아인슈타인의 상대성 이론 (개념과 법칙)

과학계의 거대한 발자취를 남긴 알베르트 아인슈타인은 많은 것으로 유명했지만, 그중에서도 가장 위대한 아이디어로 꼽히는 것은 상대성 이론입니다. 이 이론은 공간과 시간에 대한 우리의 이해를 영구적으로 바꿔 놓았습니다. 상대성 이론이란 간단히 말해서 "물리 법칙은 어디에서나 동일하다"라는 개념입니다.

 

이곳 지구상에 있는 우리는 우주의 먼 구석에 있는 누군가와 마찬가지로 동일한 빛과 중력의 법칙을 따릅니다. 물리학의 보편성은 역사가 지역적이라는 것을 의미하며 사람마다 사건의 시점과 간격은 다르게 표시됩니다. 우리의 백만 년은 고속 로켓을 타고 날아가거나 블랙홀에 빠지는 사람에게는 눈 깜짝할 사이에 불과할 수도 있으며 이는 모두 상대적인 것입니다.

 

특수 상대성 이론

아인슈타인의 이론은 특수상대성이론과 일반상대성이론으로 나누어집니다. 이중 먼저 등장한 특수 상대성 이론은 빛의 속도가 모든 사람에게 일정하다는 점을 기반으로 합니다. 이는 매우 간단해 보이지만, 광범위한 결과를 야기합니다. 지구가 태양 주위를 공전할 때 빛의 속도가 변하지 않는다는 실험적 증거가 나타난 이후, 아인슈타인은 1905년에 이러한 결론에 도달했습니다. 대부분 다른 사물의 속도는 관찰자가 움직이는 방향에 따라 달라지기 때문에 이 결과는 물리학자들에게 놀라운 일이었습니다.

 

예를 들어 당신이 철로를 따라 차를 운전한다면, 당신을 향해 다가오는 기차는 당신이 차를 돌려 같은 방향으로 따라갈 때보다 훨씬 빠르게 움직이는 것처럼 보일 것입니다. 아인슈타인은 "모든 관찰자가 얼마나 빠르고 어떤 방향으로 움직이든 빛의 속도를 초당 186,000마일로 측정할 것"이라고 말했습니다. 이 격언은 코미디언 스티븐 라이트가 "당신이 빛의 속도로 여행하는 우주선에 타고 있고 헤드라이트를 켠다면 무슨 일이 일어나는가?"라고 질문하게 만들었습니다.

 

이 질문의 대답은 헤드라이트는 정상적으로 켜지지만, 우주선 내부 누군가의 관점에서만 켜진다는 것입니다. 우주선이 날아가는 것을 밖에 서서 지켜보는 사람에게는 헤드라이트가 켜지지 않은 것처럼 보일 수 있으며 빛은 나오지만, 우주선과 같은 속도로 이동하고 있습니다. 이러한 모순된 결과는 시간 및 공간을 표시하는 눈금자와 시계가 관찰자마다 동일하지 않기 때문에 발생합니다.

 

아인슈타인이 말했듯이 빛의 속도가 일정하게 유지된다면 시간과 공간은 절대적일 수 없고, 주관적이어야 합니다. 99.99%의 빛의 속도로 이동하는 100피트 길이의 우주선은 정지해 있는 관찰자에게 1피트 길이로 보이지만, 탑승한 사람들에게는 정상적인 길이로 유지됩니다. 더 이상한 것은 시간이 빨리 갈수록 느리게 흐른다는 것, 이와 관련해서 한 과학자는 "쌍둥이가 질주하는 우주선을 타고 머나먼 별을 향해 갔다가 돌아오면 지구에 머물렀던 또 다른 쌍둥이보다 어린 애가 될 것"이라고 설명했습니다.

 

질량 역시 속도에 따라 달라집니다. 물체가 빠르게 움직일수록 그 질량이 더 커지는데 사실 질량은 무한대로 증가하기 때문에 어떠한 우주선도 빛의 속도의 100%에 도달할 수 없습니다. 질량과 속도 사이의 관계는 종종 질량과 에너지 사이의 관계로 표현됩니다. E=mc^2라는 유명한 공식에서 E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도를 뜻합니다.

 

일반 상대성 이론

아인슈타인은 시간과 공간에 대한 우리의 이해를 뒤흔드는 일을 멈추지 않았습니다. 가속도를 포함해 자신의 이론을 일반화한 아인슈타인은 이것이 시간과 공간의 형태를 왜곡한다는 사실을 발견했습니다. 추진기를 발사해 우주선의 속도가 빨라지는 것을 상상할 때, 여기에 탑승한 사람들은 마치 지구에 있는 것처럼 땅에 달라붙을 것입니다. 아인슈타인은 "우리가 중력이라고 부르는 힘은 가속하는 우주선에 있는 힘과 구별할 수 없다"라고 주장했습니다. 이는 그 자체로는 그다지 혁명적이지 않았지만, 10년에 걸쳐 복잡한 수학을 계산한 아인슈타인은 거대한 물체 근처에서 공간과 시간이 휘어져 있다는 것을 발견했습니다. 이 곡률은 우리가 중력으로 경험하는 것입니다.

 

일반 상대성 이론의 곡선 기하학을 그리기는 어렵지만, 시공간을 일종의 직물로 생각하면 거대한 물체는 주변 직물을 늘려서 근처를 지나가는 모든 것이 더 이상 직선을 따르지 않게 됩니다. 일반 상대성 이론 방정식은 여러 가지 현상을 예측했고, 그중 많은 현상이 확인됐습니다. 여기에는 거대한 물체 주위의 빛이 휘어지는 중력렌즈 현상과 수성 궤도의 느린 진화(근일점 세차 운동), 회전하는 물체 주변 시공간의 프레임 끌기, 중력의 끌어당김을 벗어나는 빛의 약화(중력 적색편이), 우주 충돌로 인한 중력파(시공간 구조의 잔물결), 빛을 포함한 모든 것을 가두는 블랙홀의 존재 등이 포함됐습니다.

 

블랙홀 주변 시공간의 뒤틀림은 다른 어느 곳보다 더 강렬하며 만일 우주여행을 떠난 쌍둥이가 블랙홀에 빠지면 그의 몸은 스파게티처럼 늘어나게 됩니다. 이를 설명한 또 다른 과학자는 "운 좋게도 그에게는 모든 것이 몇 초 안에 끝날 것"이라 추측했습니다. 이어 그는 "그러나 지구에 남은 그의 자매는 그것이 끝나는 것을 결코 보지 못할 것이며, 불쌍한 그의 자매가 우주의 나이에 걸쳐 블랙홀을 향해 점차적으로 조금씩 나아가는 것을 지켜보는 것밖에 할 수 없다"라고 덧붙였습니다.