물리학 문외한도 이해할 수 있는 상대성 이론

상대성 이론이란 무엇인가? - 세상에서 가장 쉬운 물리학 특강
제프리 베네트 지음, 이유경 옮김 / 처음북스 / 2020년 5월

어렸을 때 스티븐 호킹 박사의 “시간의 역사”를 들춰 본 기억이 있다. 당시 초등학생이던 내게 너무 어려워서 끝까지 읽지도 못했고, 상대성 이론 등을 전혀 접하지 못했던 나는 호킹 박사의 주장이 정말 이상하다고 생각했다. 내가 당연하게 생각하고 있던 상식과는 전혀 다른 신기한 얘기가 나오고 있었다.

그리고 이제 “상대성 이론이란 무엇인가”를 읽고 나니, 그 책을 다시 펼쳐보고 싶어졌다. 이제는 이해할 수 있을 것 같다. 이 책에서는 수식을 거의 쓰지 않고, 논란이 있는 부분은 적당히 생략하면서 쉽게 상대성 이론을 설명한다. 그리고 거기에서 블랙홀과 빅뱅, 상대성 이론이 해결해야 할 문제까지 소개한다.
특수 상대성 이론은 다음 두 법칙을 기반으로 한다.

1.     자연의 법칙은 누구에게나 똑같다.

2.     빛의 속도는 누구에게나 똑같다.
                            (p. 52)

이 법칙은 모든 운동이 상대적이라는 사실과 상반된다. 내가 왼쪽으로 멀어지고 있는 상태에서 정지하고 있는 상대방을 본다면, 나는 상대가 오른쪽으로 멀어지고 있다고 생각한다. 그러나 빛은 초속 30만 킬로미터의 속도로, 누가 보나 일정한 속도로 이동한다. 이것은 자전하는 지구 위를 이동하는 비행기를 생각해보면 알 수 있다. 자전의 반대 방향으로 이동하는 비행기와 자전하는 방향으로 이동하는 비행기의 속도를 달에서 본다면 속도가 완전히 다르지만, 빛의 경우에는 두 경우 동일한 속도로 이동한다.
빠른 속도로 움직이는 우주선에서 빛이 이동하는 경우, 우주선이 움직이지 않는 경우보다 빛은 긴 거리를 이동한다. 그리고 빛의 속도는 일정하고 속도는 시간 분에 거리이기 때문에 이 경우 시간이 느리게 간다는 것을 유도해낼 수 있다.
빠르게 이동하는 경우 시간이 느리게 가기 때문에, 빛의 속도에 가까운 빠른 속도로 우주 여행을 하고 돌아온 우주인들은 지구인들보다 나이가 적게 든다. 모두의 시간이 동일하게 흐른다는 상식과는 전혀 다른 이야기가 상대성 이론으로 이렇게 쉽게 유도되다니.
이 책은 이렇게 쉬운 설명으로, 빠르게 움직이는 경우 길이가 줄어들고 질량이 커지며, 절대적인 것은 다만 빛의 속도로, 시간과 공간은 상대적이라는 것을 설명한다.
또한 일반 상대성 이론에서는 중력과 가속도의 효과는 동일하며 중력은 시공간의 휘어짐에서 생긴다는 것을 설명한다. 이것을 쉽게 설명하기 위해서 평평한 고무막에 무거운 덩어리를 놓는 것에 비유한다. 블랙홀처럼 질량이 큰 무거운 덩어리의 경우에는 고무막이 아래로 심하게 쳐지다 못해, 뚫리는 것에 비유한다. 이 비유가 정확하지는 않지만, 쉬운 이해를 위해 이 책은 조금 부정확해도 쉬운 설명을 해 주었다.
중력과 가속도의 효과가 같기 때문에 낮은 곳이 높은 곳보다 시간이 느리게 흐른다는 것 역시 유도된다. 지구의 고도로는 인간의 일생동안 10억분의 몇 초밖에 되지 않지만.
블랙홀에 대한 더 자세한 설명과 빅뱅이론으로 마무리되는 이 책에서는, 상대성 이론에서도 아직 설명해주지 못하는 것이 있다며, 그것이 과학자들을 흥분시키는 미래라는 말로 끝낸다.
쉽게 설명해주었다지만, 자연과학에는 문외한에 가까운 나로서는, 찬찬히 생각해봐야 이해가 가는 지점도 있었다. 그러나 이 책을 읽고 물리학에 꽤나 관심이 생겼다. 내가 상대성이론을 보완할 일은 죽었다 깨어나도 없겠지만, 적어도 사 놓고 십 년 이상 방치했던 “코스모스”는 꺼내고 싶어졌다. 이 책이 보내는 상대성 이론에의 초대가 즐거웠다.
자연과학도가 아니더라도, 상대성 이론에 대해 관심이나 호기심이 있다면 일독할 만 하다. 그리고 일독했다면 분명 나처럼 또 다른 물리학 책을 더 들춰보게 될 것이다.