잠 못들 정도로 재미있는 이야기: 상대성 이론

상대성 이론 ㅣ 그림으로 읽는 잠 못들 정도로 재미있는 이야기
오미야 노부미쓰 지음, 조헌국.이영란 옮김 / 성안당 / 2020년 5월

쿤의 패러다임 이론에 따르면 아인슈타인의 상대성 이론은 뉴턴 역학에서 꼬리를 물고 탄생한 것이 아니라 뉴턴의 이론과는 별개로 새로운 패러다임의 전환이 일어난 것이라고 한다. 뉴턴 역학이라는 이론 위에 상대성이론이라는 살을 덧붙이는 것이 아니라 그것과는 별개의 개념으로 일반상대성이론이 뉴턴 역학을 대체했다는 의미이다. 하지만 아인슈타인이 일반상대성이론을 만들어 내는데는 뉴턴 역학이 큰 역할을 했다. 뉴턴 역학은 과학적 사고의 기초가 되는 물리법칙이었고 19세기 중반부터 20세기 초반까지의 산업혁명 시대의 바이블로 기술발전에 큰 영향을 끼쳤다. 그러나 전자기 현상에서는 뉴턴 역학이 통용되지 않는다는 것을 밝혀내고 이 문제를 해결하는 과정에서 양자역학과 특수 상대성 이론이 발표되었던 것이다. 하지만 특수 상대성 이론은 관성계에서만 적용된다는 점과 중력의 문제를 다룰 수 없다는 문제가 있었고 이 두가지 문제를 해결하기 위해 일반 상대성 이론이 만들어졌다.

책에서는 하나의 챕터를 할애하여 상대성 이론 탄생 이전의 물리학의 역사와 상대성 이론이 나오게 된 배경과 과정 그리고 당위성 등을 설명해준다. 앞서도 말했지만 상대성 이론은 분명 패러다임의 전환이 가져온 혁신적인 이론이다. 하지만 기존의 물리학 법칙들이 하나씩 쌓여오지 않았다면 상대성 이론이 나오지는 못했을 것이다. 그래서 상대성 이론을 이해하기 위해서는 단순히 상대성 이론만을 공부할 것이 아니라 그 이전의 물리학 법칙들에 대한 이해 또한 반드시 필요하다. 뉴턴 역학을 비롯 맥스웰의 전자기학, 살릴레이의 상대성 원리, 페러데이의 장 이미지 같은 이전 물리학에 대한 이해가 상대성 이론의 대한 이해를 도울 것이다.

앞서도 말했듯이 뉴턴 역학이 전자기 현상에서는 통용되지 않는다는 것에서 그것을 해결하기 위해 특수 상대성 이론이 만들어진다. 직관적으로는 일반 상대성 이론이 먼저 나오고 특수 상대성 이론이 나왔을 거라고 생각하기 쉬운데 특수 상대성 이론이 먼저 만들어졌다고 한다. 그리고 많이 알고 있는 E=mc2가 바로 특수 상대성 이론의 내용이라고 한다. 챕터2에서는 이 특수 상대성 이론에 대해 설명한다. 빛의 속도와 에테르의 절대속도를 측정하려는 실험이 모두 실패로 끝났다. 다른 과학자들은 실험이 실패라고 하였지만 똑같은 실험결과를 두고 아인슈타인은 지구상에서는 아무리 실험을 해도 지구의 절대 속도를 구할 수 없다는 결론을 내었고 이런 발상의 전환이 상대성 원리를 탄생시키는 첫걸음이 된다. 남들과 다르게 생각함으로서 진실에 한걸음 더 가까이 다가간 것이다. 아인슈타인은 여기서 상대성 원리와 광속불변의 원리를 내세우고 이를 통해 특수 상대성 이론을 확립한다.

하지만 이 특수 상대성 이론은 가지의 한계를 가지고 있었다. 하나는 관성계라는 중력이 없는 상태에서만 적용이 되는 것이다. 비간성계에서는 사용할 수가 없다. 그래서 관성계에서 비관성계로 옮겨가는 것에 대해서는 해답을 찾을 수가 없다. 다른 한가지는 중력에 대한 논의가 빠져있다는 점이다. 특수 상대성 이론은 일반 상대성 원리, 등가원리, 중력이 존재하지 않을 때 성립한다. 이 문제를 비유클리드 중 리만 기하학을 활용하여 해결하여 일반 상대성 이론을 만들어낸다. 챕터4에서는 이런 특수 상대성 이론이 가진 한계로 일반 상대성 이론이 나오게 된 배경과 설명을 하고 있다. 챕터5에서는 우주과학과 함께 상대성 이론을 고찰해본다.

솔직히 상대성 이론 그 자체가 쉽지 않은 개념이라 책의 내용도 쉬운 편은 아니다. 한번 읽고 그 내용을 전부 완벽하게 이해하는 건 애초에 기대하지도 않았다. 그러나 너무 학문적으로 어렵게 설명하는 것이 아니라 상대성 이론이 만들어지게 되는 배경부터 특수 상대성 이론을 지나 일반 상대성 이론이 만들어지기 까지의 과정을 따라가며 통시성있게 차근차근 상대성 이론에 대한 이해를 쌓아간다. 그리고 예시를 들어서 설명하므로 조금은 더 이해하기가 수월한 것 같다. 한두번 더 읽어보며 상대성 이론에 대한 개념을 정립하면 좋을 것 같다.