알베르트 아인슈타인(1879~1955) 

빛의 속도에 가까운 운동의 성질을 규명해 현대우주론의 기초를 세웠다. 스위스 베른에 있는 특허국에서 특허 심사관으로 일하던 그는 1905년 기념비적인 논문 세 편을 발표한다. 분자의 존재와 열운동에 대한 브라운 운동, 빛이 입자와 같은 성질을 지닌다는 광량자 가설, 그리고 새로운 시공간 이론인 특수상대성이론을 내놓았다. 1915년엔 특수상대성이론의 적용 범위를 더 넓힌 일반상대성이론을 발표한다. 

　아인슈타인의 상대성이론은 시간과 공간에 대한 통념을 완전히 뒤집은 대담한 가설이었다. 아인슈타인 이전의 사람들은 시간은 평등하게 누구에게나 똑같이 흐른다고 생각했다. 공간도 뒤틀리거나 찌그러지지 않는다고 봤다. “아인슈타인의 상대성 이론이 나오기 전까지만 해도, 내가 가지고 있는 시간의 간격과 당신이 가지고 있는 시간의 간격은 절대적으로 같다고 물리학자들은 믿었다.”(중앙선데이 2014년 11월 23일 ‘광활한 우주 시공 속 웜홀 통한 星間 여행 가능할까’) 시간과 공간은 변하지 않는 절대적인 기준이었다. 

　그는 전혀 다른 해석을 했다. 시간과 공간을 시공간이라는 통합된 개념으로 봤다. 아인슈타인은 “빠르게 움직일수록 시간은 천천히 가고, 길이는 수축되며, 질량은 늘어난다”는 사실을 논증했다. 특수상대성이론이다. 더 나아가 일반상대성이론을 통해 강력한 중력은 주변의 시공간을 휘게 하고, 빛 마저도 휜 경로를 따라 움직이게 된다는 사실을 알아냈다. 중력이 강한 곳에서 시간이 천천히 흐르고, 길이가 줄어든다는 원리를 밝혔다. 블랙홀은 중력이 엄청나게 커 모든 것을 빨아들인다. 나와 너의 시간은 다를 수 있고, 공간(길이)도 쭈그러들 수 있다. “아인슈타인에 따르면 시간은 속도에 따라 변한다. 극단적으로 말해 빛의 속도로 움직이는 로켓의 시간은 정지한다.”(중앙선데이 2012년 7월 1일 ‘내비게이션엔 ‘아인슈타인 시간’이 흐른다’) 아인슈타인에게 시간과 공간은 상대적이다. 사람들은 시간과 공간(길이)이 변할 수 있다는 사실을 처음으로 인식했다. 


시간과 공간의 개념을 뒤집다 

1887년 미국의 물리학자 마이컬슨과 몰리는 빛의 속도는 어떤 경우에도 초속 30만㎞로 동일하다는 사실을 실험을 통해 밝혀냈다. 빠르게 이동하는 비행기에서 쏜 빛도, 정지 상태에서 쏜 빛도 속도는 똑같이 초속 30만㎞였다. 이것이 빛의 성질이다. 

　아인슈타인이 갈릴레이·뉴턴의 고전 물리학과 가장 큰 차이를 보인 부분은 바로 빛의 성질에 관한 것이다. 아인슈타인은 빛이 일정한 속도를 갖고 있다는 걸 상대성이론의 기본 가설로 삼았다. 교학사 물리Ⅰ교과서는 로켓 안에 있는 A가 느끼는 빛의 속도와 날아가는 로켓을 바깥에서 바라보는 B가 생각하는 빛의 속도 차이를 들어 이 이론을 설명하고 있다. 속도란 거리를 시간으로 나눈 값이다. A가 관찰한 빛과 B가 관찰한 빛은 속도가 동일해야 한다. 그런데 로켓 바깥에 있는 B에게는 빛의 속도에 날아가는 로켓의 속도가 더해져서 빛이 더 많이 이동한 것으로 느껴진다. 거리가 늘었으니 시간도 늘어나야 빛의 속도가 같아진다. 따라서 B가 볼 때는 로켓 안에 있는 A의 시간이 느려져야 한다. 시간이 천천히 흐른다. 영화 ‘인터스텔라’에서처럼 로켓 안에 있는 A의 7시간이 지구 위 B의 70년에 해당하는 일이 벌어지는 것이다. 교과서는 이에 대해 “아주 빠르게 움직이는 사람의 시간을 정지한 사람이 측정할 때는 그 시간이 늘어난다. 이 현상을 시간 팽창이라고 한다”고 설명한다. “빠르게 움직일 수록 시간은 천천히 가고, 길이는 수축되며, 질량은 늘어난다”는 특수상대성이론이다.

　상대성이론은 나의 시간과 너의 시간은 다르다는 상대성을 드러낸다. 살바도르 달리의 작품인 ‘기억의 지속’은 죽은 시계가 해변에 널려 있는 모습을 담고 있다. 물체가 빛의 속도로 달릴 때 시간이 멈춘다는 아인슈타인의 상대성이론이 떠오른다. 상대성이론은 시간과 공간에 대한 새로운 해석을 보여줌으로써 미술·음악·영화·건축 등 사회 전반에 지대한 영향을 끼쳤다. 전영백 홍익대 예술대 교수는 공저로 참여한 『상대성 이론 그후 100년』에서 “상대성이론이 밝히듯 과학에서 빛이 휠 수 있다는 것, 더 나아가 공간 자체가 휘는 사실을 인정한다는 것은…화가가 어떠한 대상을 볼 때 이를 비추는 빛, 둘러싼 공간 그리고 상호 간의 움직임을 완전히 파격적으로 파악할 수 있는 가능성을 뜻한다”고 썼다. 시간과 공간의 상대성은 예술가들에게 대상을 전혀 다른 관점에서 파악할 수 있는 예술적 자극으로 작용했다는 것이다. 

우리는 매일 아인슈타인을 만난다

아인슈타인의 상대성이론에서 시간과 공간은 변한다. 빠르게 움직이는 물체 속에서 시간은 느리게 흐른다는 명제는 이론적으로 시간 여행을 가능하게 했다. 빛의 속도에 가깝게 움직이는 로켓을 타고 우주여행을 가면 로켓 속 시간은 천천히 흐른다. 지구의 시간은 그대로다. 다시 로켓의 방향을 지구로 돌려 돌아오면 우주비행사는 먼 미래에 도착할 수 있다. 실제 초속 7.7㎞로 움직이는 국제우주정거장에서 6개월 보낸 사람은 지구에 있는 사람보다 약 0.007초 정도 덜 늙는다고 한다. 우주정거장 속 시간이 천천히 흐른 거다. 

아인슈타인의 상대성원리가 응용된 분야는 생활 속에서 쉽게 찾을 수 있다. 바로 내비게이션, 지도 검색 등에 이용되는 위성항법장치(GPS)다. 비행기·선박·건축 등 GPS는 이제 필수적인 기술이 됐다. 위치정보는 고도 2만㎞에서 시속 1만4000㎞의 속도로 움직이는 GPS 위성으로부터 받는다. 아인슈타인의 상대성이론에 따르면 속도가 빠를수록, 중력이 강할수록 시간은 천천히 흐른다. 연구에 따르면 위성의 시간은 하루에 1000분의 7초씩 느려진다고 한다. 이 오차를 상대성이론에 기반해 수정한다. 

　특수상대성이론의 중요한 방정식 중 하나인 ‘E=mc²’은 원자력 발전을 가능하게 했다. 에너지(E)는 질량(m)에 비례하고 빛의 속도(c)의 제곱에 비례한다. 에너지와 질량이 서로 교환될 수 있다는 뜻이다. 아주 작은 질량의 감소만으로도 엄청난 에너지를 만들어 낼 수 있다. 우라늄의 원자핵이 분열하거나 융합할 때 미세한 질량의 변화가 발생하는데, 이것을 에너지로 전환하는 것이 바로 원자력 발전이다. 

　디지털 카메라, 태양전지 등엔 아인슈타인에게 노벨상을 안겨줬던 광량자 가설이 응용된다. 광량자 가설은 빛이 입자의 성질을 띠고 있다는 것인데, 알갱이가 금속판을 때리면 전자가 튕겨 나가는 광전 효과를 설명한다. DVD·바코드·홀로그램 등에 사용되는 레이저도 아인슈타인의 아이디어에서 출발했다. 아인슈타인은 지금 우리 생활 곳곳에 살아 숨쉬고 있다.

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