상대성이론의 아주 기초적인 이해와 사고 태도

 

 상대성이론은 양자론과 함께 20세기 물리학의 중심적인 이론으로 자리잡았습니다. 20세기의 과학 발전은 바로 양자론과 상대성이론을 축으로 비약적인 발전을 했다고 해도 과언이 아닙니다. 양자론은 전자나 소립자와 같이 수백만 분의 1미리 그 이하의 마이크로 세계의 구조와 법칙을 해명하기 위한 학문입니다. 반도체가 바로 양자론의 가장 알기 쉬운 결과물이라 할 수 있습니다. 분자와 원자, 전자 그리고 소립자 등으로 구성되는 이 작고 작은 세계의 물리법칙을 다루는 것이 양자론 또는 양자역학이라 불리우는 이론입니다. 한편 상대성이론은 우주와 같은 드넓은 세계에서 더 큰 힘을 보여주는 이론입니다. 상대성이론이나 양자론이 등장하기 이전의 물리학은 만유인력의 법칙을 발견한 뉴턴과 같은 사람들이 쌓아 올린 고전물리학에 의해서 거이 완성되었다고 생각되었습니다. 우리가 알고 있는 고전물리학은 대부분 중고등 과정을 거치면서 배워온 것이고 실생활에 바로 적용이 가능한 실용적인 것이었습니다. 이 고전물리학으로 대부분의 운동을 설명 가능하고, 자연현상, 천체의 관측에 이르기까지 설명이 가능한 것이었습니다. 하지만 눈으로 볼 수 없는 극히 미세한 세상을 관찰할 수 있는 기기들이 발명되기 시작하면서 고전물리학의 통념은 깨지기 시작합니다. 기존의 고전물리학으로는 도저히 설명이 되지 않는 현상들이 일어나고 있다는 것에 많은 학자들이 혼란을 겪게 됩니다. 이것은 종교로 따지면 거의 이단에 가까웠기 때문입니다. 그리고 20세기 초에 양자론과 상대성이론이 정립되고 그 후 약 30여년의 검증을 거치면서 사람들은 보다 심오한 법칙이 존재한다는 것을 알아가게 됩니다.

 

하지만 양자론과 상대성이론에서 예시로 들고 있는 많은 이야기들과 이론들은 우리가 일상을 살면서 거의 실감을 할 수 없는 것들이 대부분입니다. 호기심이 일순 있어도 고전물리학과 같이 실생활에 유용하게 써먹지는 못하는 것들입니다. 대표적으로 시간에 관한 이론이 그렇습니다. 상대성이론에서는 공간과 시간에 대한 예시가 많이 등장합니다. 예를 들자면 ‘빠르게 움직이는 로켓을 타고 있으면, 안에 탑승한 사람의 시간은 느리게 간다’라는 것도 실제로 우리는 납득하지 못합니다. 어릴 때에는 이 이야기를 듣고, ‘만약 빠르게 도는 지구에서 벗어나 우주정거장에 머물다 돌아오면 우주비행사는 훨씬 더 빨리 늙게 되는 것일까’ 라는 의문을 품기도 했었습니다. 하지만 이 이론에서 말하는 ‘빠르다’는 개념은 광속에 가까운 속도에 달하지 않으면 시간의 차이를 느낄 수 없는 이론입니다. 빛의 속도는 진공을 관통하는 경우 초속 약 30만Km나 됩니다. 거리로 따지면 지구 7바퀴 반이라고들 합니다. 1초에 말입니다. 상대성이론이 우리에게 생소한 것은 우리가 빛보다 빠르게 움직이는 물체를 볼 일이 없기 때문이라 할 수 있겠습니다.

 

여기서는 양자론은 제쳐두고 상대성이론에 대해서만 알아보도록 하지요. 우선 상대성이론은 특수상대성이론과 일반상대성이론의 두 가지가 존재합니다. 이름만 들으면 특수상대성 이론이 뭔가 더 대단할 것 같지만 사실은 특수상대성이론이 기초이고 일반상대성이론이 전자를 더 발전시킨 이론이라 할 수 있습니다. 특수상대성이론은 단 한 가지를 주장하기 위해 분주합니다. 그것은 ‘빛의 속도는 어떤 속도로 움직이는 사람이 보더라도 초속 30만Km로 보인다’는 것입니다.

 

두 대의 차가 나란히 달리고 있을 때, 완전히 같은 속도라면 다른 쪽에서 상대방을 보면 마치 정지해 있는 것처럼 느껴집니다. 하지만 차가 광속으로 달리고 있는 상황이라면 차와 나란히 나아가는 빛이라고 하더라도 정지해 있는 것이 아닌 초속 30만Km로 움직인다고 보여진다고 하는 것입니다. 벌써 난해해지기 시작하지 않나요? 즉, 아무리 속도를 내더라도 빛이 30만Km로 일정하게 보인다고 합니다. 이 가정 하에 다시 다음 사항을 알아내려 합니다.

 

움직이는 물체는 정지해 있는 것 보다 시간의 흐름이 느려진다는 것이 있습니다. 예를 들어 광속의 약 90%의 속도로 비행하는 로켓이 지구를 떠나 로켓 내부의 시간으로 1년이 지나 다시 지구로 돌아왔다면, 지구는 약 2년 4개월의 시간이 지난 후가 됩니다. 다음은, 움직이는 물체는 진행방향으로 길이가 더 압축되어 보인다는 것입니다. 만약 정지해 있을 때의 길이가 50미터인 자동차가 빛의 90% 속도로 달려간다면 그 길이는 약 22미터로 보여지게 됩니다. 특수상대성이론에서는 본질적으로 시간과 공간을 떨어트릴 수 없는 한 세트로 두고 있습니다.

 

그리고 여기에 더해 일반상대성이론에서는 ‘물체에 중력이 작용했을 경우’에 대해서 다룹니다. 중력이 강한 경우는 시공간이 휘어질 수 있다고 합니다. 그리고 이렇게 휘어진 시공에서는 직진하는 빛도 진로가 휘어지게 됩니다. 중력이 극단적으로 강한 곳에서는 빛도 그 속으로 빨려들어 나오지 못하고 계속해서 중심부로 나아가게 됩니다. 이것이 블랙홀이라고 알려져 있는 것입니다. 또한 중력이 강하면 시간의 흐름이 느려지고, 그래서 블랙홀의 주위에서는 시간이 정지해 있을 수 있다는 가정도 나오는 것입니다. 중력이란, 질량을 지닌 물질에 작용하는 힘으로, 일반상대성이론은 질량을 지닌 물질이 주위의 시공에 영향을 미친다는 것을 분명히 하고 있습니다. 세계는 시간과 공간 물질이 서로 밀접하게 관련되고 있다는 것입니다. 특수상대성이론에서는 주로 시간과 공간을, 그리고 일반상대성이론에서는 시간과 공간과 물질에 대해서 논합니다.

 

 

아인슈타인이 특수상대성이론과 일반상대성이론을 발표한 것은 각기 1905년과 1915년입니다. ‘특수’라는 말은 ‘특별한’ 것이 아니라 ‘한정적인, 제한적인’이라는 의미라 할 수 있습니다. 특수상대성이론은 어떤 한정된 특수한 경우에만 도출되는 이론인 것입니다. 하지만 일반상대성이론은 더 나아가 폭넓게 적용이 가능합니다. 특수상대성이론에서 한정하는 조건은 ‘등속직선운동’으로 볼 수 있습니다. 즉, 속도의 변화가 없이 계속해서 같은 속도를 유지할 수 있어야 한다는 조건이 중요합니다. 그래서 이 이론을 설명하는 예에서 ‘같은 속도’로 또는 ‘정지해 있는’이라는 단어가 많이 등장하게 됩니다. 정지도 속도가 변하지 않기 때문에 등속직선운동으로 보는 것입니다.

 

물체는 본래 외부로부터 힘의 영향을 받지 않으면 등속직선운동을 계속하게 됩니다. 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으며, 앞으로 가는 물체는 계속해서 앞으로 나아가려 합니다. 이것을 관성의 법칙이라 합니다. 공기저항이나 마찰력 등이 없는 공간을 상정하는 것도 잊지 말아야 합니다. 이것이 더 자연스러운 것이며 실제로 우주공간이 그러합니다.

지구에서라면 마찰력과 중력, 공기저항 등의 외부적인 힘에 의해 직진하는 물체도 속도가 변화하게 됩니다. 이것을 가속도 운동이라고 합니다. 일반상대성이론은 이렇게 관측자가 가속도운동을 하더라도 적용 가능한 이론입니다. 가속도운동은 물체를 빌딩 위에서 떨어트리면 처음에는 느리게 그리고 점차 속도가 빨라지는 것에서 확인 가능합니다. 즉, 일반상대성이론은 ‘중력’에 관해서 심각하게 고민하는 이론이기도 한 것입니다.

 

그러면 특수와 일반이라는 것의 차이는 대충 알았으니, ‘상대성’이라는 것에 대해서 알아보지요.

우리가 ‘상대적이다’라는 말을 쓸 때에는 어떤 대상을 필요로 합니다. 이것은 철학적으로는 ‘다른 어떤 것과 관계를 성립시키는 것’이라고 해석할 수 있을 것입니다. 상대의 반대는 ‘절대’가 될 것이고, ‘다른 어떤 것과의 관계나 비교를 필요로 하지 않는 것’ 정도가 될 것입니다. 흔히 사용되는 상대평가와 절대평가의 의미를 모르는 사람은 없을 것입니다. 하지만 상대성이론에 사용되는 상대라는 단어는 다른 한 가지 중요한 의미를 내포합니다. 그것은 ‘모두가 옳다, 어느 것도 평등한 가치가 있다’는 의미입니다. 이것은 각기 일어나는 현상에 차이는 있지만 그것이 모두 상대적인 작용에 의한 것이며, 절대라는 단어와 같이 한가지만 옳고 모두가 틀린 것이라는 것과는 상반된 의미라는 것을 내포합니다. 즉, 모든 것이 다르다는 올바름을 증명하는 것인 것입니다.