상대성 이론이란 무엇인가?

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

내년이면 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표한지 100년이 된다. 뉴턴을 비롯한 이전의 물리학을 고전으로 구분 지을 수 있는 결정적인 이론은 상대론과 양자론이다. 고전 물리학의 역학, 전자기학은 여전히 일반적인 기본 원리로 버릴 수 없는 이론이지만 양자론에 의해 설명되는 세상은 미시적, 확률적인 것으로 인식의 전환이 되면서 절대적인 개념이 희석화되었다. 고전 물리학과 상대론의 큰 차이는 시간과 공간을 어떻게 바라보느냐의 차이다. 고전 물리학에선 시간과 공간을 독립적으로 어떤 것으로 부터 영향을 받지 않는 '절대적' 환경이라 생각했다면, 상대론적 세계관에선 물체의 중력이 강한 곳에서는 시간과 공간이 변화한다는 것이다. 천체 물리학에서는 중요한 이론으로 지구의 환경과는 다른 변수가 많은 우주의 거대한 공간에서 상대론이 주로 설명되는 이유이기도 하다.

책의 저자 제프리 베테트는 과학과 수학 관련된 책을 대중과 어린이들을 위해 많이 쓰는 것으로 유명하다. 독자들이 상대론을 쉽게 이해할 수 있기를 바라는 마음을 담고 있는 저자의 서문에는 왜 사람들이 상대론을 이해하기 어려운가를 이렇게 말하고 있다.

대부분의 사람이 상대성을 이해하기 어려워하는 이유는 상대성 이론이 우리 마음에 깊이 각인된 시간과 공간에 대한 개념과 상충되기 때문이라는 것이다. 이러한 개념이 덜 깊이 각인된 아이들에게는 상대성이 그리 낯설게 다가오지 않고 그래서 어른들보다 쉽게 받아들일 수 있었던 것이다. - 서문 중

이 책은 몇단계로 구성되어 있다. 블랙홀이라는 우주에 존재하는 거대 질량을 가진 물체에 대한 이야기를 시작으로 특수 상대성 이론, 일반 상대성 이론, 상대론으로 인해 설명되는 몇가지 이론들에 대해 다루고 있다. 먼저 블랙홀에 대한 약간의 오해를 저자는 지적한다. 블랙홀은 주변의 모든 물체가 빨려 들어간다고 일반적으로 생각하고 있는데 사실은 아주 근접했을때만 블랙홀의 중력으로 인해 물체가 끌어당겨 지는 것일뿐이다. 우주엔 공기가 없어 마찰이 없는 상태이다. 단지 질량이 있는 물체들 간에는 각각의 중력이 작용하며 중력으로 인해 주변에는 궤도가 형성되는데 무한 쌍곡선 궤도, 무한 포물선 궤도, 유한 타원 궤도 등을 형성한다. 이 궤도 때문에 갑자기 블랙홀에 빨려 들어가는 현상은 생길 수 없다는 것이다.

특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론의 차이는 중력을 포함하느냐의 차이다. 특수 상대성 이론에서 지구의 자전 속도와 동일한 속도로 운동하고 방향만 반대인 비행을 예로 설명한다. 달에서 볼 때는 비행기가 정지해 있고 지구가 회전하는 것으로 보이지만, 지구의 표면에서 보면 비행기는 움직이고 있다. 절대적인 답이 아니라 '기준틀'이 어디냐에 따라 상대적인 결과를 확인할 수 있는 것이다. 그리고 시간지연현상은 움직이는 물체에 있는 시간은 정지해 있는 시간에 비해 상대적으로 느리게 간다는 것이다. 공상과학영화에 자주 사용되는 내용으로 우주여행을 몇 개월 갔다가 지구로 귀환해보니 몇 십년이 흘렀는 상황이 연출된다. 빠른 속도로 움직이는 우주선에서의 시간이 지구에 있는 사람들의 시간보다 느리게 흘렀기 때문이다.

상대성 이론이라는 것을 이해하기 위해서는 인식의 전환이 필요하다. 다양한 가능성을 열어두고, 생각의 절대적인 장벽을 무너 뜨려야 한다. 더 나아가 상대론에서 물체가 서로 당기는 중력은 폐쇄된 공간에서는 중력으로 인해 우주는 붕괴되었을 것이라는 가정을 하게 된다. 하지만 현재 붕괴되지 않고 중력의 힘은 유지되고 있으며 에드윈 허블에 의해 밝혀진 우주의 팽창설은 빅뱅이론의 근간이 되었고, 우주 탄생설의 가장 중요한 이론으로 받아들여지고 있다.

상대론은 쉬운 이론은 아니다. 이 책 또한 쉽다고만 할 수는 없다. 하지만 다른 책들보다는'상대적'으로 쉽게 쓸려고 노력했다. 분명 따져보고 생각해봐야하는 부분이 있다. 하지만 저자가 여러가지 예를 들며 길지 않게 설명하고 있는 책을 통해 상대론을 상식으로 받아들일 수 있는 좋은 기회가 될 수 있을 듯하다. 상대론을 이해하고 싶은 사람들에게는 입문서로 참고할만한 책이다.