상대성 이론이란 무엇인가

상대성 이론이란 무엇인가? - 세상에서 가장 쉬운 물리학 특강
제프리 베네트 지음, 이유경 옮김 / 처음북스 / 2019년 5월

이 글에는 스포일러가 포함되어 있습니다.

이 책은 아인슈타인의 상대성 이론에 대해 설명한 책이다. 총 4장으로 구성이 되어있고, 우리가 블랙홀로 여행을 떠나는 것으로 시작한다.

블랙홀은 빨아들이지 않는다

블랙홀에 대해 잘 모르는 사람들이라면 블랙홀은 주위의 물체들을 빨아들인다고 오해하고 있을 것이다. 그러나 블랙홀은 진공청소기가 아니다. 우리는 상대성 이론을 통해 블랙홀에 대해 정확히 알 수 있다.

이 책의 2장은 특수 상대성 이론에 대해 설명하고 3장은 일반 상대성 이론에 대해 설명한다. 일반 상대성 이론을 먼저 알아야 할 것 같지만 저자는 아인슈타인이 일반 상대성 이론보다 특수 상대성 이론을 먼저 발표한 것처럼 특수 상대성 이론부터 설명하는 게 더 쉽다고 말한다.

1. 자연의 법칙은 누구에게나 똑같다

2. 빛의 속도는 누구에게나 똑같다

특수 상대성 이론은 우주에서 이 두 가지는 절대적이라는 아이디어에 토대를 두고 있다. 사실 첫 번째 법칙은 그다지 놀랍지 않을 것이다. 두 번째 아이디어는 이해하기 어려울 수 있지만 빛의 속도의 절대성은 이미 실험으로 검증되었다. 저자는 머릿속 실험을 전개하며 독자의 이해를 도왔다. 빛의 속도가 항상 같다는 아이디어는 우리가 가지고 있던 시간과 공간의 개념을 근본적으로 바꾸어놓았다. 시간과 공간을 재정의하게 된 것이다. 이 재정의를 통해 우리는 4차원적 시공간 구조를 이해할 수 있고 여기서 =2​ 라는 질량과 정지 상태 에너지 사이의 등가 관계를 나타내는 아주 유명한 등식이 나온다.

특수 상대성 이론은 우주를 더 잘 이해하게 해주었을 뿐만 아니라 물리학에서 중요하고 잘 알려진 문제들도 여럿 해결했다. 당시 많은 물리학자들이 이 문제를 연구하고 있었고 아인슈타인 외에도 이와 비슷한 이론을 전개하는 물리학자들이 있었다. 그러나 저자는 이와 달리 일반 상대성 이론 아인슈타인이 아니었다면 수년이 더 지나도 발견되지 않았을 것이라 말한다. 아인슈타인은 다른 과학자들과 달리 우주가 단순하다고 믿었고, 이러한 접근 방식은 아인슈타인을 일반 상대성 원리로 이끌었다. 이 믿음은 과학이라기보단 신념이었다. 일반 상대성 이론은 특수 상대성 이론의 허점을 메웠고, 우리가 중력을 이해하는 방식을 완전히 새롭게 재정의했다.

상대성 이론의 이름은 모든 운동은 상대적이라는 아이디어에서 따왔다. 중력의 효과가 가속도의 효과와 정확히 같다는 원리를 통해 모든 운동의 상대성이 지켜진다는 것을 알 수 있다.

중력은 시공간의 휘어짐에서 생긴다

아인슈타인은 중력을 다시 정의하였다. 그는 이 아이디어를 수학적으로 정확히 설명하기 위해 오랜 시간을 고민하였다. 가장 큰 문제는 등가 원리에 기초한 계산이 특수 상대성 이론에 필요했던 계산보다 수학적으로 더 어려웠다는 점이다.

이 책의 마지막 장은 상대성 이론이 가진 의미에 대해 말하고 있다. 상대성 이론을 통해 우리는 블랙홀과 팽창하는 우주를 이해할 수 있게 되었다. 우주는 고정되었다고 주장하는 아인슈타인의 상대성 이론이 우주는 팽창하고 있다는 이론을 뒷받침했다는 것은 아이러니하다. 아인슈타인이 자신의 가장 큰 실수라 말했던 '우주 상수'가 사실은 실수가 아닐 수 있다는 이론 또한 재미있다. 이 책은 우리가 시작한 블랙홀 여행을 마무리하며 끝난다.

세상에서 가장 쉬운 물리학 특강이라 주장하는 이 책은 실제로 상대성 이론을 쉽게 이해할 수 있도록 도와준다. 우리는 책 사이사이에 등장하는 여러 삽화와 사진들을 통해 머릿속 실험을 쉽게 전개할 수 있다. 과학지식이 전혀 없다면 책에 나오는 기본적인 과학 용어와 아이디어가 낯설 수 있지만, 책에서 전개하는 실험은 과학지식이 없더라도 따라가는 데 큰 어려움이 없을 것이다. 저자는 복잡한 수식과 공식을 설명하지 않는다. 이로써 독자들이 상대성 이론을 최대한 쉽게 이해할 수 있도록 도와준다. 블랙홀로 여행을 한다는 아이디어는 상대성 이론에 흥미를 느끼게 해준다. 상대성 이론이 무엇인지 알고 싶지만, 너무 막연해서 도전하기 어려웠다면 이 책을 통해 가볍게 이해할 수 있을 것이다.