우주론의 탄생
우주가 정적이면서 균일하다는 것이 1920년대 대부분의 천문학자들이 가진 견해였습니다. 아인슈타인도 우주전역에 걸쳐 먼지와 별들이 골고루 분포되었을 것으로 보았습니다. 그도 리처드 벤틀리의 문제에 직면하여 중력이 항상 인력으로 작용하므로 별들은 결국 중심부를 향해 뭉칠 것이며 따라서 우주가 파국적 종말을 맞이할 수밖에 없다고 생각했습니다. 그는 우주가 움직인다고 생각하지 못했습니다. 뉴턴과 마찬가지로 그도 우주가 정적인 상태를 영원히 유지한다고 보았으므로 방정식으로 정적인 우주를 유도할 수 있어야 했습니다. 그는 1917년 자신의 방정식에 우주상수cosmological constant라는 새로운 항을 추가하여 난처한 상황을 피했습니다. 우주상수를 첨가하면 반중력antigravity이 도입되어 우주의 파국적 종말을 피해갈 수 있었습니다. 이론적으로 우주상수는 ‘밀어내는 중력’인 반중력을 생성하고 반중력이 중력과 서로 상쇄되면 우주는 정적인 상태를 유지할 수 있습니다. 그런데 아인슈타인은 기존의 중력이 정확하게 상쇄되도록 우주상수의 값을 임의로 결정함으로써 정적인 우주를 인위적으로 만든 것입니다. 이 논리에 따르면 중력은 암흑물질이 생성하는 반중력과 정확하게 상쇄됩니다. 그 후 70년 동안 우주상수는 제대로 대접을 받지 못하다가 최근 몇 년 전에 우주의 비밀을 풀 후보로 주목을 끌기 시작했습니다.
네덜란드 물리학자 빌렌 드 지터Wilhelm de Sitter(1872~1934)는 1917년에 아인슈타인의 일반상대성이론을 연구하면서 무한히 크면서 물질이 전혀 존재하지 않는 우주도 아인슈타인의 방정식을 만족한다는 사실을 알아냈습니다. 그의 이론에 따르면 우주는 밀어내는 반중력에 의해 엄청난 속도로 팽창해야 합니다. 진공에 물질이 전혀 없더라도 그곳의 암흑에너지가 우주를 팽창시킬 수 있다는 것입니다. 드 지터의 논문으로 물리학자들은 난관에 빠졌습니다. 아인슈타인의 우주는 정적이면서 그 속에 물질이 존재하지만 드 지터의 우주는 동적이면서 물질이 전혀 존재하지 않습니다. 드 지터의 우주에서 아인슈타인의 우주상수가 팽창의 원인으로 작용한 것입니다. 1919년 한 무리의 천문학자들이 아인슈타인의 일반상대성이론을 실험적으로 검증하기 위해 장거리 여행을 떠났습니다. 아인슈타인은 태양 근처의 공간이 휘어져있으므로 그곳을 지나는 별빛의 경로도 휘어진다는 것을 예견한 바 있었습니다. 이때 빛의 구부러지는 정도를 아인슈타인의 방정식으로 정확하게 계산할 수 있습니다. 태양 근처에 있는 별은 태양 빛에 가려 보이지 않으므로 천문학자들은 이 사실을 확인하기 위해 개기일식이 일어나는 곳으로 가야 했습니다.
영국의 천문학자, 이론물리학자 아서 스탠리 에딩턴Arthur Stanley Eddington(1882~1944)은 일반상대성이론을 영국에 처음 소개한 사람으로 왕립천문학회의 간사였던 에딩턴은 1차 세계대전 중 네덜란드에 살고 있던 드 지터로부터 아인슈타인의 일반상대성이론에 관한 논문을 입수한 뒤 1918년에 일반상대성이론에 관한 논문을 영국 물리학회에 기고했습니다. 에딩턴은 1919년 관측 팀을 이끌고 아프리카 서해안의 기니 만Gulf of Guinea 근처에 있는 프린시페Principe 섬으로 가서 일식을 기다렸습니다. 그의 임무는 일식이 진행될 때 태양 근처에 있는 별의 위치를 정확하게 측정하는 것이었습니다. 그리고 영국의 천문학자 앤드루 크로멜린Andrew Claude de la Cherois Crommelin(1865~1939)이 이끈 또 한 팀의 학자들은 브라질 남부의 수브랄Sobral로 가서 동일한 관측을 시도했습니다. 그들이 관측한 별빛의 이탈각departure angle은 평균 1.79초(1초=1/60분=1/3600도)였는데, 이 값은 아인슈타인이 예견했던 1.74초와 거의 일치했습니다. 이론과 실험의 차이는 오차범위를 벗어나지 않았으므로 빛이 중력에 의해 휘어진다는 일반상대성이론의 예견은 사실로 확인되었습니다.
1919년 11월 6일, 영국 왕립학회와 왕립천문학회의 연합모임에서 노벨상 수상자이자 왕립학회 회장 조셉 존 톰슨 경Sir Joseph John Thompson(1856~1940)은 말했습니다. 톰슨은 전자가 최소 전하를 가진 하전체임을 입증한 공로를 인정받았습니다.
“아인슈타인의 일반상대성이론은 인류 역사상 가장 위대한 인간사고의 산물이다. 비유로 말하면 아인슈타인은 외딴 섬을 발견한 것이 아니라 새로운 과학이 싹트는 새로운 대륙을 발견한 것이다. 중력을 설명하는 그의 이론은 뉴턴 이후 가장 위대한 업적이 아닐 수 없다.”