'시간이 느려진다?' 엉뚱한 생각이 세상을 바꿨다

가속도 고려 않은 '특수상대성이론' 보완해 1915년 11월 25일 '일반상대성이론' 발표
중력에 영향 받는 빛과 시간의 관계 규명… 에딩턴이 개기일식 때 별 관측으로 실증해

지난달 25일은 알베르트 아인슈타인(1879~1955)이 과학계의 근간을 뒤흔든 '일반상대성이론'을 발표한 지 정확히 100주년이 되는 날이었어요. 아인슈타인의 일반상대성이론은 그가 특수상대성이론을 발표하고 10년 뒤, 더 다양한 상황에 적용될 수 있도록 발전시켜 내놓은 이론이지요. 오늘은 일반상대성이론과 특수상대성이론에 대해 쉽게 설명해드릴게요.

상대성이란 비교 대상에 따라 달라질 수 있는 성질이란 뜻이에요. 상대성이론의 기원은 이탈리아의 과학자 갈릴레오 갈릴레이(1564~1642)로부터 시작되었어요. 대다수 사람이 지구는 멈춰있고 태양이 지구 주위를 돈다는 '천동설'을 믿을 때, 갈릴레이는 지구가 태양 주위를 돈다는 '지동설'을 주장했어요. 갈릴레이는 우리가 지구와 함께 일정한 방향과 속도로 움직이기 때문에 지구가 정지한 것처럼 느끼지만, 실제로는 지구가 돌고 있으니 물체의 운동은 관측자의 위치에 따라 상대적으로 달라지는 것이라고 했지요. 하지만 갈릴레이의 이론을 비롯해 아인슈타인 이전의 상대성이론에는 시간을 고려하지 않았다는 허점이 있었어요. 예전에는 시간이 늘 일정하고 절대적이라고 생각했거든요.

▲ /그림=안병현

◇특수상대성이론, 빛만큼 빠른 물체의 시간은 정지

아인슈타인은 아주 빠른 물체에서의 시간은 느려질 수 있다는 획기적인 생각을 했어요. 여러분이 시속 5㎞로 움직이는 무빙워크 위에서 시속 5㎞로 걷는다고 생각해 보세요. 그럼 여러분은 시속 10㎞로 움직이게 되겠지요? 이것이 일반적인 속도 합산의 법칙이에요. 그렇다면 무빙워크에 올라탄 사람이 자신 앞으로 레이저를 쏜다면 그 빛은 광속에 무빙워크의 속도가 더해진 속도로 보일까요? 그렇지 않아요. 신기하게도 빛은 어디서나 초속 30만㎞로 일정하게 측정된답니다. 그래서 아인슈타인은 빠르게 움직이는 물체에서 나오는 빛과 느리게 움직이는 물체에서 뿜어나오는 빛의 속도가 같다는 것은 '빠르게 움직이는 물체에서의 시간이 느려졌기 때문'이라는 획기적인 생각을 하기에 이르렀지요. 아인슈타인은 이 생각을 바탕으로 물체는 빠르게 움직일수록 시간이 느려지며 빛의 속도에 다다르면 시간은 정지한다고 생각했어요. 일정한 속도로 굴러가고 있는 구슬을 더 빠르게 굴러가게 하기 위해서는 같은 방향으로 미는 힘을 더해 주어야겠지요? 즉, 물체가 빠르게 움직이기 위해서는 많은 에너지가 필요해요. 아인슈타인은 물체를 빛의 속도에 가깝게 가속하면 가속에 사용된 에너지가 질량으로 바뀐다고 생각했어요. 질량이 커서 무거운 물체일수록 움직이게 하기 힘든 것처럼, 물체가 빛의 속도에 가까워지면 질량이 무한대로 커져서 결국은 빛의 속도 이상 빨라질 수 없다는 거예요. 아인슈타인은 이 생각을 바탕으로 에너지는 질량으로 바뀔 수 있고, 질량 또한 에너지로 바뀔 수 있다는 결론을 내렸지요. 이 이론은 무빙워크처럼 한 방향을 향해 같은 속도로 움직이는 등속직선운동에서만 적용되었기 때문에 '특수상대성이론'이라고 했어요.

◇일반상대성이론, 휘어진 공간이 빛도 휘게 만들어

그런데 생활 속 일반적인 운동들은 대부분 속도와 방향이 수시로 바뀌므로 특수상대성이론을 모든 상황에 적용할 순 없어요. 그래서 아인슈타인은 일반상대성이론을 발전시키는 과정에서 가속도에 초점을 두게 돼요. 아인슈타인은 속도·방향을 바꾸는 가속도가 중력과 같은 값을 가진다고 생각했어요. 만약 사방이 막혀서 밖을 볼 수 없는 상자 속에 여러분이 있는데 누군가 줄을 당겨서 상자를 빠르게 올렸다고 생각해보세요. 깜깜한 상자 안에 있는 여러분은 상자가 위로 가속도 운동을 했다고 생각하기보다 중력이 아래쪽에서 상자를 당겼다는 느낌을 받을 수 있어요. 가속도와 중력이 관련 있다는 의미지요. 그렇다면 중력은 시간과 빛에 어떤 영향을 줄까요? 스펀지 위에 무거운 쇠구슬을 올려놓으면 스펀지가 움푹 들어가고, 쇠구슬 근처에 다른 구슬을 올려놓으면 휘어진 표면 때문에 다른 구슬이 쇠구슬 쪽으로 굴러 들어가요. 아인슈타인은 물체가 공간을 휘어지게 하면 중력이 나타나고 빛 또한 중력으로 휘어질 수 있으며 시간도 느려진다고 발표했어요. 가속도와 중력에 영향받는 시간과 빛에너지의 관계를 규명한 것이 아인슈타인의 '일반상대성이론'이지요. 이 이론은 4년 후인 1919년 사실로 증명이 되었어요. 영국의 천문학자 아서 스탠리 에딩턴(1882~1944)이 달이 태양을 완전히 가리는 개기일식 때 하늘이 어두워진 기회를 틈타 태양 뒤의 별을 관측했더니, 관측되는 별의 위치가 태양의 중력 때문에 원래 있어야 할 자리에서 벗어나 보였답니다. 일반상대성이론을 뒷받침하는 증거지요. 이후 휘어진 공간에서 시간이 느려진다는 사실 또한 높이 떠 있는 위성의 시계보다 지상의 시간이 조금 더 느리게 작동한다는 것을 통해 밝혀졌고요.

아인슈타인은 아무도 밝혀내지 못했던 우주의 원리를 직접적인 실험이 아닌 고민과 생각을 통해 밝혀내 과학 발전에 큰 기여를 했어요. 아인슈타인은 어린 시절부터 한 가지 문제를 놓고 곰곰이 생각하는 성격이었다고 해요. 남들보다 조금 느릴지라도 깊이 있게 생각하는 습관을 가져보세요. 여러분 중에서도 100년 넘게 기념할 수 있는 업적을 남기는 위대한 인물이 탄생할 거라 믿어요.

♣ 바로잡습니다
▲22일자 A30면 '시간이 느려진다? 엉뚱한 생각이 세상을 바꿨다' 기사에서 빛의 속도를 시속이 아닌 초속 30만㎞로 바로잡습니다. 조선일보