2005년은 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)의 위대 한업적들이발표된 1905년을기려유엔이정한‘세계물리 의 해’이다. 꼭 100년 전인 1905년, 스위스 베른에 위치한 연방 특허청에서 3급 견습생으로 근무하던 26세의 무명과학자 아인 슈타인은 현대 우리 생활의 차원을 완전히 바꾸어버릴 위대한 업적을 담은 3편의 논문을 발표했으니, ‘특수 상대성이론’, ‘광 양자 가설’, ‘브라운 운동이론’이 바로 그것이다. 순수 과학이 ‘유엔의해’의주제로선정된것은이례적인일인데그만큼아인 슈타인의 업적은 현대물리학은 물론이고 현대과학의 방향을 바 꾸고도남을만큼위대한것이었다. 레이저로 4㎞ 간격 1만개 연결점 잇는‘지구촌 빛의 축제’ 올해에는 지구촌 곳곳에서 아인슈타인의 업적을 기념하는 학 술 및 전시 행사가 펼쳐질 예정이다. 가장 눈에 띄는 기념 행사 는‘지구촌빛의축제’다. 아인슈타인이사망한날인 4월18일(한 국은 4월 19일)에미국프린스턴대학교에서서쪽으로처음쏜레 이저빛을평균 4㎞마다받아다음장소로되쏘는‘빛의릴레이’ 가 24시간펼쳐진다. 이를위해지구촌에는‘빛의연결점’이 1만 개나 세워진다. 바다 구간은 광통신으로 연결된다. 우리 나라에 서도 19일 밤 일본에서 날아온 빛을 부산에서 받아 서울까지 두 갈래길로 10㎞간격의중계지점들을거쳐 1시간동안빛의봉송 행사를 치르며 빛은 다시 북한이나 중국으로 전해질 것이라고 한다. 이빛은지구의자전과똑같이 24시간에지구를한바퀴돌 기 때문에 빛의 축제는 세계 모든 곳에서 현지시각으로 밤 8~9 시에 치러진다. 국내에선 한강변에서 여러 레이저 빛을 허공에 쏘아 아인슈타인의‘휘어진 우주 공간’개념을 형상화하는 축제 가추진된다. 절대공간과 절대시간의 기계적 세계관을 깨고 4차원(시간과 공간)에메트릭(metric: Riemannian Geometry)을도입해상대 성에기반한현대적세계관을일깨웠던사람이아인슈타인이다. 세 살이 되어서야 말을 시작했다는 아인슈타인은 늘 조용하고 소극적인성격이었지만 10세때부터는탁월한수학적재능을보 이기 시작하였다. 그는 선생님이 나침반이 가리키는 방향을 물 었을 때 대답보다는 무슨 힘 때문에 나침반 바늘이 움직일까를 생각했다고하니기계적인대답을요하는당시의교실분위기에 서 어리석고 정신지체일 가능성 있는 아이로 보이는 것은 당연 했다. 특출함을 인정받지 못한 채 취리히 공과대학을 졸업한 후 특허청에취직한아인슈타인은그곳에근무하면서취리히대학 에서박사학위를받았다. 늘생각을많이했던그의창의력은그 가 특허청에 근무할 시기에 폭발했고, 대부분의 주요 연구도 특 허청에근무하면서이루어냈다. 그의주요산물이 6편의논문인 데 5편이 1905년에 발표되었다. 그는 훗날 특허청 의자에 앉아 있는데“사람이 자유낙하를 하면 자신의 몸무게를 못 느낄 것이 라는 생각이 들었다”고 회고했다. 아인슈타인은 특허청에 근무 하면서 생각이 번득일 때마다 상관 몰래 연구 노트를 작성했다 고한다. 이생각은훗날새로운중력이론과새로운우주론의씨 앗이 되었다. 아무튼 늘 다른 생각에 몰두해 있던 아인슈타인을 곱게 보지 않았던 특허청장은 1907년 그가 사표를 제출하며 대 학교수로가게되었다고하자농담으로받아들였고크게슬퍼하 지도않았다한다. 아인슈타인은 박사학위를 헌정한 수학자 친구 그로스만의 도 움으로그의연구에필요한리만기하학을공부했다. 그후 1912 년 동료 물리학자인 조머펠트에게“내 일생에서 이렇게 열심히 공부한 적은 없다. 나는 수학을 매우 존경하게 되었다. 이 문제 와비교하면나의원래이론 (특수상대성이론)은아이들장난이 다.”라고했다한다. 수학의숭배자 아인슈타인 2005 년 I 3 월호 I 113 레이저∙음주측정기∙GPS 등에 아인슈타인 이론 숨어 있어 수학과 물리학은 상관성이 많다. 물리학 전공서적을 보면 수 학책을방불케하는수식으로가득차있다. 그도그럴것이위대 한 물리학자인 뉴튼, 디락, 포앙카레, 아인슈타인, 파이만, 위튼 등은 원래 위대한 수학자이다. 또한 미국, 영국, 러시아 등 학문 의선진국에서수학자와물리학자의공동연구는활발하다. 우리 나라에서도최근수학과물리학의공동연구의싹이트고있다. 생활 속에서 아인슈타인의 업적을 찾아보자. 레이저가 그 한 예이다. 눈에 잘 띄지 않지만 레이저는 쓰이지 않는 곳이 없다. 대형 슈퍼마켓에서 물건을 계산할 때 바코드를 읽는 장치도 레 이저를 사용하고 있고, 음악을 들을 수 있는 CD와 영화가 저장 된 DVD 등도모두레이저를이용해정보를읽게된다. 이밖에도 측량을 할 때는 레이저의 직진성을 이용해 직선을 긋거나 거리 를잰다. 또라식수술이나점빼기, 주름살제거, 쌍꺼풀등의수 술도레이저로한다. 우리 생활 주변에 아인슈타인이 밝힌 원리가 쓰이고 있는것은이뿐만이아니다. 자동차운전자들을겁먹게 하는음주측정기에는아인슈타인에게노벨상을안겨준 광양자 가설의 원리가 담겨 있다. 음주측정기에 들어 있는 가스가 알코올과 만나면 푸른 가스로 변한다. 푸 른가스에든빛의알갱이(광양자)는에너지가높아, 금 속에 쬐면 금속내의 전자가 튀어나오게 된다. 이 전기 신호를측정하면혈중알코올농도를잴수있다. 아인슈타인이 광양자 가설로 풀리지 않던 광전 효과 의 원리를 설명해냄으로써, 수많은 발명품들이 태어났 다. 텔레비전, 태양전지, 도난경보기, 자동문 등은 빛이 전기로 전환되는 광전효과를 이용한 것이다. 요즘 인기 를끄는디지털카메라도이광전효과를이용해만들어 졌다. 디지털카메라안에든네모난판처럼생긴 CCD(전하결합 소자)라는 부품은 빛을 전기신호로 바꾸는 장치다. 광센서가 빛 알갱이를전자, 즉전기신호로바꾼정보를모아 CCD는사진파 일을만든다. CCD는디지털카메라외에도 CCTV 카메라, 지문 및얼굴인식장치등다양한곳에사용된다. 한편 요즘 자동차에 흔히 장착하는 GPS(Global Positioning Satellite)에는 상대성이론이 숨어 있다. 일반상대성이론에 의해 지상과 위성의 중력 차이에 따른 시간 보정이 없었더라면 GPS 는 이미 무용지물이 되었을 것이라고 한다. 지구의 곡률 (curvature)때문에생기는효과는아주미세해서최근에이르러 서야 응용될 수 있게 되었다. 아인슈타인은 개기일식을 이용하 여중력에의해서빛이휘는것을측정하고, 얼마나휘는가를측 정하고자했다. 지구표면의 2만㎞상공에서시속 1만4천㎞의속도로도는 24 개의위성으로부터정보를받는 GPS가정확성을유지하기위해 서는 지상과 위성의 시간이 정확하게 맞아야 한다. 빠르게 이동 하는 물체에서는 상대적으로 시간이 느려지지만, 중력이 약한 곳에서는시간이빨리가므로위성의원자시계는지표면보다하 루에 38ms(1ms=1/1000초)씩빨리가게된다. 이와같은상대성 원리를 이용해 GPS 위성은 매일 그 시간만큼의 오차를 보정함 으로써지상에서의위치를정확하게추적할수있는것이다. 아인슈타인은 자신의 혁명적 업적에 관해서“지구의 표면을 기어가는 눈먼 딱정벌레는 자신이 지나온 경로가 휘어 있다는 것을알지못한다. 나는단지그것을발견한행운을가졌다”라며 겸손해했다.
글쓴이는 미국 시카고대학교에서 박사학위를 취득하였으며, 현재 이화여대 수학과 교수로 재직중이다
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