것을 ‘광속불변의 원칙’이라 부릅니다.
B와 C는 우주의 같은 공간에 있습니다. 관찰자 A 입장에서, 오른쪽으로 이동하는 B와 C를 바라봅니다. B와 C에는 빛을 감지하는 장치가 있어서 빛이 닿는 순간 발광합니다. B와 C의 중간 지점에는 광원이 있습니다. 이 때 B와 C는 빛의 속도, 광속과 유사한 속도로 같은 방향, 같은 속력으로 이동합니다.
광원 위치에 관찰자가 있다면, 광원에서 빛이 켜진 순간 감지장치 B와 C는 동시에 불이 켜지는 것으로 보입니다. 당연한 얘기지요. 그런데 지구에 있는 관찰자 A가 바라봤을 때 B와 C의 거리가 같기 때문에, 또 빛의 속력이 동일하기 때문에 A가 바라본 B, C는 빛이 동시에 켜진 걸로 보일까요? 그렇지 않습니다. B와 C가 오른쪽으로 빛의 속도로 이동하면서, 광원에서 나온 빛은 각자에게 다른 속도로 닿게 됩니다. C가 광원에서 멀어지는 방향으로 이동하기 때문에, 그 거리만큼 빛이 더 늦게 닿는 것이죠. 따라서 관찰자 A의 시점에서는 B가 먼저 불이 켜지는 것으로 보입니다.
광원에 있는 관찰자와 지구에 있는 관찰자에게 같은 현상이 다른 시간으로 느껴진다는 것이죠. 즉 둘의 시간이 다르게 흘러간다는 것입니다. 따라서 속도가 시간에 영향을 끼칠 수 있다고 말할 수 있습니다. 시간의 차이를 느끼려면 현실에서는 사실상 어렵지만, 이론적으로 광속처럼 엄청난 속도로 이동할 수 있다면, 미래로 갈 수 있는 타임머신도 가능한 이야기입니다. 질량이 에너지로 전환된다는 E=mc2, 물체의 길이가 줄어드는 현상 등도 설명이 가능합니다.
E=mc2 이 공식이 의미하는 바는 ‘에너지=질량×광속의 제곱’입니다. 질량-에너지 등가원리라고 부르는데요. 광속은 1초에 약 300,000km입니다. 그 광속의 제곱에 질량을 곱하면 에너지로 전환됩니다. 이렇게 질량을 에너지로 바꾼다면 작은 양으로도 엄청난 에너지가 발생할 수 있겠죠? 이 원리를 이용한 것으로 핵분열과 핵융합, 원자력 발전소에서 전기 에너지를 생산하는 것이 있습니다. 영화 오펜하이머에서 우라늄을 핵무기로 만드는 것도 같은 원리이죠.
마무리
상대성이론이 20세기 초에 발표된 이후 100년 이상이 흘렀습니다. 그 기간 사이에 많은 실험적 검증을 통과했고, 활용 방법에 대한 연구도 활발합니다. 현대의 GPS 시스템의 정확도를 향상시키는 역할에 활용되고 있고, 특히 시간과 우주의 원리를 이해하는 데에 큰 역할을 한 이론입니다. 기존 이론적 발상을 뒤집어 놓은 엄청난 변화였죠. 이는 현대 물리학의 하나의 기반을 이루는 역할을 하고 있습니다.