세상은 빛만이 절대적이다

상대성 이론이란 무엇인가? - 세상에서 가장 쉬운 물리학 특강, 개정판
제프리 베네트 지음, 이유경 옮김 / 처음북스 / 2022년 10월

저번에 읽은 [직감하는 양자역학]을 통해 세상과 과학과 물리에 얼마나 무지한지 깨닫는 계기가 되었습니다. ㅎㅎ;; 그런데 현대물리학을 설명하는 또 하나의 이론이 있는데 상대성이론이 있죠. 양자역학 공부한다고 유튜브를 몇 개 봤는데 거기서 꼭 상대성이론을 언급하더라구요. 솔직히 상대성 이론이 E=mc2만 알고 있는데 왜 상대성 이론이라고 불리는지조차 모르고 있으니 역시나 그냥 외웠고 왜 이렇게 되었는지 생각을 안 해본거겠죠? 그래서 이번에 나온 책 중에 [상대성 이론이란 무엇인가? (세상에서 가장 쉬운 물리학 특강)]이라는 책을 보기로 큰 결심을 했습니다. 양자역학 때의 어지러움을 다시 한 번 각오하고 그래도 비슷한 종류의 책을 여러 번 읽어야 알지 알겠냐는 생각으로 읽었는데 생각보다 잘 읽혔어요. 우선 수식을 전혀 사용 안하고 그림과 비유를 통해서 설명을 해주는게 좋았고 양자역학 때보단 스트레스를 덜 받았습니다. 제대로 이해한지는 모르겠지만 상대성 이론이 나오게 된 배경부터 이론에 대한 설명, 그걸 통해 알 수 있는 것들에 대해 정리해볼께요.

시작은 뉴턴의 이론이 지배했던 고대물리학에서 시작되게 됩니다. 뉴턴이 떨어지는 사과를 보고 발견한 만유인력 법칙은 두 물체 사이에 작용하는 힘이 있고 이것이 사과를 떨어뜨리고 행성들이 궤도를 도는 이유들을 설명할 수 있었습니다. 덕분에 해왕성의 존재와 위치를 예측할 수 있었고 우주선의 이동 경로와 착륙지점을 정확하게 알아낼 수 있었다고 해요. 하지만 뉴턴조차 이 힘이 어떻게 생겼는지에 대한 설명을 못 했다고 해요. 200년동안이나 답을 못 찾다가 아이슈타인이 이 문제를 해결합니다. 먼저 마이컬슨과 몰리라는 사람이 빛은 파동이라는 전제하에 빛이 운동하려면 매질이 있어야 될거라고 생각하고 그 매질을 찾기 위해 실험을 했는데 의외로 어떤 상황에서도 빛의 속도(30만km/s)가 일정하다는 것을 알게 됩니다. 예를 들면 어떤 사람이 A라는 속도로 달리고 있는 상황에서 빛을 쏘면 빛은 30만km/s+A가 되어야 정상인데 빛의 속도가 변화가 없다는 거에요. 빛의 속도가 변화가 없다는 걸 가정하에 아이슈타인은 이 세상은 빛을 제외한 시간, 공간, 질량은 상대적이라는 이론을 내게 됩니다. 이게 특수 상대성 이론이에요.

저도 처음에 이게 뭔소리인가 이해가 전혀 안 되었는데 지금 우리가 살고 있는 세상은 대부분이 빛의 속도보다 택도 없이 느리기 때문에 그 차이를 전혀 못 느끼고 있는거라고 합니다. 우선 상대적의 반대말은 절대적이잖아요. 지금까지는 모두에게 시간은 절대적으로 변하지 않고 동일하게 주어진 거라고 통념인데 물체가 빛의 속도만큼 빠르면 시간이 느려진다고 합니다. 이건 실험을 통해서도 나온 결과인데 입자가속기에서 작은 입자를 빛의 속도만큼 가속해서 충돌하는 실험을 했는데 입자들이 충돌하면서 다른 입자(중간자)로 변하게 되는데 그냥 정지상태에 있는 중간자보다 그 상태를 더 오래 지속했다고 합니다. 인터스텔라를 보면 주인공이 중력이 강한 행성에 몇 시간만 갔다왔는데 지구에는 있는 사람들의 시간은 몇 년이 지나고 하는게 그런 이유라고 합니다. 이건 일반상대성이론과 다시 연계되기 때문에 뒤에서 다시 언급할께요.

제가 이해한 것은 맞는지 모르겠지만 우선 빛의 관점으로 봐야 되고 빛의 속도에 추가적인 속도가 붙으면 속도가 늘어나는게 아니라 시간이 느리게 가는 것으로 이해했습니다. 그리고 날아가는 시간이 줄어든만큼 같은 거리를 날아가야되니 공간도 수축되어야 빛의 속도가 유지되겠죠. 시간과 공간을 따로 봐야 될 것이 아니라 서로에게 영향을 준다는 것입니다. 그리고 운동을 하고 있으니 에너지를 가지고 있을텐데 이 에너지의 근원은 그 물체의 질량에 비례하고 그 유명한 E=mc2이라는 공식이 나오게 됩니다. 아주 작은 질량에도 c를 제곱했기 때문에 엄청난 에너지를 가지고 있을꺼고 이것이 곧 핵융합을 통해 태양이 빛을 내는 원리와 핵무기가 왜 엄청난 파괴력을 가지는지를 설명해 줄 수 있어요. 태양의 핵융합은 초당 약 6억톤의 수소를 5.96억톤의 헬륨으로 바꾸게 되고 사라진 400만톤의 질량이 에너지로 바뀌어 태양을 빛나게 하는 거라고 합니다.

이 특수 상대성이론은 등속운동 조건에서만 가능한 이론이었습니다. 그 이후 아이슈타인은 특수 상대성이론을 발표 후 10년동안 일반적인 상황, 즉 중력이 있는 상황까지 고려한 이론을 정립하여 일반상대성이론을 발표하게 됩니다. 여기서 아까 말한 만유인력이 왜 생기는지에 대한 답이 나와요. 책에는 일반상대성이론이 나오게 된 아이디어가 있는데 솔직히 거기까진 이해가 쉽지 않고 결론은 중력이라는 것이 물체들의 질량만큼 시공간이 휘어져 있다는 것을 말합니다. 아래 그림처럼 비유를 하면 이해가 쉬운데 평평한 면에서 일직선으로 움직이면 이 면을 벗어나겠지만 태양이 시공간을 휘게 해서 태양주변을 회전하게 되는거죠. 그래서 태양에 가장 가까이 있는 수성의 공전속도가 제일 빠르고 거리에 따라 공전속도가 느려집니다.

그리고 당연히 모든 물체들이 가진 질량만큼 시공간이 휘게 되고 아까 인터스텔라 예로 다시 돌아와서 주인공이 밀러행성이라는 곳에 1시간만 있어도 지구는 7년이라는 시간을 지나게 됩니다. 이것은 밀러행성의 질량이 더 커서 주변 시공간이 지구보다 더 휘어져 있고 시간이 더 느리게 갑니다. 위의 그림에서 평평한 면일 때 격자 1칸의 간격이 1cm라고 하면 지구 근처의 격자 간격은 예를 들면 0.8cm, 밀러 행성 주변의 격자 간격은 0.3cm라고 하면 빛의 관점으로 보면 빛의 속도는 어디서든 똑같기 때문에 같은 격자 1칸을 이동할 때 밀러 행성 주변의 시간이 더 느리게 가는 거라고 이해했습니다.

그럼 이 일반상대성이론으로 알 수 있는게 있습니다. 바로 블랙홀과 우주의 나이, 그리고 빅뱅을 말이죠. 우선 블랙홀부터 이야기해보면 어떤 행성의 크기가 압축되거나 질량이 엄청 커지면 그 근처 시공간의 변형이 아래 그림처럼 보일 겁니다. 그러면 블랙홀 주변에서의 중력은 더 극단적이게 되고 어떤 물체가 블랙홀에 빠지면 더욱 나오기 힘들겁니다.

이렇게 일반상대성이론으로 중력의 정체를 발견했는데 여기서 의문은 모든 물체가 끌어당기면 우주가 붕괴되어야 될텐데 왜 붕괴되지 않을까요? 아인슈타인은 이 부분을 밝혀내지 못 했지만 우주는 팽창하고 있다는 것입니다. 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표하고 10년 후 에드윈허블이 관찰을 통해 우주는 팽창한다는 사실을 알아낸 것이죠. 이것의 비유는 아래 그림에 건포도 케익을 보면 쉽게 알 수 있어요. 시간이 지날수록 건포도들의 간격이 벌어집니다. 여기서 과학자들은 팽창되는 속도를 계산해서 역으로 우주의 나이를 계산해보았어요. 과학자들은 우주의 시작이 빅뱅(팽창의 시작)이라고 생각했고 계산을 해본 결과 우주의 나이는 138억년이라고 합니다.

일반상대성이론으로 만물의 원리를 알 수 있었습니다. 이 책에서는 아이슈타인의 엄청난 업적 속에 과학적 사고의 힘을 높게 평가하고 있습니다. 아인슈타인은 십대시절에 빛을 타고 가면 어떨까라는 생각을 했고 그걸 의문으로만 그치지 않고 수학, 물리학을 배우고 실제로 조사하고 탐구한 결과 지금의 업적을 이뤄냈습니다. 이런 과학적 사고를 통해 우리가 사는 세상을 이해하고 더 나은 세상을 만들기 위해 노력해줬으면 좋겠다고 하네요. 제가 봐온 책들에서도 똑같이 세상을 당연하듯이 받아들이는게 아니라 왜 생겼는지, 어떻게 작동하는지 등의 본질을 이해하는 것이 진정한 공부라고 이야기합니다. 이걸 토대로 지금 세상에서 하지 않은 것을 했을 때 세상이 나아지고 내가 큰 사람이 되는 길이 아닌가 생각해봤습니다. 지금 남들이 아는 수준만큼만 알면 새로운 것을 볼 수 없을 겁니다. 지금까지 많은 사람들이 쌓아놓은 걸 토대로 멀리 볼 수 있도록 해야 될 것 같아요. 뉴턴의 말로 이 글을 마무리하겠습니다.^^

내가 다른 사람들보다 더 멀리 봤다면, 그것은 내가 거인들의 어깨 위에 서 있었기 때문이다.