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[비센의 재미있는 과학 이야기] 아이슈타인의 일반 상대성 이론

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작성자 석준영 작성일15-11-26 12:49 조회125회 댓글0건

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세상을 바꾼 과학자 되기 위해선 창의적이고 파격적인 사고방식 필요

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지금으로부터 정확히 100년 전, 1915년 11월 25일, 프로이센 과학 아카데미(Preussische Akademie der Wissenschaften)에 개재된  네편의 시리즈형식의 짧은 논문들이 1차 세계대전의 혼동속에서도 전 세계의 과학자들의 주목을 받습니다. 이 논문들이 바로 36세의 젊은 과학자 아인슈타인(Albert Einstein, 1879-1955)의 일반 상대성이론(General Theory of Relativity)에 관한 발표였습니다.

 

일상 생활에서는 ‘일반’적이라는 것은  ‘특수’, ‘특별’하다는 것보다는 조금은 못한 것을 의미하지만, 과학적 표현에서는 많은 경우 이와는 상반된 의미를 갖습니다. ‘특수’, ‘특별’하다는 것은 특별히 정해진 조건하에서만 적용되는 원리인 반면, ‘일반’적인 원리라는 것은 모든 상황에서 예외없이 적용이 되는 궁극적인 원리를 의미하기 때문입니다.

 

아인슈타인이 처음 상대성 이론이라는 것을 발표한 것은 1905년입니다. 일반 상대성이론보다 약 10년 앞서 발표된 이 이론이 ‘특수’ 상대성이론(Special Theory of Relativity)이라고 불리는 것으로 중고등학교 교과과정에서 배우는 상대성이론이 이 특수 상대성이론에 해당합니다.

 

특수상대성이론에 의하면, 관성계(일정한 속도로 움직이고 있는 계)내에서는 진공상태에서의 빛의 속도 300,000,000 m/s라는 값만이 절대 불변의 값이며, 이를 유지하기 위해서는 시간, 공간 등을 포함한 모든 물리량이 변화가능한 값이 됩니다.

 

아인슈타인이 상대성이론을 발표하기 전까지는, 그리고 사실 현재의 많은 사람들도, 시간과 공간이 변화한다는 것을 이해하기 어려웠기 때문에 이 이론은 발표 당시 쉽게 받아들여지지 못했습니다.

 

또한 등속도 운동을 하는 경우에만 설명이 가능한 ‘특수’한 이론이었기 때문에 자체적으로도 설명이 불가능한 문제점들을 갖고 있기도 했습니다. 그 중 가장 큰 문제점은 바로 질량이 절대적으로 변화하지 않는다는 원리를 바탕으로 중력을 설명하고 있는 뉴튼의 중력법칙과 아인슈타인의 상대성이론이 일치하지 않는다는 것이었습니다.

 

이를 해결하기 위해서 아인슈타인은 중력에 관한 이론을 새롭게 정립시킬 필요가 있었고, 그에 대한 결실이 바로 ‘일반’ 상대성이론이었던 것입니다.

 

즉, 일반 상대성이론이란 뉴튼의 중력법칙을 뛰어넘는 새로운 중력에 관한 이론이라고 할 수 있습니다.

 

당시 절대적이었던 뉴튼의 중력 법칙을 뛰어 넘은 일반 상대성이론이란 도대체 무엇을 설명한 이론인 것일까요? 간단한 예를 들어 일반 상대성이론의 의미를 설명드려보도록 하겠습니다.

 

우리가 창문이 없는 엘리베이터 안에 있다고 상상해 보겠습니다. 몇 층에 있는지, 위로 올라가는 중인지, 아래로 내려가는 중인지를 전혀 알 수 없는 그런 엘리베이터 안에 혼자 서있는데, 갑자기 우리 몸이 엘리베이터 바닥으로 당겨지는 느낌을 받는다면 어떤 일이 일어난다고 생각할 수 있을까요? 아마도 갑자기 엘리베이터가 위로 가속되고 있다고 생각할 수 있을 것입니다.

 

그것이 우리의 경험을 바탕으로한 상식적인 결론일 것입니다. 자, 이 생각을 잠시 뒤로 하고, 중력이라는 것에 대해 생각해 보겠습니다. 중력은 질량이 있는 물체들이 서로 잡아당기는 힘을 말합니다.

 

우리가 지구에 이끌려 지구에 붙어있고, 지구가 태양 주위를 돌고 있는 것이 중력때문이지요. 지구에서는 땅에 쉽게 붙어있을 수 있는데, 달에서는 그렇게 붙어있지 못하는 것이 달의 중력이 약하기 때문이라는 것을 생각해보면, 중력이 크면 클수록 잡아당기는 힘이 커서 더 세게 서로에게 끌려간다는 것을 이해할 수 있습니다.

 

이제, 생떽쥐페리의 소설에 나오는 어린왕자가 소행성 B-612에 서 있는 모습을 상상해 보겠습니다. 만약 무슨 이유에서건 간에, 어린왕자의 소행성 B-612의 중력이 자꾸만 커져간다면 어린 왕자는 소행성에 몸이 더 강하게 당겨지는 것을 느낄 수 있게 될 것입니다.

 

이렇게 소행성의 중력증가에 의해 바닥에 당겨지는 경험은 해보았지만, 엘리베이터라는 것을 타 본 적이 없는 어린 왕자가 만약 앞서 우리가 갇혔던 엘리베이터에 갇혀서 바닥으로 당겨지는 경험을 한다면 어린 왕자는 어떤 생각을 하게 될까요? 어린 왕자는 당연히 소행성의 중력이 증가하고 있다고 생각할 것입니다. 엘리베이터가 위로 올라간다는 것은 느껴본 적이 없으니까 말입니다.

 

이 대목에서 아인슈타인은 “이 두가지를 구별할 수 없다면, 원래부터 이 두가지는 다른 것이 아니라 동일한 것이 아닐까?”라는 파격적인 질문을 던집니다. 즉, 물체가 한방향으로 가속된다는 것과 질량이 커다란 물체에 의해 당겨지는 현상 자체가 원래부터 동일한 것이라는 가정에서 출발하게 된 것이고, 이를 상대성이론에 적용하여, 가속운동을 하는 시공간과 중력의 영향을 받는 시공간은 동일한 원리로 휘어질 수 밖에 없다는 결론을 얻게된 것입니다.

 

현재는 많은 실험결과를 통해 일반 상대성이론이 위대한 업적이며 중력에 관한 올바른 이론임이 입증되어있지만, 시공간이 절대불변이라는 확고한 믿음을 깨지 못한 100년전 과학자들에게는 받아들이기 힘든 너무나도 혁신적인 이론이었습니다.

 

일반상대성으로 특수상대성이론의 문제점을 보완하였지만, 아직도 실험적으로 확실히 증명되지 않은 이론이라며 이를 받아들이지 못하는 보수적인 학자들도 다수 있었습니다.

 

특히 실험적 증명을 중요시 생각하던 당시의 스웨덴 학계의 학풍의 영향으로 사실 아인슈타인은 상대성이론으로 노벨상을 받지 못했습니다. 너무나도 유명한 물리학자이고, 상대성이론으로 잘 알려졌기에 많은 사람들이 의심없이 아인슈타인이 상대성이론의 업적으로 노벨상을 받았을 것이라고 생각하지만, 사실 아인슈타인은 특수 상대성이론으로도, 일반 상대성 이론으로도 받지 못하다가 1921년, 그의 또 다른 이론인 광전효과(photoelectric effect)에 대한 업적으로 노벨상을 받았습니다.

 

재미있는 것은 아인슈타인은 당시의 물리학자들에 의해 1910년부터 1921년 사이에 1911, 1915년 두번을 제외하고는 지속적으로 노벨상 후보로 추천을 받았습니다.

 

하지만, 스웨덴 물리학계는 상대성이론으로 노벨상을 주는 것을 끝까지 거부하였고, 1921년 수십명의 추천을 받은 아인슈타인을 무시할 수 없었던 스웨덴 노벨상 심사위원회는 끝내 상대성이론이 아닌 광전효과를 이용해서 노벨상을 수여했습니다.

 

모두가 다 ‘상식적’이라고 생각하는 것까지도 의심하고 재해석할 수 있었던 뛰어난 통찰력이 위대한 아인슈타인을 만든 것이었고, 또한 그 통찰력은 하루 아침에 생겨난 천재만의 재능이 아니라 그의 평생을 희생한 치열한 노력으로 얻어낸 것이었습니다.

 

현재 우리가 편하게 사용하고 있는 수많은 테크놀로지의 기본원리가 바로 100년이 지난 지금도 쉽게 받아들이기 힘들 정도로 파격적인 생각을 과감히 할 수 있었던 그의 통찰력 덕분이었으며, 만약 중력파 검출에 성공하게 된다면, 일반상대성이론은 미래에도 과학자들이 자연을 이해하기 위한 가장 중요한 원리로 자리를 굳건히 할 것입니다.

 

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석준영 (비센 학원장)

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