아인슈타인의 ‘상대성 이론’은 절대적이라고 믿었던 시간과 공간에 대한 개념을 바꿔놓았다. 4차원 시공간에서 과거와 미래로 움직이는 타임머신에 대한 연구를 시작하게 했으며, 철학과 예술에도 많은 영향을 끼쳤다. 

또한 인류의 생활에도 편리함과 극도의 위험을 동시에 선물했다. 인류를 위협하는 핵폭탄이 개발된 반면, 인류를 편하게 하는 원자력 발전과 핵에너지도 개발됐기 때문이다. 특수상대성이론을 통해 만들어진 ‘질량-에너지 등가 원리’가 에너지 고갈시대를 맞은 인류에게 안드로메다급 출력의 핵에너지를 선물한 것이다. 

시간과 공간은 상대적, ‘특수상대성이론’의 탄생! 
아인슈타인의 상대성원리가 나오기 전까지, 과학자들은 빛이 파동으로 가상의 에테르를 매질 삼아 우주 공간을 이동한다고 생각했다. 

마이컬슨과 몰리는 ‘마이컬슨 간섭계’를 이용해 지구의 운동 방향으로 진행하는 빛과 그 수직으로 진행하는 빛의 속도 차이를 측정해 에테르의 존재를 확인하려 했다. 에테르가 있으면 속도에 차이가 날 것이기 때문이다. 

그러나 빛의 속도에는 차이가 없었다. 마이컬슨은 결과가 뉴턴의 고전역학에 맞지 않았기 때문에 실험이 실패했다고 생각했다. 다른 과학자들이 위치와 계절을 다르게 하면서 빛의 속도 실험을 해도 결과는 같았다. 

하지만 아인슈타인은 빛을 ‘에너지를 가진 입자’라고 생각했고, ‘빛의 속도가 어디서  관측하든지 같다’는 결과를 토대로 특수상대성이론을 생각해낸다. 그리고 몇 년 후 중력까지 고려해 일반상대성이론을 발표한다. 

아인슈타인은 시간과 길이, 질량과 에너지에 대한 생각을 완전히 바꿔놓았다. 3차원의 공간에 시간까지 더한 4차원의 시공간을 제안하는 것으로 말이다. 관성계에서 물리법칙이 적용되고 빛의 속도가 일정하다는 가설 하에 관측자에 따른 물체의 운동을 설명한 것이 ‘특수상대성이론’이다. 

빛의 속도가 일정하다면 시간과 공간이 상대적으로 변해야 한다. 속도는 시간과 거리의 곱이기 때문에 속도에 따라 시간과 거리가 달라진다. 결과적으로 물체가 빛처럼 빠른 속도로 움직이면 시간은 느려지고 길이는 수축해야 하며 질량은 증가해야 한다. 

그런데 만일 시간이 관측자에 대해 상대적이면 어떤 일이 일어날까? 한 명의 관찰자에게 동시에 일어나는 다른 위치의 사건들이 다른 관찰자의 눈에는 서로 다른 순간에 일어나는 것처럼 보일 수 있다. 아인슈타인은 움직이고 있는 곳의 시계는 멈춰 있는 곳에 있는 시계보다 느리게 간다고 생각했다. 

실제로 1971년 제트 비행기 안에 원자시계를 넣고 지상에 있는 원자시계의 시간과 비교해보니 날아가는 제트 비행기 안에 있는 원자시계의 시간이 지구에 있는 원자시계의 시간보다 조금 느려졌다. 아인슈타인의 예측이 맞았던 것이다. 

지표면에 있는 뮤온을 통해서도 길이 수축과 시간 지연을 확인할 수 있다. 뮤온은 대기 상층부에서 우주 복사선과 대기 중 공기 입자가 충돌해 만들어지는데, 뮤온은 광속으로 운동하다가 2.2마이크로초 만에 붕괴한다. 약 600m 정도밖에 움직이지 못하는 것이다. 

그런데 이 뮤온이 10km 상공에서 지표면까지 도달한다. 어떻게 된 일일까? 뮤온 입장에서는 이동한 거리가 줄어들었고 관찰자의 입장에서는 뮤온의 수명이 길어진 것이다. 이에 대해 아인슈타인은 물체의 질량은 속도가 빨라질수록 커진다고 생각했는데 이는 질량 분석기를 통해 빠르게 운동하는 전자를 측정하는 실험으로 증명됐다. 

질량과 에너지의 결합, ‘질량-에너지 보존 법칙’ 
물체가 빛의 속도에 가까워지면 어떻게 될까? 질량이 엄청나게 증가하게 된다. 여기서 물리학에서 가장 유명한 ‘E=mc²’ 공식이 탄생한다. 질량은 곧 에너지와 같다는 ‘질량과 에너지 등가 원리’가 그것이다. 

이전에는 질량과 에너지를 별도로 생각했기 때문에 질량 보존의 법칙과 에너지 보존의 법칙이 따로 성립했다. 그런데 아인슈타인을 통해 질량과 에너지가 결합되면서 ‘질량-에너지 보존 법칙’이 탄생한 것이다. 

보통 화학반응과 핵반응이 일어날 때 생성물의 질량은 반응물의 질량의 합보다 조금 많거나 적다. 화학 반응에서의 질량 차이는 매우 작기 때문에 ‘질량 보존의 법칙’이 성립하는 것처럼 보인다. 

그러나 핵반응에서는 질량 차이를 무시할 수 없다. 원자핵의 질량은 원자핵을 이루는 양성자와 중성자의 질량의 합보다 작은데, 이 질량 차이는 원자핵이 만들어질 때 중성자와 양성자의 결합에너지로 전환된다. 

1932년 코크로프트와 월턴은 실험을 통해 질량과 에너지 등가 원리를 증명해냈다. c²’은 워낙 큰 값이기 때문에 적은 양의 질량을 에너지로 바꿔도 아주 큰 에너지를 얻을 수 있다. 

대표적인 예로 태양이 빛과 열을 내는 반응을 들 수 있다. 수소가 핵융합반응을 거쳐 헬륨으로 바뀌면서 줄어든 질량만큼 에너지로 바뀌어 태양계로 전달되는 빛과 열이 되는 것인데, 태양과 스스로 빛을 내는 별들 모두 이런 핵융합반응을 통해 빛을 낸다. 

또 다른 예로, 2차 세계대전 당시 일본에 떨어진 원자폭탄을 들 수 있다. 핵분열을 통해 결손된 질량이 에너지로 바뀌면서 수십만 명의 생명을 앗아갈 만큼의 어마어마한 위력을 만들어냈다. 

중력파·블랙홀 예측한 ‘일반상대성이론’ 
특수상대성이론은 물체의 속도가 변하지 않는 경우에만 적용된다. 빛과 같이 빠르게 움직이고 있는 물체에 적용되는 이론이기 때문에 속도가 변하는 경우에는 특수상대성이론이 적용되지 않는다. 

이때 적용되는 것이 바로 일반상대성이론이다. 속도가 변하려면 힘의 작용이 필요한데, 아인슈타인은 낙하운동을 통해 물체에 작용하는 힘인 ‘중력’에 집중했다. 일반상대성이론은 ‘천체들 사이에 작용하는 중력이 우주 공간을 어떻게 만드는가’에 대한 방법을 설명하는 이론이라 할 수 있다. 

아인슈타인은 중력에 의해 물체가 움직이는 이유는 물체의 질량에 의해 시공간이 휘어져있기 때문이라고 생각했다. 태양처럼 질량이 큰 물체 주위의 시공간이 휘어 있기 때문에 빛이 휘어져 진행할 것이라고 예상했던 것이다. 

실제로 영국의 천문학자인 에딩턴이 1919년 3월 29일에 있었던 개기일식을 관측하면서 태양 근처를 지나는 별빛이 휘어진다는 것을 확인했다. 은하가 많이 모인 은하단은 중력이 커서 주위의 시공간이 강하게 휘게 된다. 이는 천체의 빛도 더욱 강하게 휘게 하는 렌즈 역할을 하는데, 이것을 ‘중력렌즈’라고 한다. 

아인슈타인은 중력파의 존재도 예견했다. 2015년 9월에 미국의 레이저 간섭계 중력파 관측소에서 두 블랙홀이 충돌, 합병하면서 발생한 중력파를 잡아내 검출하는 데 성공했다. 이후 독일의 천문학자인 카를 슈바르츠실트는 일반상대성이론을 통해 블랙홀의 존재를 발견했고 이는 우주 연구에 커다란 영향을 끼쳤다. 

오늘날 아인슈타인의 상대성이론은 물리천문분야 뿐만 아니라, 시공간을 정밀하게 측정해야 하는 모든 영역에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 

*자료 제공=지브레인 출판사

*에듀진 기사 URL: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=41261
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