개기 일식 실험으로 아인슈타인의 상대성 이론 확인

개기 일식 실험으로 아인슈타인의 상대성 이론 확인

과거 별빛은 2마일 떨어진 곳에서 볼 때 너비가 4분의 1밖에 되지 않았지만, 과학자들은 개기 일식 실험을 통해 아인슈타인의 상대성 이론을 확인했습니다. 제1차 세계 대전이 끝난 후, 영국의 한 천문학자는 일식 관찰을 통해 우주의 뒤틀림에 대한 독일 물리학자의 주장이 옳았을 수도 있다는 징후를 찾아냈습니다. 대담하고 새로운 이 아이디어는 천재의 대명사인 알베르트 아인슈타인의 것이었습니다.

 

그러나 당시 사람들은 아인슈타인의 이론이 현실을 설명하는지에 대해 의심을 가졌고, 이후 그를 물리학의 전설로 굳히기 위해서는 일식 동안 특별한 실험이 필요했습니다.

 

지구의 달은 우리 행성에서 보는 태양의 몸체를 몇 년마다 완전하고 정확하게 지울 수 있습니다. 앞선 2019년 3월 나사의 큐리오시티 로버가 촬영한 사진에서 알 수 있듯이 화성과 같은 행성은 두 개의 달이 있어도 동일한 행운을 누리지 못합니다. 달의 위치 및 크기는 태양의 위치와 크기에 우연히, 그리고 정확하게 일치합니다. 일식은 광경에만 그치지 않고 태양의 외부 대기인 코로나 또는 어두워지는 빛에 대한 자연의 반응을 연구하는 등 다양한 종류의 연구를 수행할 수 있는 기회를 제공합니다.

 

1919년 아서 에딩턴과 연구자들은 거대한 물체의 중력이 빛을 휘게 할 수 있다는 징후를 찾기 시작했습니다. 이들은 이를 통해 아인슈타인이 옳았음을 입증했고 아이작 뉴턴의 고전 역학을 넘어서 이론 물리학을 긍정적으로 발전시켰습니다. 과거를 여행하는 별빛이 태양의 거대한 덩어리에 의해 방향이 바뀔 수 있다면, 태양을 지나간 별들은 지구에서 볼 때 약간 다른 위치에 나타날 것입니다.

 

그러나 하늘에 있는 태양은 너무 밝아서 일식 동안을 제외하고는 근처의 별을 볼 수 없습니다. 1919년 5월 29일 에딩턴은 서아프리카 해안에 있는 프린시페 섬에서 긴 일식을 관찰했습니다. 천문학자들은 이와 동시에 브라질의 소브랄 마을에서도 관측을 실시했습니다. 운반이 가능한 도구를 사용한 연구팀은 황소자리에서 황소의 얼굴을 형성하는 히아데스성단의 별이 하늘에 있는 것처럼 보이는 위치를 기록했습니다. 이들은 특별한 실험을 위한 도구를 사용해 창의력을 발휘했던 에딩턴의 이전 기록과 이러한 관찰을 함께 비교했습니다.

 

'중력의 세기'를 쓴 론 카원은 "별빛의 최대 변화가 2마일 떨어진 곳에서 본 4분의 1에 해당하는 각도와 동일하다"라고 말했습니다. 카원은 "원정대는 태양 관찰을 위해 특별히 설계된 거울이자 원경 렌즈에 빛을 반사하는 척경회전의를 사용했다. 망원경에는 여행을 단순화하기 위해 렌즈가 들어 있는 강철 튜브를 구동 및 회전시키는 기계 장치가 없었기 때문에 거울이 필요했다"라고 설명했습니다.

 

이어 그는 "지구가 회전할 때 망원경을 목표물에 정렬되도록 유지하는 기계 장치가 있을 것"이라며 "망원경이 회전하지 못하면 사진 노출 중에 별이 움직이고 선명한 이미지 대신 줄무늬가 나타난다"라고 덧붙였습니다. 카원은 또 "기구를 히아데스와 일식에 고정시키기 위해 망원경 전체를 움직이는 대신, 작은 시계 장치가 거울을 움직여 지구의 자전을 수정했다"라고 부연했습니다.

 

결과가 나오자 과학자들은 "히아데스의 별빛이 지구를 향해 가는 길에 태양을 지나갈 때 실제로 이동했다"라고 계산했습니다. 아인슈타인은 빛이 어떤 집합에서든 동일한 속도로 이동하는 것처럼 보인다는 것을 확인하기 위해 수학 방정식과 사고 실험을 결합했습니다. 충분한 질량을 가진 물체의 중력이 빛을 구부릴 수 있다는 가능성을 고려한 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 주장했습니다. 아인슈타인은 관찰자가 가속할 때 빛이 어떻게 나타날지에 대한 고민을 시작하면서 "공간과 시간은 하나의 연속체로 짜여 있고 중력이 이 구조의 일부"라는 사실을 깨달았습니다.

 

한편 에딩턴의 평화주의는 그가 제1차 세계 대전 참전을 거부했을 때 큰 비난을 불러일으켰습니다. 일각에서는 "에딩턴이 과거 민족주의 불화에 반대하고 인본주의를 수용한 독일 과학자 아인슈타인을 지지했기 때문"이라는 비판도 나왔습니다. 이에 대해 카원은 "아인슈타인의 대담한 과학적 진보에 대한 지지를 보완한 건 에딩턴의 종교적 신념"이라고 평가했습니다.

 

다만 작가이자 물리학자인 다니엘 케네픽은 "에딩턴의 세계관은 그가 타당하다고 생각한 과학에 부차적인 것"이라는 지적을 제기했습니다. 케네픽은 "특수 상대성 이론의 발견에 비추어 볼 때 뉴턴의 중력 법칙 변수를 어떻게 해석해야 하는지는 더 이상 명확하지 않다"라고 발언했습니다. 케네픽은 "빛의 편향 테스트에서는 태양의 질량이 중요하며 뉴턴에 따르면 은하계를 통과하는 태양의 속도를 아는 것이 질량을 결정하는 데 필요하다"라고 강조했습니다.

 

케네픽은 "그러나 아인슈타인의 1915년 일반 상대성 이론은 더 간단한 견해를 제시했다"라면서 "우리는 그 움직임에서 태양을 따라 움직이기 때문에 은하를 통과하는 태양의 움직임은 중요하지 않다"라고 덧붙였습니다.