일반상대성이론 100+4년 – 제1회. 뉴턴이여, 나를 용서하시길!

2015년은 아인슈타인의 일반상대성이론이 나온지 100년이 되는 해였다. 특수상대성이론이 100세가 된 것은 10년 앞선 2005년이다. 일반상대성이론은 과학이론의 본성이 무엇인지 잘 드러내 주는 좋은 사례이기도 하고, 시간과 공간과 우주와 물질에 대한 가장 근본적인 이론이면서도 동시에 실증적으로 권위를 인정받은 이론이기도 하다.

그만큼 역사적인 맥락이 풍부하며, 또한 문화적 영향도 다양하다. 무엇보다도 시간과 공간에 대한 철학적 논의에서 중요한 역할을 해 왔다. 녹색아카데미 과학칼럼에서는 일반상대성이론이 만들어지고 다듬어지는 역사적, 철학적 과정을 9회에 걸쳐 살펴본다. (매주 화요일 업로드됩니다.)

  1. 뉴턴이여, 나를 용서하시길! (8/13)
  2. 절대공간은 존재할까? (8/20)
  3. 아인슈타인과 가우스와 비유클리드 기하학 (8/27)
  4. 드디어 일반상대성이론이 만들어지다 (9/3)
  5. 일반상대성이론을 푼다는 것 (9/10)
  6. 일반상대성이론의 수용, 오해, 해석 (9/17)
  7. 르메트르와 앨퍼 : 허블과 가모프에 가려진 우주론자들 (9/24)
  8. SF와 상대성이론 (10/1)
  9. 우리의 소원은 통일이론 (10/8)

글 : 김재영 (녹색아카데미)
2019년 8월 13일

아인슈타인은 1915년 일반상대성이론을 발표했다. 이는 1905년의 특수상대성이론을 일반화한 포괄적 이론에 불과한 것이 아니라, 시간과 공간과 물질과 중력에 대한 가장 일반적이고 보편적인 법칙과 이론을 제시한 것이었다. 이는 중력 자체에 대한 설명에 머물지 않고 이후 우주론의 기본 배경이론으로 중대한 역할을 했으며, 더 나아가 물질들의 통일이론을 확장한 소위 ‘모든 것의 이론’을 위한 기초가 되어 왔다. 일반상대성이론은 가장 근본적이고 중요한 물리학 이론으로서뿐 아니라 난해한 이론의 대명사가 되어 여러 방면의 관심을 불러일으켜왔다.

다만 기존의 일반상대성이론에 대한 논의는 다소 편파적으로 물리학이론에 대한 계몽적 해설에 국한되어 왔다. 또한 단순히 난해하고 어려운 물리학 이론이라는 명성만 있을 뿐이고, 이러한 과학이론이 어떤 경로로 어떻게 발전해 왔는가에 대한 역사적 해명이 매우 부족하다. 이러한 경향은 BBC나 PBS Nova에서 제작하는 다양한 과학 다큐멘터리에서도 볼 수 있다. 즉 일반상대성이론 그 자체나 그 역사적 및 문화적 맥락들을 소개하기보다는 천재로서의 아인슈타인의 삶에 대한 이야기나 초끈 이론이나 다중우주처럼 더 사변적이거나 자극적인 주제를 위한 배경으로만 소개된 면이 있다.

[그림 1] 아인슈타인의 상대성이론 100년 (Science & Technolgy 영상보기-이미지를 클릭해주세요.)

이른바 ‘과학의 대중적 이해’(Public Understanding of Science, PUS)에 대한 논의에서도 새로운 면이 강조되고 있다. 최근의 PUS에서는 난해하고 복잡한 과학의 내용을 알기 쉽게 재구성하고 비유 등을 통해 해설하는 것을 강조하는 기존의 계몽적 관점을 비판한다. 그러면서 과학이 사회 속에서 어떻게 침윤하여 서로 상호작용하고 있는지, 나아가 과학 자체가 사회적 맥락에서 어떻게 영향을 받고 모습을 바꾸어 가는지에 주목하는 관점이 힘을 얻어가고 있다.

이번 연재에서는 일반상대성이론의 역사와 철학에 주목해 과학이 사회 속에서 어떻게 작용하는지, 나아가 과학 자체가 사회적 맥락에서 어떻게 영향을 받고 모습을 바꾸어 가는지 알아보려 한다. 교과서적으로 개관된 이론이 아니라 살아 숨 쉬는 사람들이 만들어낸 역사 속의 이론을 다룰 것이다. 또 일반상대성이론이 사상사와 과학문화에 기여한 것은 무엇이었는지 살펴보려 한다.

1.뉴턴이여, 나를 용서하시길!

1919년 지금으로부터 꼭 100년 전, 아서 에딩턴의 일식 원정으로 알버트 아인슈타인은 세계에서 가장 유명한 과학자가 되었다. 아인슈타인의 이름과 늘 함께 등장하는 일반상대성이론이라는, 난해하기로 소문난 이론은 어떻게 생겨난 것일까? 일반상대성이론은 아인슈타인 이후 어떻게 발전해 왔으며, 우리가 세상을 바라보는 데 어떤 영향을 끼쳤을까?

[그림 2] 아인슈타인(독일)과 에딩턴(영국). 이들은 1차 세계대전이 끝나고 몇 년 후에야 만날 수 있었다. (사진 : BBC)

1955년 4월, 저명한 과학사학자 I. 버나드 코엔이 아인슈타인을 찾아가 인터뷰를 했다. 그로부터 두 주 뒤 아인슈타인이 세상을 떠났기 때문에 그 인터뷰는 아인슈타인의 생각을 마지막으로 읽을 수 있는 기회였다. 코엔은 벤저민 프랭클린과 아이작 뉴턴에 대한 방대하고 엄격한 연구로 정평이 나 있지만, 아인슈타인을 만날 무렵만 해도 이제 막 41살이 된 젊은 과학사 학자였다.  

코엔은 새로운 과학개념이 어떻게 생겨나는지 그리고 실험이 이론의 창조와 어떻게 연관되는지에 관심이 많았다. 특히 뉴턴이 수학 및 수리물리학뿐 아니라 실험과학에서도 천재적이었음에 주목하고 있다고 아인슈타인에게 말했다. 아인슈타인 역시 자신이 뉴턴을 평생 흠모하고 그에게 경탄했다고 대답했다. 청년 시절에 아인슈타인이 쓴 시를 보면 뉴턴에 대한 존경이 드러난다. 

[그림 3] 아인슈타인이 뉴턴에 대해 쓴 시 

Seht die Sterne, die da lehren
별을 바라보라, 별은 가르쳐 준다네
Wie man soll den Meister ehren
어떻게 대가의 영예를 드높일지
Jeder folgt nach Newtons Plan
별들은 모두 뉴턴의 계획대로
Ewig schweigend seiner Bahn
침묵하여 영원히 자신의 궤적을 따라 간다네

그런데 아인슈타인의 자서전을 보면 살짝 다른 견해가 나타난다.“뉴턴이여, 나를 용서하시길! 당신은 당신의 시대에 최고의 사유와 창조의 능력을 가진 사람에게만 가능한 유일한 길을 찾아냈습니다.”

왜 새삼 뉴턴에게 자신을 용서하라고 한 것일까? 1666년 흑사병으로 고향 울소프에 돌아가야 했던 뉴턴은 말 그대로 기적처럼 빛과 색의 새로운 이론을 만들고, 미적분학의 원리를 알아내고, 보편 중력의 법칙을 찾아냈다. 그의 필생의 업적인 <자연철학의 수학적 원리>(이후 <원리>)와 <광학>과 수많은 저서들은 이후 300년 동안 세계를 이해하는 사실상 유일한 방법이 되었다. 그런데 그런 뉴턴에게 용서를 구하다니! 아인슈타인의 오만함의 근거는 무엇이었을까? 

사실 아인슈타인은 뉴턴이 이뤄놓은 것을 죄다 허물어뜨려 버린 장본인이다. 아인슈타인은 기적의 해 1905년에 다섯 편의 논문을 발표했다. 먼저 ‘정지한 액체 속에 떠 있는 입자들의 운동(브라운 운동)’과 ‘분자 크기의 새로운 결정’에서는 뉴턴을 정면으로 반박하지는 않았지만, 볼츠만의 기체분자운동론을 원용하여 물성을 연구하기 위해 확률과 통계를 이용해야 함을 강조했다. 뉴턴은 확률과 통계라는 개념이 생기지도 않았던 시대에 살았기에 큰 타격은 아니었지만, 그 다음은 상당히 심각했다.

뉴턴은 1672년에 발표한 ‘빛과 색에 관한 새로운 이론’으로 유명해졌고, 그 덕분에 모교인 케임브리지대의 루카스 석좌교수가 됐다. 아인슈타인이 ‘빛알’ 또는 ‘광양자’ 개념을 다룬 논문 ‘빛의 발생과 변환에 관한 발견적 관점(빛알 이론)’은 뉴턴이 평생의 연구로 쌓아 놓은 광학의 업적들을 뒤집는 것이었다. 이것은 양자역학이 만들어지는 데도 매우 중요한 기초가 됐다.

[그림 4] 뉴턴의 절대공간 vs 아인슈타인의 중력마당 (사진 : NASA)

혁명은 아직 시작에 불과했다. 연달아 나온 두 논문 ‘움직이는 물체의 전기역학(특수상대성이론)’과 ‘물체의 관성은 에너지 양에 따라 달라지는가(E=mc2)’는 운동 법칙과 시간 및 공간에 대한 뉴턴의 관점을 뒤집었다. 1687년에 출판된 <원리>는 엄격한 물리학을 위해서는 시계로 재는 시간이나 자로 재는 공간이 아니라 절대적이고 수학적이고 우주적인 시간과 공간이 필요함을 역설했다.

아인슈타인은 시계와 자로 재는 시간과 공간이 더 근본적임을 주장함으로써 뉴턴의 절대공간과 절대시간을 물리학계에서 추방시켜 버렸다. 게다가 아인슈타인의 주장은 실험을 통해 엄밀하게 확인됐으니, 아인슈타인의 맹공격에 뉴턴이 맥을 못 추는 것도 당연해 보인다.

[그림 5] BBC news. “Do you really understand Einstein’s theory of relativity?” (영상 보기-이미지를 클릭해주세요.)

뉴턴에게 결정적인 케이오 펀치를 날린 것이 그로부터 10년 뒤의 일이다. 뉴턴의 가장 중요한 공로는 보편 중력의 법칙을 세운 것이다. 모든 물체 사이에는 거리의 제곱에 반비례하는 힘이 작용한다는 ‘만유인력의 법칙’을 의심하는 것은 곧 물리학을 의심하는 것처럼 여겨져 왔다. 그러나 물체가 직접 만나거나 부딪치지도 않으면서 서로 힘을 미친다는 관념은 뉴턴 당시에도 쉽게 받아들여지지 않았다. 

이 ‘원격작용의 난제’를 해결한 것이 바로 아인슈타인이다. 아인슈타인에게는 보편 중력이 물체들이 멀리 떨어진 채 서로 신비한 힘을 미치는 것이 아니었다. 아인슈타인이 새로 제안한 중력의 개념은 하나의 물체가 그 주변에 만들어내는 중력마당과 그 중력마당이 다른 물체에 영향을 미치는 것이었다. 1915년에 와서는 뉴턴의 가장 소중한 업적인 보편중력의 법칙마저 완전히 무너뜨렸으니, 아인슈타인이 뉴턴에게 자신을 용서하라고 말하는 것도 납득할만하다.

다음 회에 계속 됩니다. – 제2회 “절대공간은 존재할까?”(8/20)

[그림 6] 상대성이론 100년 (사진 : IAS. Institute for Advanced Study)
이미지를 클릭하면 2015년 IAS에서 열렸던 “상대성이론 100년” 기념 컨퍼런스 전체 영상을 볼 수 있습니다.

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