알기쉬운!문과도 말할수있다! 알베르트 아인슈타인 상대성 이론의 완성

어제 특수상대성이론에 관한 글을 썼는데

대부분의 님들이 뭔말인지 모르겠다 라는 말씀에

부족한 비유와 필력을 뉘우치고 있습니다..ㅠ_ㅠ

 

그래도 이왕 아인슈타인 이론에 관해 시작한 거

일반상대성이론까지는 마무리 지을까 해요

아인슈타인은 상대성 이론 발표 후,

언젠가 자신의 연구 결과에 대해 이런 말을 한 적이 있습니다.

"빛, 시간, 우주 등과 같은 사물에 대해 궁금해하는 어린이들은

상투적인 답변에 만족하며, 어른들처럼 더 깊이 생각하지 않는다.

그렇지만 나는 어릴 때 발달이 좀 느린 아이였기 때문에

그와 같은 '간단한' 의문들에 대해 처음부터 어른들처럼 생각했으며,

그래서 다른 어떤 아이들보다 더 깊이 그리고 집요하게 생각했다."

앞서 특수상대성이론 글에서도 언급한 바와 같이

독일인 아인슈타인이 독일어를 유창하게 구사할 수 있었던 나이가 10살이었습니다.

여기까지만 보면 정말 지지리도 머리가 나쁜 아이라고 생각이 되기도 하는데요.

부모님 조차도 지진아가 아닐까 걱정했다고 하니.. 참 놀라운 일이죠

어쨌든 남들과 같은 나이에 더 '어린' 사고방식을 갖고있던 아인슈타인은

본인이 언급한 저 내용처럼 어린나이에 드는 자연스러운 호기심에 대해 더 깊이 파고 들어갔습니다.

시간과 공간 빛과 우주에 관한 호기심은 자연스레 물리학적인 접근이 가능했고,

아인슈타인의 10대 시절, 당시 정설이었던 '빛=파동' 이라는 개념에 의구심을 품었다고 합니다.

(아니 대체 그 어린 애가 대체 뭘 안다고......-_-;)

이러한 그의 왕성한 호기심은 참으로 드라마틱하게

어느날 갑자기! (사실 이게 과장일 가능성이 크지만)

친구와 산책하는 도중 머리 속에 빛과 에너지에 관한 방정식이 문득 떠올라

자신의 집으로 돌아가 특수상대성이론의 틀을 만듭니다.

1905년, 학계에 공식 발표된 특수상대성이론

이것에 관한 내용은 이전 글에서 언급했으니 생략하구요.

특수상대성이론의 충격은 시공간의 개념의 창출과 '광양자' 개념의 탄생 뿐만 아니라

철학사상에도 영향을 끼쳤고, 그 유명한 에너지 공식에 의해 원자폭탄 제조에 까지.. 엄청난 영향력을 행사합니다. 

흔히 과학 이론은 타인, 혹은 후세 사람들에 의해서 그 오류와 한계가 깨어지기 마련입니다.

뉴턴역학은 아인슈타인에 의해 깨졌고, 프톨레마이오스는 코페르니쿠스가 등장하며 사라집니다.

비단 과학 이론 뿐만이 아니라 세상을 뒤흔들어 놓았던 헤겔의 변증법은 현대 철학자들에 의해 종말을 맞습니다.

이전 글을 읽어 보셨던 분들 중에

특수상대성이론의 한계.. 혹시 알아채신 분들이 계신가요?

이 충격적인 이론에도 한계는 존재했습니다.

그것은 바로.. '서로에 대해 일정하게 움직이는 좌표계'에서만 적용 된다는 한계였죠.

앞선 글에서 예를 들었던 철수와 영희의 사과나무 이야기 생각나시나요?

차를 타고 이동하고 있는 영희와 사과나무 아래 서있는 철수가

사과나무에서 떨어지는 사과를 보는 이야기.

여기서 둘은 '똑같은 시간'에 사과가 떨어지는 것을 본 게 아닌

서로 '다른 시간'에 사과가 떨어지는 걸 목격한다는 시간지연 효과

특수상대성이론의 핵심인 이 시간지연 효과의 '한계'는

바로 영희가 타고 있던 차의 속력에 있습니댜.

차는 속력이 적건 빠르건 항상 단 1km의 속도도 떨어지지 않도록 일정해야 한다는,

즉, 등속도라는 전제가 붙습니다. 

이 등속도라는 전제는 치명적인 것인데요.

이러한 전제가 붙음으로 인해서 '시공간'이란 신개념을 창출한 특수상대성이론은

모든 운동을 포괄할 수 없는 제한적인 이론이라는 비판을 받게 됩니다.

특수상대성이론으로 설명되는 그 모든 것은 '관성계'라는 틀 안에서만 유효하다는 부분 역시..  

자자... 정말 오래 기다리셨습니다

서론이 너무 길었죠?

이래서 탄생한 이론이 바로 그 유명한 일반상대성이론 입니다.

자신 이론의 한계를 스스로 깨닫고 스스로 그 한계를 뛰어넘은 괴물.

이런 인간이 바로 아인슈타인이라는 사람입니다.

특수상대성이론을 발표하고 11년이 지난 1916년,

아인슈타인은 일반상대성이론을 발표합니다.

일반상대성이론은 쉽게 말해 '등속도 운동'에서만 적용되던 상대성을

속도가 줄거나 빨라지는 '가속도 운동' 속에서도 상대성을 적용한 이론입니다.

누구하나 쉽사리 특수상대성이론의 '한계'는 알았지만 진보는 보여주지 못한 상태에서

기존의 한계를 뛰어 넘은 일은 아인슈타인만이 할 수 있는 일이었습니다.

하나하나씩 들어가 볼께요

일반상대성이론을 이해하는데 가장 기본이 되는 개념은 '등가원리'입니다.

(특수상대성이론의 기본 개념이 '빛의 속도 = 불변' 인 것 처럼요)

사실 등가원리의 개념만 확실히 정립된다면 일반상대성이론은 너무나도 쉬운 부분입니다.

한마디로 등가원리란 가속운동과 중력은 완전히 동일한 힘 이라는 원리입니다.

"뭔 말이야?" 라고 생각하시는 분들을 위해 등가원리에 관련된 가장 유명한 예를 하나 들께요!

눈을 감았다 떠보니 철수는 

아주 조그마한 방A 에 갖혀 있습니다.

이 방 안에는 아무 것도 없습니다.

화장실도 없고 창문도 없습니다.

있는 것이라곤 그저 사방이 막힌 4면의 벽 뿐입니다.

 

 

영희 역시 눈을 감았다 뜨니 

아주 조그마한 방B 에 갖혀 있습니다.

철수가 있는 방A처럼 창문이 없고 사방이 벽으로 막힌 공간.

 

 

방A 에 있는 철수에게 어떤 목소리가 들립니다

"당신 지금 지구에 있는건가 우주에 있는건가?"

철수는 어이 없어 하면서 당연히 "지구" 에 있다고 말합니다.

방B 에 있는 영희도 똑같은 질문을 받습니다

영희 역시 당연히 "지구" 에 있다고 말합니다.

 

 

방A와 방B

서로 다른 공간에 있는 철수와 영희는

이 대답을 함과 동시에 최면 가스로 인해 잠이 듭니다.

 

 

철수와 영희는 눈을 감았다 떠보니

잠들기 전과 똑같은 방에 있습니다.

철수에게 어떤 목소리가 다시 아까와 똑같이

"당신 지금 지구에 있는건가 우주에 있는건가?"

 라고 질문을 하고 철수는 또다시 지구라고 대답합니다.

영희 역시 똑같은 물음에 철수와 마찬가지로 지구라고 대답합니다.

이 이야기의 비밀을 이제 밝혀드릴께요.

철수가 처음 머물렀던 방A는 지구, 대한민국 서울 어딘가의 감금 감옥이었고.

영희가 처음 머물렀던 방B는 초속 9.8m/s의 속력으로 텅 빈 우주를 운행하는 우주선 내부에 설치된 방

이었습니다. 그런데 영희는 왜 처음 물음에 당연히 '지구' 라고 대답했을까요?

최면가스가 방안에 퍼지고

방A 에 있던 철수는 우주선 내부의 방B로 이동 되었었습니다.

우주선 내부의 방B에 있던 영희는 철수가 있던 지구의 방, 방A로 이동 되었었습니다.

잠에서 깨고 다시 한번 물었을 때에 철수는 왜 당연히 '지구'라고 대답했을까요?

이 이유가 바로 '등가원리' 입니다

아인슈타인은 철수와 영희가 느꼈던

이 두가지 현상을 우주 안에서 구분할 방법이 존재하지 않는다면

이 현상들은 완벽히 동일한 현상이라는 의미라고 말을 합니다.

다시 말해 이 말은 중력과 가속 운동은 완전히 동일하단 얘기라는 뜻이죠.

따라서 이 중력과 가속 운동은 서로에 대해 상호보완적으로 물리 법칙이 동일한 형태로 나타난다는 얘기가 되죠.

이것이 바로 일반상대성이론의 핵심입니다.

너무 머리 아프시면 그냥 이것만 알고 계시면 됩니다

"공간 상의 운동이 중력과 완전히 동일하다" 는 사실만요.

그냥 '진리'려니 하고... 머리속에 꼭~! 집어 넣고 계시구요!

본격적인 일반상대성이론을 시작하겠습니다.

인류 역사상 가장 중요한 과학자인 뉴턴.

이 위대한 과학자가 풀지 못한 숙제가 하나 있었습니다.

바로 중력이 왜 작용하는가 였지요.

1687년, 뉴턴이 [자연철학의 수학적 원리]를 통해 만유인력의 법칙을 발표한 이후,

뉴턴은 물론 그 어떤 과학자들도 이 '중력'에 관해 발생 원인을 명백히 말하지 못했습니다.

그런데 약 200여년이 지난 1916년, 천재 과학자 아인슈타인이 그 원인을 밝혔습니다.

바로 일반상대성이론을 통해서요.

아인슈타인은 물질과 에너지의 존재가 평평한 공간을 변형시키고,

이 근처를 지나가는 모든 물체들의 경로는 눈에 보이지 않는 시공간의 굴곡에 따라 좌우된다고 주장했습니다.

이리하여 지구에서 자유낙하하는 물체는 지구의 의해 변형된 시공간의 굴곡을 따라 자유롭게 이동하는 것이죠.

이것이 일반상대성이론중 '공간왜곡' 이라는 것입니다.

.뭔가.. 확 와닿지 않는 깨름직함이 느껴지지 않으세요?

예를 하나 들께요.

아주 얇고 평평한 네모난 고무판이 있습니다.

이 고무판의 중앙에 골프공을 올려 놓아요.

그럼 당연히 골프공의 무게만큼 고무판이 가라앉겠죠?

이때 고무판 위에 구슬을 하나 올려 놓습니다.

결과는? 당연히 직선 운동이 아닌 굴곡된 운동 방향을 그리며 굴러가겠죠?

  

이제 골프공을 내려놓고 볼링공을 고무판 위에 올려 놓을꺼예요.

와우.. 골프공보다 훨씬 더 고무판은 가라앉습니다.

이 상태에서 다시 한번 구슬을 고무판에 올려 놓습니다.

역시 굴곡된 운동방향을 그리며 굴러가네요!

그런데 아까 골프공을 올려 놓은 굴곡보다 훨씬 더 큰 굴곡을 그리는군

자.. 이 간단한 실험에서 고무판은 공간,

골프공은 지구, 볼링공은 태양입니다. 그리고 구슬은 빛, 혹은 물체 입니다.

고무판에 골프공과 볼링공을 올려 놓았을 때의 휘어짐,

즉 지구와 태양의 주변 공간이 휘어짐을 나타내는 것이죠 

따라서 골프공과 볼링공, 지구와 태양이

고무판에서 휘어진 공간에 의해 구슬은 그 쪽 방향으로 이동하고 있습니다.

다시말해 골프공과 볼링공이 고무판이라는 '공간'을 통해서 구슬을 끌어 당기고 있는 것이지요.

  

어떠세요? 감이 조금 오시나요?

즉, 질량이란 놈은 '공간을 왜곡' 하는 기능을 수행하고

커지면 커질수록 중력을 증가시키는 기능을 하고 있는 것이었던 것이었던 것이었습니다!!!-_-

이 사실은.. 중력을 전세계에서 최초로 이론적으로 완벽하게 설명한 논리였습니다.

즉 공간의 휘어짐에 의해 중력이 행사된다는 사실이었지요.

지금은 아무도 궁금해하지 않는 '중력이 왜 생길까?' 라는 해답을 아인슈타인이 1916년 최초로 해냈었던 것이죠.

앞서 실험과 같이, 약간의 생각을 해보면

질량을 가지고 있는 모든 물체는 주변 공간을 휘어지게 한다는 것을 알 수 있습니다.

이 휘어짐 자체가 바로 '중력장' 이란 것이지요.

그리고 이 중력장이  퍼져나가는 속도가 즉 빛의 속도 (C) 가 되는 것입니다!

우리 주위의 모든 물체들도 공간을 휘어지게 하고 있지요.

허나 우리가 공간 왜곡을 느낄 수 없는 이유는

그 질량이 너무 작기 때문에 왜곡되는 정도가 거의 무시될 정도이기 때문이예요.

태양처럼 무거운 놈도 1도도 채 안되는 각도로 빛을 휘어지게 하는데..

우리 생활속에서 공간왜곡을 못 느끼는건 당연한 것이죠 

공간이론이 드디어 끝났습니다.

마지막! 시간왜곡이 남았습니다.

시간왜곡.... 정말 복잡합니다..ㅠ_ㅠ

따라서 이것은 영화와 같은 예로 대처할께요

철수와 영희가 우주선을 타고 우주 여행을 하고 있습니다.

우주의 여려 곳을 돌아다니며 둘은 신기해하고 있었죠

그러다가 철수가 근처에 강한 블랙홀이 존재함을 발견합니다.

철수와 영희는 신기해서 블랙홀 근처로 다가갔죠

(실제로는 전혀 말도 안되는 얘기지만 어디까지나 예 로서 이해해 주세요)

블랙홀 근처에서 철수는 영희보고 좀 더 가까이 다가가보자

라고 말했지만 영희는 무섭다고 가기 싫다고 말합니다.

하는 수 없이 철수 혼자서 우주복을 입고 블랙홀 근처로 더더 다가갔습니다.

이래서 무식하면 용감하다고 하는구나, 라고 영희는 생각했고 우주선 안에서 철수를 바라보았습니다.

그런데 그순간!

블랙홀 쪽으로 점점 다가가고 있던 철수가 갑자기 전혀 움직이지 않고 있습니다.

무슨 일이 있는지 궁금해서 계속 보고 있었는데도 우주복을 입은 철수는 움직이지 않았죠.

영희는 불안해지기 시작합니다.

우주선 탈 때 챙긴 슈퍼망원경으로 좀 더 철수의 모습을 자세히 관찰하기 위해 보았습니다.

전혀 움직이지 않았습니다. 그런데 우연히 철수의 손목에 차고 있던 시계를 보았더니

이럴수가... 시간도 전혀 흐르지 않고 정지해 있었습니다

 

이건 SF영화의 한 장면이 아니구요

일반상대성이론에 의한 '이론적으로 가능한 예' 중의 하나입니다 ^^

블랙홀과 같은 엄청나게 강력한 중력은 시간을 변화시킨다는 얘기이지요!

이것이 바로 시간왜곡의 포인트입니다.

지구의 중력도 시간을 왜곡시키긴 하지만, 이역시 너무나 미세하기 때문에 전혀 느끼지 못할 뿐이지요.

이쯤해서 철수는 어떻게 되었을까요?

블랙홀에 빨려 들어가 죽었죠.

하지만 영희는 계속해서 멈춰있는 철수밖에 볼 수가 없습니다.

블랙홀의 너무나 강한 중력이 시간을 느리게 가게 하기 때문이지요.

영희는 혼자라서 불안했는지 우주선을 운행해서 블랙홀 근처로 다가가 봅니다.

하지만 점점 더 강해지는 엄청난 중력 때문에 죽을 고비를 넘기고 우주선의 궤도를 반대로 틀어

철수는 안됐지만 혼자서 그냥 지구로 돌아가기로 마음 먹었죠.

지구에 도착했습니다.

그런데.. 이게 어찌된 일인가요..

지구에 사람이라고는 찾아볼 수 없었습니다.

대부분이 바다고, 땅이라고는 군데군데 자그마한 섬들 밖에 없었습니다.

과연 이게 어떻게 된 일일까요...?

그렇습니다.. 2007년에 지구를 떠나 우주를 여행한 영희가

여행을 끝나고 돌아온 지금은 52000년이 되어버렸습니다.

"소설을 써라" 고 핀잔을 주실지 모르겠습니다만.. 진짭니다 ㅠㅠ

일반상대성이론에 의하면.. 이것 역시 이론적으로 가능한 일이지요

이런 일이 왜 일어났을까요?

맞습니다. 예상하신 것처럼

영희가 블랙홀 근처에서 강한 중력을 느끼는 그 순간

영희의 시간은 중력에 의해 상대적으로 시간이 느리게 갔기 때문이지요.

따라서 정상적인 시간으로 흐르고 있던 지구에 도착했을 때 영희는 지구의 시간이 수만년이 지난 후에나 도착한 것입니다.

정말 예술적인 이론 아닌가요..?

자! 여기까지가 아인슈타인의 일반상대성이론이예요

어떠세요?

재밌으신가요, 머리 아프신가요?

사실 글 쓰는 내내  전 머리가 아팠습니다...-_-

글로 설명한다는게 정말 너무 어렵네요..ㅠㅠ

일반상대성이론은 특수상대성이론보다 약간 복잡한 체계여서

설명을 잘해야 되는데 이건 뭐.. 내내 횡설수설만 한것 같아서..

특수상대성이론에서는 등속도의 개념 내에서 펼쳐진 소박한 언플러그드 음악이었다면

일반상대성이론은 가속도와 질량, 중력이 합주를 하는 오케스트라와 같은 음악이라서요.

이제 잡담~

이러한 일반상대성이론이 발표 당시 과학계에서 굉장한 충격을 줬을까요?

애석하게도 그렇지 않았습니다.

이론 자체를 완벽히 이해하는 사람도 별로 없었을 뿐더러 공간의 휘어짐을

완벽하게 수학적인 체계로 계산한 '아인슈타인의 장방정식'이 너무나도 고차원이었기 때문이지요.

이런 이유로 일반상대성이론은 발표 당시 주목을 끌지 못했습니다.

아인슈타인은 우울했겠죠..

자신의 최대 관심사였던 빛과 시간 우주에 대해 완벽한 이론을 제시했음에도

'수준'이 안맞아서, 이해하지 못해서 인정 받지 못하다니..

그런데..이런 아인슈타인을 구원해 준 이들이 있었습니다

바로 1919년 영국 과학자들로 구성된 탐사대가 그 주인공이었죠.

(당시 우리나라는 3.1운동으로 수많은 조상님들이 폭동, 폭도란 이름으로 스러져갔는데

반대편 나라 영국에선 천체를 연구했다니 참..... 세상은 정말 요지경이예요..)

이 탐사대는 일식이 일어나는 동안 별빛이 태양근처를 지날 때 휘어지는 정도를 측정했습니다.

그리고 별빛이 태양근처를 지나오지 않을 때의 경로와 비교를 해보았어요.

그 결과, 이 두 경로 사이의 차이는 아인슈타인이 장방정식으로 계산한 값과 정확히 일치했습니다.

즉, 빛이 실제로 굽은 시공간 위를 지나온다는 사실을 영국 탐사대가 실제로 확인한 것입니다.

아인슈타인은 새롭게 인정... 아니 이런 수준을 떠나서

비로소 인류 역사상 가장 위대한 과학자 뉴턴과 동급 반열로 평가되며 그는 엄청나게 유명해집니다.

아인슈타인이 위대한 또 한가지 이유.

상대성이론이라는 어마어마한 발견

특수상대성이론과 일반상대성이론

이 두가지에 대해서 나름대로 글을 적어봤는데

재미는 없으셨어도 흥미롭게 읽으셨다면 좋겠습니다 ^^

과학이 딱딱해보여도 이게 은근히 세계사 못지않게 흥미로운 부분이 많아요!

과학 하면 엄청시리 두꺼운 전공서적에 복잡한 수학공식을 떠올리지만

숨겨진 이야기들은 정말 재밌는 이야기들이 수두룩하죠~

'양자역학' 하면 어떤 이미지가 떠오르세요?

정말 머리 아프고 토할 것 같은 이미지가 떠오르지 않으신가요? (이건.. 좀 오반가..-_-)

참 딱딱해 보이는 이 양자역학 속에도 굉장히 흥미로운 이야기가 숨어져 있습니다

다음에 기회가 되면 이야기해 보도록 하구요

긴 글, 피곤한 글 읽으시느라 고생 많으셨습니다~!!

자그마한 인터넷 글 하나가 언젠간 꼭 도움이 되길 바라며...

 
 
 
 

원문보기▶   글쓴이 : parismatch