상대성이론이란 무엇인가?

상대성 이론이란 무엇인가?
제프리 베네트 지음, 이유경 옮김 / 처음북스 / 2014년 8월

상대성이론이란 무엇인가

(머릿속 실험으로 상대성이론 이해하기)

상대성이론만큼 유명한 이론도 없지만, 그 유명세에 비해 상대성이론을 이해하고 있는 일반인들은 매우 드문 것도 사실이다. 상대성이론은 일반인이 이해하기는 쉽지 않다고 여겨지기 때문이다. 

그리고 이러한 편견(?)은 사실이기도 하다. 상대성이론이 결코 쉽지 않기 때문이다.

상대성이론이 쉽지않은 이유는 계산이 어렵거나 이론이 너무 복잡하기 때문보다는, 우리가 평소에 생각했던 물리학과는 다르기 때문이며,

상식밖이고 경험밖인 물리이론이기 때문이다.

그러나 상대성이론을 이해하면 우주를 이해하는데 많은 도움이 된다.

이 책도 블랙홀에 대한 이야기로 시작한다.

본문의 내용은 다음과 같다.

1부: 시작

2부: 아인슈타인의 특수 상대성 이론

3부: 아인슈타인의 일반 상대성 이론

4부: 상대성이 지니는 의미

이 책의 가장 큰 장점은 쉽지 않은 상대성이론을 수식을 하나도 사용하지 않고 '머릿속 실험'만을 이용하여 직관적으로 이해할 수 있도록 도와주는 데에 있다.

수학의 수자도 싫어하는 문과생들도 이 책을 통해 상대성이론을 이해할 수 있을 것이다.

내가 초등학교를 다니던 시절에 가장 유명한 만화는 '드래곤 볼'이었다. 드래곤볼에 '정신과 시간의 방'이라는 곳이 있는데 손오공은 '정신과 시간의 방'에 다녀오면 파워가 몇 배씩 상승해 온다. 여기서 '정신과 시간의 방'은 시간이 멈춰있는 방이라고 볼 수 있다. '정신과 시간의 방안'에 있는 사람은 시간이 정지한 것 처럼 느리기 때문에, 방 밖에 있는 사람들은 '정신과 시간의 방'에서 수련을 하고 나온 손오공이 순식간에 강해진 것처럼 느껴진다. 그러나 실제로는 손오공은 '정신과 시간의 방'에서 오랫동안 수련을 했다. 정신과 시간의 방을 경계로 시간의 흐름이 다른 것이다.

그런데, 아인슈타인의 상대성이론에 의하면, 드래곤볼에 등장하는 '정신과 시간의 방'은 이론적으로 실제할 수 있다. 

시간이 느리게 가는 공간이 있을 수 있는 것이다!! 

마치 공상과학 소설에 나오는 이야기 같지 않은가? 

그러나 상대성이론은 수많은 연구를 통해 입증된 이론이다. 

이러한 상대성이론을 바탕으로 시간과 공간의 변형에 대한 수많은 SF물이 만들어지고 있는데, 경우에 따라서 실제화 될 수도 있다는 말이된다.

이 책은 최근에 읽은 책들 중에 가장 흥분하며 재미있게 읽은 책이다. 

옮긴이도 이공계전공이 아닌데 번역을 매끄럽게 잘 한 것 같다. 오히려 비 전공자라서 더욱 알기쉽게 번역되지 않았을까 하는 생각도 든다.

내가 상대성이론에 이렇게 끌려든 이유는 상대성이론이 매우 통섭적이라는 느낌이 들기 때문이다. 

인문계와 이공계를 통섭함은 물론이고, 우주와 인간과 영성에 이르기까지 다시 한번 생각하게 해준다. 

아이슈타인은 아마도 '머릿속 실험'을 통해서 가설을 세우고 가설을 연구를 통해서 증명했을 것이다. 이것이 나에게 시사하는 바는 크다. 누구나 '머릿속 실험'으로 가설을 세워볼 수 있을 것이다. 그것을 증명하는 것은 물리학자들의 몫이거나, 증명이 되지 않는다고 해도 문제될 것은 없다. 

아이슈타인의 '머릿속 실험'을 접해보는 것, 그리고 나도 다양한 '머릿속 실험'을 해볼 수 있다는 것을 깨달았다는 것만으로도 큰 의의가 있다.

본문의 내용을 일부 인용하면,

상대성이론을 이해하는 중요하고 작은 비밀 한가지를 알려주겠다. '블랙홀은 빨아들이지 않는다' 태양이 갑자기 블랙홀이 된다면 지구는 매우 춥고 어두워질 것이다. 하지만 블랙홀이 태양의 질량을 그대로 유지한다고 가정했기 때문에 지구는 여전히 제 궤도를 돌고 있을 것이다.

두번째 핵심아이디어는 유한 궤도와 무한 궤도의 차이점이다. 우리는 타원을 유한 궤도라고 말하낟. 타원 궤도 위의 물체는 중심 물체의 중력에 의해 중심물체로부터 벗어나지 못하기 때문이다. 포물선과 쌍곡선은 무한궤도다. 이들 궤도를 따르는 물체는 중심물체로 가다과서 지나치고 다시 돌아오지 않는다. 즉, 중심물체의 중력은 이들 궤도상의 물체에 영원한 영향력을 미치치 않는다. 우주선(이나 많은 경우의 혜성) 같이 먼 곳에서 오는 물체들은 분명 유한한 타원궤도상에 있지 않다. 그러므로 포물선 궤도나 쌍곡선궤도 상에 있어야만 한다. 대부분의 무한궤도는 쌍곡선궤도다.

두 시계는 같은 시간을 기록하고 있었지만, 곧 블랙홀을 향해 떨어지고 있는 시계의 시간이 눈에 띄게 천천히 가고 있다는 사실을 발견할 것이다. 더구나 시계의 푸른색 숫자 색깔이 점차 빨간색으로 바뀌고 있을 것이다. 당신 관찰한 이 두가지, 시계가 느리게 가고 숫자가 빨간색으로 변하는 것은 아인슈타인이 예측한 핵심적인 효과의 결과다. 강한 중력에서는 시간이 느리게 흐른다는 것이다.

지구에서 밀물과 썰물이 일어나는 이유는 주로 달의 중력 때문이고, 또 지구의 반지름이 약 1만 3,000킬로미터라는 사실 때문이다. 지구의 지름이 약 1만 3,000킬로미터라는 것은 달을 향하고 있는 면이 반대쪽 면보다 1만 3,000킬로미터 더 달에 가깝다는 의미다. 중력의 힘은 거리에 따라 달라지기 때문에 달은 달에 가까운 면을 더 강하게 끌어당긴다. 달의 중력이 당기는 힘이 지구의 각 부분에 다르게 작용하기 때문에 달을 향한 시선을 따라서는 지구가 약간 늘어나고, 이시선과 직각을 이루는 선은 약간 줄어들게 된다.(중략) 지구가 자전을 하므로 우리는 하루에 이렇게 두 번의 볼록해짐, 즉 밀물을 경험하고, 두 번의 불룩해짐의 중간지점에서 썰물을 겪는다.

상대성이론을 이해하는 첫걸음은 정확히 무엇이 상대적인지를 명백히 하는 것이다. 사람들이 흔히 생각하는 것과는 대조적으로 아인슈타인의 상대성 이론은 '모든 것은 상대적이다'라고 말하지 않느다. 특수 상대성 이론은 '운동'은 언제나 상대적이라는 아이디어에서 그 이름을 따왔다.

시간의 느려짐은 어떤 물체도 속도를 점점 올려 빛의 속도에 이를 수 없다는 사실을 다시한번 일깨워준다. 우주선이 당신에게서 빠른 속도로 멀어지고 있다고 상상하자. 조종사는 엔진을 걔속 가동시키고 우주선의 속도는 점점 더 빨라진다. 우주선이 빛의 속도에 가까워지면 시간은 점점 더 느리게 흐를 것이다. 즉, 우주선의 조종사는 엔진을 계속 최대로 가동하고 있음에도 불구하고 당신은 우주선의 엔진이 점점 더 느리고 약하게 가동되는 것을 볼 것이다. 우주선의 속도는 빛의 속도에 점점 더 가까워질 수는 있지만, 빛의 속도에 다다를 수는 없을 것이다. 빛의속도에 다다르면 이론상 시간이 완전히 정지해 버리기 때문이다. 어떤 의미에서 보면 우주선은 시간이 없기 때문에 절대 빛의 속도에 다다르지 못한다.

질량증가 아이디어도 어떤 물체도 빛의 속도에 이를 수 없다는 사실을 설명해준다. 물체가 빨리 움지이면 움직일수록 물체의 질량은 점점 커진다. 그러므로 물체의 속도가 점점 더 빨라지면, 같은 힘을 줘도 그 물체의 속도는 점점 더 적게 늘어난다. 물체의 속도가 빛의 속도에 가까워지면, 물체의 질량은 무한대를 향해갈 것이다. 무한대의 질량을 더 빨리 움직이게 할 힘은 없으므로 물체는 빛의 속도에 도달할 마지막 속도를 결코 얻지 못한다.

우리는 지금까지 특수 상대성 이론의 가장 유명한 결과들을 다루었다. 즉, 움직이는 기준틀의 물체는 1)시간지연, 2)길이수축, 3)질량 증가를 겪는다는 아이디어다. 이 세아이디어에서 특수 상대선의 다른 많은 놀라운, 혹은 보기에는 역설적인 결과들이 나올 수 있다.

궤도가 시공간을 통과하는 가능한 한 가장 직선이 경로를 나타낸다는 사실은 매우 유용하다. 이것은 우리가 시공간의 마곡을 보지 못한다 해도 궤도들을 관찰함으로써 만곡지도를 그릴 수 있다는 뜻이기 때문이다. 우리는 이미 한 번 그렇게 했다. 앞에서 탐사선들의 궤도를 보고 지구 근처의 공간이 휘어져 있어 탐사선들이 궤도를 돈다는 사실을 알아냈다.

우리는 많은 궤도를 그려봄으로써 이 아이디어를 더 활용할 수 있다. 예를 들어, 지구 더 가까이에서 궤도를 도는 물체는 더 높은 곳의 물체가 그리는 궤도보다 더 작은 타원을 그린다. 즉, 지구 에 가까이가면 갈수록 공간은 더 많이 휘어져 있음을 말해준다. 이와 비븟하게 목성처럼 질랴이 더 큰 행성 주위를 도는 물체는 지구에서 같은 거리에 떨여져 궤도를 도는 물체보다 더빠른 속도로 돈다. 이것은 목성 주위의 공간이 지구 주위의 공간보다 더 많이 휘어져(더 빠르게 돌게 하고 )있음을 말해준다.

알의 문제는 지구를 평평하게 나태낸 지도를 가지고 필라델피아에서 비이징으로 가려는 비행사의 문제와 비슷하다. 평평한 지도에서 직선 항로는 두 도시를 연결하는 위선을 따라가는 것처럼 보인다. 하지만 지구 표면이 사실은 곡선이기 때문에 이 지도는 왜곡된 것이다. 가장 짧고 가장 직선인 항로는 대권항로다. 평평한지도에서 이 대권항로는 휘어지고 더 길어보니다. 왜곡된 사계지도가 두 도시 사이의 실제 거리를 변화시키지 않는 것과 마찬가지로 우리가 시공간 도표를 그리는 방식은 시공한 현실을 바꾸지 않는다.

블랙홀은 안과 밖이 있다. 1장에서 당신이 로켓을 매달아 블랙홀을 향해 떨어뜨렸던 시계를 생각해보자. 처음 시계를 우주선 밖으로 떨어뜨렸을 때는 로켓으로 시계의 떨어지는 속력을 늦추기가 비교적 쉬웠을 것이다. 하지만 블랙홀에 가까이 다가갈수록 중력이 강해져(다시 말하자면 시공간이 더 크게 휘어져)로켓은 더욱더 강한 힘을써야 했을 것이다. 결국 시계와 로켓은 '돌아올수 없는지점', 즉 아무리 힘을 써도 떨어지는 것을 막을 수 없고 빛조차 바깥 우주로 빠져 나올 수 없는 지점에 다다를 것이다. 이 돌아올 수 없는 지점이 1장에서 처음 이야기했던 사건의 지평선이다.

블랙홀 주위 궤도를 도는 당신의 관점에서 볼 때, 그의 시간은 점점 느리게 흐르다가 사건의 지평선에서 멈춘다. 그래서 당신은 그가 사건의 지평선에 다다르고 넘는 것을 보지 못할 것이다. 하지만 그의 관점에서 볼 때, 그의 시간은 언제나 정상적으로 흐르는 듯 보이고, 사건의 지평선을 넘을 때도 별로 특이한 점을 느끼지 못할 것이다. 그는 계속해서 블랙홀의 중심을 향해 빠르게 떨어질 것이다.