(과학 물리학) 상대성 이론이란 무엇인가

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

2019년 4월 10일, 인류 역사 최초로 블랙홀을 촬영한 사진이 공개되었다. 드디어 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 궁극적으로 증명된 것이다. 그렇다면 이제는 블랙홀을 여행할 차례다. 여행을 떠나기 전, 상대성 이론이 무엇인지부터 알아보자.
책 뒤표지 중에서

아인슈타인의 상대성 이론을 쉽게 풀어썼다는 말에 귀를 팔랑이면 골랐다. 아인슈타인은 워낙 유명한 과학자, 물리학자로 그의 이름을 모르는 이는 거의 없을 것이다. 나에게 있어 아인슈타인은 혀를 내밀고 있는 사진과 E = mc²라는 공식, 상대성 이론을 만든 과학자로 머릿 속에 저장되어 있다. 그리고 세계2차 당시 루즈벨트 대통령에게 독일의 핵개발에 맞서 미국이 나서야 한다는 편지를 쓴 것 정도 알고 있다.

상대성 이론에 대한 말은 많이 들어봤는데 막상 설명하라고 하면 입을 뗄 수가 없다. 뉴스를 보니 블랙홀이 발견되면서 아인슈타인의 상대성 이론이 증명되었다는 내용을 얼핏 본거 같다. 블랙홀이랑 상대성 이론은 무슨 연관이 있을까.
좀 더 일반적으로 볼 때, E = mc²은 질량과 정지 상태 에너지 사이의 등가 관계를 나타낸다. 이 등가 관계는 우리가 공간과 시간 사이의 등가 관계를 보는 것과 흡사한 방식으로 봐야만 한다는 사실을 염두에 두라.
p95 <3. 시간과 공간을 다시 정의하다> 중에서

1905년 알버트 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 먼저 발표한다. 특수상대성은 나중에 발표된 일반 상대성 이론과 달리 중력을 무시한다. 상대성 이론은 (1) 자연의 법칙은 누구에게나 똑같고 (2) 빛의 속도도 누구에게나 초속 3만킬로로 똑같다는 절대적인 전제로 만들어진다.

아인슈타인은 과학계에서는 알려진 인물이었으나 일반인에게는 널리 알려진 존재가 아니었다. 그러나 1919년 5월 29일 천문학자들이 개기일식 관찰하고 이를 토대로 시공간의 휘어짐, 즉 중력에 의한 빛의 휘어짐(대개 중력 렌즈)의 예상이 맞다는 걸 알게 된다. 이로인해 아인슈타인은 언론의 집중적인 관심을 받게 되면서 널리 알려진다.

그 외에 쌍둥이역설이나, 빛의 속도에 가깝게 물체를 움직이게 해주는 입자가속기 등의 다양한 물리학 이야기가 나온다. 그리고 저자는 우주선을 타고 우주공간을 떠다니는 알(AL)이라는 인물과 빛과 거의 비슷한 속도로 달리는 육상선수 벤을 가상으로 만들어 물리학 이론을 쉽게 설명해주고자 한다. 알과 벤은 다양한 실험을 하는데 결국 빛의 속도(c, 광속)는 방해물이 없는 이상 초속 3만킬로로 절대적이며 어디서, 누가 보든 동일하게 적용된다는 걸 입증한다. 그리고 광속보다 빠르게 이동하는 존재는 없다(우주의 팽창 속도는 예외로 둔다)는 사실도 사고입증한다.

블랙홀은 모든 것을 빨아들이는 공간으로 SF영화나 SF소설에서 블랙홀에서 벗어나려고 발버둥치는 우주인의 이야기가 종종 등장한다. 블랙홀을 쉽게 설명하자면, 우주의 일부를 얇은 고무막이라고 가정한다. 그리고 거기에 무거운 쇠공이 고무막에 떨어지면 고무막은 쇠공의 무게를 못 견디고 아래로 축쳐지고 결국 구멍이 난다. 그 뚫린 구멍이 블랙홀이라고 생각하면 된다. 흔히 상상하는 바와 다르게 블랙홀은 주변의 모든 물질을 끌어들이는 강력한 힘은 없다고 한다. 또한 저자는 블랙홀은 질량이 높지만 크기는 작아 블랙홀에 끌려들어가기 쉽지 않다고 한다. 그러나 블랙홀에 일부러 진입할 경우, 블랙홀의 강한 중력으로 인해 인간의 신체는 찢길거라고 한다. 그 전에 수십억 광년에 있는 블랙홀을 만나기도 쉽지 않으니 이런 걱정은 당분간 SF시리즈를 볼때만 할 것이다.

상대성 이론 중 흥미로운 것은 관점의 차이이다. 내가 비행기를 타고 지구를 돌때, 지상에 있는 사람과 지구 밖에 있는 사람은 나의 이동을 다른 관점에서 파악할 것이다. 그러나 빛은 어디에서 관측하든 동일하다고 못 박는다. 상대성 이론에 따르면 모든 물질은 잡아당기기 때문에 결국 우주의 행성들 역시 모두 잡아당겨 결국 파괴되어 블랙홀이 되어야 하지 않냐고 작가는 되묻는다. 저자는 우주의 이동팽창 속도가 더 빠르기 때문에 유지되고 있다고 건포도 케이크의 건포도를 들어 설명해준다.

일반인들을 위해 쉽게 쓰여진 책이라 다양한 사례가 내 눈높이에 맞춰 설명되어 있다. 그러나 대충의 개념은 이해가 되는데 물리학 자체가 비전공자인 나에게는 아직 어렵다. 요즘 양자물리학이 부상하면서 알버트 아인슈타인, 리차드 파인만과 같은 물리학자 등의 이론들이 다시 소개되고 있다. 국내에서는 김상욱 교수 등이 일반인이 보는 프로그램에 출연해 쉽게 물리학을 알려주려고 노력한다. 물리학, 상대성 이론, 아인슈타인, 블랙홀, 우주팽창에 관심이 있다면 한번은 읽어볼만 하다. 나는 이와 관련된 배경지식이 얕아 고전했다.

(처음북스 출판사로부터 도서를 제공받아 주관적으로 작성된 감상문입니다.)