아인슈타인 상대성이론

 상대성이론은 그 유명한 알베르트 아인슈타인이 20세기 초반에 수립한 이론이며, 물리학에 종사하지 않는 사람이라도 한 번씩을 들어본 경험이 있는 아주 유명한 이론 중의 하나이다. 그렇다면, 왜 법칙, 정의, 학설 등으로 표현하지 않고, 이론이라고 명명한 것일까? 그 이유는 아마도, 상대성이론은 법칙으로 규정하기에 너무 방대한 영역을 다루는 것이기 때문이라고 나는 생각한다. 일 더 하기 일은 2라고 하는 절대불변의 법칙이 아니라, 사고/ 생각/ 인식/ 사상의 영역에까지 걸쳐 있기 때문이다. (다만, 상대성 이론이 발표되었던 초창기에는 상대성 원리라고 많이 알려졌었으며, 이 이론을 발표한 아인슈타인마저 상대성 원리라고 표현하는 것을 즐겼다고 알려져 있음) 이를 통해 상대성 이론은 고전 물리학을 극복할 수 있는 계기가 되었고, 양자역학과 더불어 현대 물리학의 근간 중에 하나로 불리게 되었다. 이는 영화 "인x스X라"에서 다뤄진 시간과 공간에 관해 설명한 이론이며, 일반 상대성이론과 특수 상대성 이론으로 구분할 수 있다. 이는 우리에게 익숙한 고전 물리학의 일반적인 현상들이 빛보다 빠른 속도와 블랙홀 수준의 중력이 가해지는 상황에서는 무엇이 달라질지를 예측하는 것이라고 볼 수 있다. 이 상대성이론은 그동안 인류를 지배했던 공간과 시간이라는 개념으로 벗어날 수 있는 실마리를 제공하였으며, 블랙홀같이 고전물리학으로 설명할 수 없는 우주적 개념들에 대해 증명할 수 있는 근거를 제시했다. 영화 '인x스x라'를 본 사람이면, 주요 등장 인물들에게 시간이 서로 다르게 흐른다는 것을 보고 느끼고 체험해 보았을 것이다. 내가 만약 빛보다 빠른 우주선으로 우주를 항해하다가 블랙홀에 잠시 빠졌다가 겨우겨우 빠져나와서 지구로 돌아왔더니, 수십 년이 지나 있을 수 있는, 그런 만화적인 상상이 더 이상 상상이 되지 않을 수 있다는 뜻이다. 아인슈타인이 1900년대 초반에 발표한 일반 상대성 이론은 과거 고전물리학을 정면으로 반박하는 이론으로, 당시 학계에서는 많은 논란을 불러일으킨 것으로 전해지고 있지만, 이 이론을 통해 현대 물리학이 발전할 수 있는 계기가 되었다는 것은 명백한 사실이다. 시간과 공간에 대한 이 일반 상대성이론은 시간과 공간이 서로 관련이 있다는 사실을 증명한다. 고전역학에서는 이 둘은 서로 다른 영역임에 따라 서로 관련이 없음을 주장하는 반면, 상대성이론에서는 시간과 공간이 서로 영향을 주고받는 상호 연관 관계에 있다는 것을 증명하였었다. (블랙홀이나 빛의 휘어짐 등. 특히, 블랙홀의 경우처럼, 매우 무거운 질량의 항성이 블랙홀이 된다면 빛마저 흡수해 버리기 때문에 그 무엇도 보이지 않게 되기 때문에 블랙홀이라고 불림)
 그렇다면, 이 상대성 이론은 어떻게 생겨난 것일까? 상대성 이론은 빛, 특히 빛의 속도인 광속과 매우 밀접한 연관을 가진다. 고전물리학에서는 이 '빛'을 다루는 데에 한계를 가진다. (매우 오래전 과거에는 신앙적인 이유로 빛에 대해 연구하는 것 자체를 꺼리는 연구 풍토도 있었을 것으로 추정되기도 함. 오죽하면, 성경에서 가장 먼저 나오는 말이 "Let there be light." 일까) 빛이 얼마나 빠른지에 대한 궁금증은 전자기학과도 연관이 있다. 맥스웰 방정식으로 유명한 물리학자인 맥스웰은 전자기파가 얼마나 빠른지를 측정해 냈는데, 바로 이 전자기파의 속도가 빛과 동일한 것이었다. (이 당시에는 전자기파와 빛이 곧 동일한 것이 아니냐는 의심도 있긴 했었지만, 몇 가지 오류와 모순이 발견되면서, 전자기파와 빛은 다르다는 것 밝혀지긴 했었음) 당시 학계에서는 그야말로 커다란 충격에 빠졌었다. 그동안 모든 역학 현상의 근간으로 인식되어 오던 고전물리학으로는 더 이상 설명할 수 없는 세계가 있다는 것을 알게 되었으니 말이다. 이에 대해 아인슈타인은 상대성이론을 발표하면서, 이 시간과 공간의 연관성에 관해 설명하였고, 이 둘의 관계에 관해 설명할 수 있는 근거를 제시하게 된 것이다.

 상대성이론을 설명하는데 시간과 공간의 개념뿐만 아니라, 에너지에 대해서 짚고 넘어가야 한다. 인류는 에너지에서 벗어날 수 없다. 우리가 일상에서 쓰는 대부분의 가전, 자동차 및 스마트폰 등 여러 가지 가전들의 대부분은 전기에너지로 작동되며, 이 전기에너지가 없다면 인류는 지금까지 산업혁명 이전 시대에서 머물러 있을 것이다. 이 에너지를 얻기 위해 인류는 그동안 많은 연구를 거듭하였으며, 최근에는 풍력/ 조력/ 수력 등 여러 가지 친환경 에너지 발전 방법이 개발되고 있지만, 인류는 여전히 원자력에 크게 얽매여 있다. 그렇다면, 왜 갑자기 에너지 이야기를 하는 것일까? 상대성 이론을 통해, 질량이 열량/ 에너지로 전환된다는 것을 증명해 낼 수 있기 때문이다. 즉, 원자력 발전 또한 이 상대성 이론과 떼래야 뗄 수 없는 관계에 있다. 우라늄을 분열시켜 핵분열을 일으키는 것이 원자력 발전의 이론인데, 극소량의 우라늄을 분열시킬 때 발생하는 에너지로 전기를 생산한다는 것은 바로, 질량을 열량/ 에너지로 변경하는 것에 대한 증빙/ 결과다. 이 원리를 이용한 것이 바로 인류가 만들어낸 최악의 무기라고 일컫는 핵폭탄이다. 이 점 때문에 아인슈타인은 많은 회의론자의 비판 대상이 되기도 하지만, 과학기술을 오용한 타인으로 가야 할 화살이 과녁을 잘못 찾은 게 아닐까. 다음 포스트에서는 이 상대성이론과 앞서 포스팅한 양자역학이 현대 물리학에 어떤 영향을 미치게 되었는지를 설명해 보고자 한다.