상대성 이론

상대성 이론의 골자는 반응이 일어날 때의 질량감손이 에너지로 변환된다는 것 즉 물질이 에너지로 바뀔 수 있고 또한 에너지가 물질로 바뀔 수 있다는 것이다. 이 이론이 원자폭탄과 수소폭탄을 만드는 이론적 기초가 된 것이다.

우선 빛에 대한 이야기로 실마디를 풀어가보자. 르네상스 이후로 자연과학이 태동하였을 때 빛에 대한 연구가 진행되었다. 유명한 뉴턴에 의하여 ‘빛은 입자이다. 왜냐하면 빛이 반사할 때나 굴절할 때 입자로 설명하면 사실과 부합되기 때문이다’ 는 입자설이 제안되었다. 그러나 빛 역시 회절과 간섭 현상을 일으킨다는 사실이 알려지면서 빛의 본질은 입자가 아니고 파동이라는 파동설이 호이겐스 등에 의하여 주장되었고 19세기의 맥스웰에 의하여 집대성되었다. 일반적으로 파동이 전달되려면 매질이 필요하므로 빛의 경우에는 매질이 무엇일까 하는 의문을 풀기 위하여 가상의 매체인 에테르를 통하여 전달된다고 가정하고 에테르의 존재를 증명하려고 노력하였지만 결국 성공하지 못하였다.

한편 빛의 속도를 측정하는 노력도 이루어졌다. 갈릴레이에 의하여 빛의 속도가 상상할 수 없을 만큼 크기는 하지만 무한대는 아니라고 주장된 후 측정하기 위해서는 아주 짧은 시간을 측정하거나 또는 아주 긴 거리를 측정하여 빛의 속도를 결정하자는데 의견이 일치하였다. 유명한 마이컬슨의 실험에 의하여 측정된 광속도가 3×108 m/sec이었으며 오늘날에도 받아들여지고 있다. 또한 빛의 속도보다 더 큰 속도는 없다는 것이 제안되어 진리로 받아들여졌다.

빛이 파동이라고 생각하면 전달하는데 필요한 매체를 찾지 못하였다는 딜레마에 빠져 있는 와중에 흑체복사라는 문제가 불거졌다. 흑체복사는 빛이 파동이라는 이론 (파동설)로는 만족스럽게 해결할 수가 없었다 (ultraviolet catastrophe). 이 문제는 1900년에 막스 플랑크가 양자설을 제안하면서 해결되었다. 플랑크의 이론은 ‘빛은 연속된 에너지를 가지고 있지만 방출되거나 흡수할 때는 불연속적인 에너지 형태이다’ 는 것이다. 헌 부대에 담긴 새 술처럼 플랑크는 양자역학을 처음으로 제안하였지만 고전역학에도 미련을 가지고 있었다.

그 뒤 광전효과 현상을 설명하면서 빛은 불연속적인 에너지를 가진 입자 (광량자)이면서 파동운동을 한다는 광량자론이 등장하여 오늘날까지 이어지고 있다. 간단하게 광전효과 현상을 설명하면 빛을 금속 표면에 쪼이면 전자가 방출된다는 것이며 텔레비전, 전광판 등에 이용되고 있다.

아인스타인이 이런 이론들을 바탕으로 사고하였을 것이다. 물체를 가속하여 속도가 빛의 속도에 접근하면 어떤 현상이 예상될까라는 문제를 심사숙고하였을 것이다. 이런 것처럼 실제로 실험하기 곤란한 문제에 대하여 머릿속으로 실험해보는 것을 사고실험이라고 하며 과학 특히 물리학에서는 중요한 역할을 하고 있다. 물체의 속도는 광속도보다 더 커질 수는 없으므로 속도가 광속도보다 아주 작을 때에는 흔히 볼 수 있듯이 주어진 에너지가 속도의 증가에 이용된다. 그러나 속도가 점점 광속도에 접근하면 속도의 증가 비율이 감소하므로 에너지가 어떻게 될까? 바로 여기서 천재성이 발현되는 것이다. 발상의 전환 즉 그때까지는 물질의 질량이 불변이라고 모두가 생각하였는데 사실은 불변이 아니고 변할 수 있으며 에너지가 질량을 크게 할 수 있다 즉 에너지가 물질이 될 수 있다는 혁명적인 발상을 하게 된 것이다. 이것이 특수 상대성 이론의 골자이며 일정한 속도로 운동하는 물체의 속도가 광속도에 가까워지면 길이는 감소, 시간은 늦어지며 질량은 증가한다.

일반 상대성 원리는 물체가 가속도 운동을 할 때 가능한 현상에 대한 이론이다. 결론부터 말하면 가속도와 중력의 작용은 같으며 구별할 수 없다는 것이다. 가속되어 앞으로 움직이는 우주선에서 사과를 놓치게 되면 사과는 그 순간의 속도로 움직이며 우주선의 속도는 계속 증가하게 되니 우주선의 밑바닥이 사과를 쫓아와서 결국은 부딪히게 되고 사과는 바닥에 있게 되는 것이다 (가속도에 의한 설명). 이 현상을 다르게 표현하면 사과가 바닥으로 떨어지게 되고 그 후에는 계속하여 바닥에 있게 된다고 볼 수도 있다 (중력에 의한 표현). 좀 더 쉬운 예를 들어 보자. 등속도로 움직이는 엘리베이터에서는 무게의 변화가 없다. 반면에 가속되어 위로 움직이게 되면 무게가 증가하며 내려가게 되면 무게가 감소한다. 이런 일이 일어나면 안 되지만 만약에 줄이 끊어져 자유 낙하하는 엘리베이터 속에서는 0이 되는 무중력 상태를 경험하게 되는 것이다. 이 현상 역시 가속도와 중력은 동일한 효과를 가진다는 것을 말해주고 있다.

중력이 지구 보다 더 큰 별에서는 시계가 느리게 가는 현상이 일어난다. 이것은 암모니아가 반전운동을 할 때의 주기를 비교하면 관측할 수 있다. 중력이 큰 별에서는 주기가 느려지므로 방출되는 마이크로파의 진동수가 증가하는 즉 적색편이가 관측된다. 빛의 정지 질량은 0이라고 생각되지만 빛 역시 중력에 의하여 경로가 바뀐다. 그러나 지구에서는 중력이 약하여 실제로 관측할 수 없지만 중력이 강한 별들에서는 빛이 별 쪽으로 휘는 것을 관측할 수 있다. 아주 중력이 강한 별 즉 블랙홀에서는 빛조차도 탈출할 수 없게 되는 것이다.