공간을 휘어지게 만드는 힘
아이작 뉴턴Sir Isaac Newton(1643-1727)은 청교도혁명이 일어난 해인 1642년 1월 4일 영국의 일컴셔Lincolnshire의 울즈소프에서 태어났습니다. 아버지는 작은 규모의 지주였으며 뉴턴이 태어나기 전에 죽었습니다. 어머니는 뉴턴이 세 살 때 대지주인 바나바 스미스와 결혼했습니다. 뉴턴은 1661년 케임브리지 대학 트리니티 칼리지에 입학하여 공부하면서 프랜시스 베이컨Francis Bacon(1561-1626)과 르네 데카르트Rene Descartes(1596-1650)에 관심이 많아 그들의 저작에 주석을 달았으며, 기하학과 원자론, 화학 등 다양한 학문을 접했습니다. 또한 연금술의 근본사상이었던 헤르메티시즘Hermeticism(신비주의)을 접했으며 이는 뉴턴이 평생 연금술alchemy에 관심을 가지는 계기가 되었습니다. 뉴턴은 1684년 핼리 혜성Halley's Comet으로 유명한 영국의 천문학자, 수학자 에드먼드 핼리Edmond Halley(1656~1742)와 행성운동에 관해 토론할 정도로 천문학에 식견이 있었습니다. 뉴턴이 핼리의 출판비용 지원으로 1687년 7월 5일 출판한 『자연철학의 수학적 원리 Philosophiae Naturalis Principia Mathematic』는 유명한 만류인력universal gravitation(모든 두 물체 사이에는 그것들의 질량에 근원을 두고 두 물체를 잇는 직선을 따라서 서로 끌어당기는 힘)의 법칙을 설명할 뿐만 아니라 뉴턴의 운동법칙을 통해 고전역학을 완성한 근대과학의 명저로 꼽힙니다. 또 독일의 철학자, 수학자 고트프리트 빌헬름 폰 라이프니츠Gottfried Wilhelm von Leibniz(1646~1716)와 함께 미적분학calculus의 창설에 큰 영향을 끼쳤습니다.
뉴턴이 시간과 공간을 “운동법칙에 따라 우주의 모든 사건이 일어나는 방대한 무대”로 본 데에 반해 아인슈타인은 시간과 공간이 자연현상에 매우 적극적으로 개입하면서 이상한 방식으로 휘어지는 것으로 보았습니다. 트램폴린trampauline 위에 놓인 볼링공을 예로 들면 볼링공이 놓인 자리는 움푹 들어가고, 이때 구슬을 볼링공을 향해 굴리면 구슬은 볼링공 주변을 공전하게 됩니다. 뉴턴의 관점에서 보면 구슬이 적절한 거리를 두고 볼링공 주변을 공전하는 것은 볼링공이 구슬에게 힘을 행사하고 있기 때문이지만 아인슈타인의 관점에서 보면 힘의 개념을 도입할 이유가 없는데, 구슬의 궤적이 휘어지는 것은 단지 볼링공에 의해 침대 표면이 휘어졌기 때문입니다. 이 경우에서 일반상대성이론에 따르면 당기는 힘은 작용하지 않습니다. 구슬을 지구로 볼링공을 태양으로 대치시키면 지구가 태양의 주위를 도는 것은 태양의 중력 때문이 아니라 태양이 지구 근처의 공간을 왜곡시켰기 때문입니다. 이런 논리를 바탕으로 아인슈타인은 중력이 우주전역에 즉각적으로 전달되는 인력이 아니라 질량에 의해 공간이 휘어지면서 나타나는 결과로 보았습니다. 양탄자 한쪽 끝을 세차게 흔들면 파동이 표면을 타고 특정속도로 전달되는 것처럼 중력도 파동을 창출하여 공간을 타고 빛의 속도로 전달된다는 것이 아인슈타인의 설명이었습니다. 아인슈타인은 중력을 시공간의 휘어짐으로 해석함으로써 상대성이론과 중력을 조화롭게 연결시킬 수 있었습니다. 중력이 물체를 잡아당기는 것(인력引力, attractive force)이 아니라 휘어진 공간이 물체를 밀어내는 것(척력斥力, repulsive force)입니다.
일반상대성이론에 따르면 중력은 우주공간을 가득 메우고 있는 독립적인 힘이 아니라 시공간이 휘어지면서 나타나는 부수적인 효과에 불과합니다. 그의 방정식으로 질량과 에너지의 분포상태에 따라 시공간이 휘어지는 정도를 계산할 수 있습니다. 고용한 연못에 돌을 던지면 수면파가 생성되어 사방으로 퍼져나갑니다. 돌멩이가 클수록 물결은 더욱 격렬하게 일어납니다. 이와 같이 별의 덩치(질량)가 클수록 시공간은 더욱 심하게 휘어집니다.