상대성의 특수이론과 일반이론

저:알베르트 아인슈타인
알베르트 아인슈타인Albert Einstein, 1879~1955
1879년 3월 14일, 독일 울름에서 아버지 헤르만 아인슈타인과 어머니 파울리네 사이에서 태어났다. 어린 시절, 아버지가 뮌헨에 전기공장을 세우고 일을 시작하자 그곳으로 이주해 학업을 시작했으나 19세기 독일의 엄격하고 현학적인 교육 환경에 적응하지 못했다. 결국 그는 성적 부진으로 김나지움을 졸업하지 못했다. 아버지의 사업 부진으로 가족들이 밀라노로 이주한 지 얼마 안 된 시기였다. 아인슈타인은 스위스에서 독학으로 다시 공부를 시작해 취리히 연방공과대학에 응시했으나 낙방했다. 하지만 그의 탁월한 수학 성적에 주목한 학장의 배려로 아라우에 있는 자유로운 분위기의 고등학교에서 1년간 공부한 후 마침내 연방공과대학에 입학하게 된다.

1900년 봄, 대학을 졸업한 그는 스위스 시민이 되었고, 2개월간 수학 가정교사로 일하다 베른에 있는 특허사무소 심사관으로 채용되었다. 5년간 특허사무소에 일하던 아인슈타인은 1905년 독일의 『물리학연보Annalen der Physik』에 5개의 중요한 논문을 발표했다. 그 가운데 「분자 차원의 새로운 결정」이라는 논문으로 연방공과대학에서 박사학위를 받았고, 다른 논문들에서는 유명한 광전효과, 브라운운동이론, 특수상대성이론을 제시했다. 특히 특수상대성이론에서는 ‘모든 좌표계에서 빛의 속도가 일정하고 모든 자연 법칙이 똑같다면, 시간과 물체의 운동은 관찰자에 따라 상대적’이라는 이론을 제기하면서 그때까지 인간이 가지고 있던 우주관을 완전히 바꾸어놓았다. 또한 그는 질량과 에너지의 등가원리를 확립했는데, 이에 따르면 ‘물질이 갖는 에너지는 그 물질의 질량에 빛의 속도의 제곱을 곱한 값과 같다’고 한다. 이것이 유명한 공식 E=mc2이다.
특수상대성이론으로 명성을 얻은 그는 1914년 독일 프로이센과학아카데미에 자리를 얻어 그곳에서 연구하면서 때때로 베를린대학교에서도 강의를 하였다. 그리고 1916년 마침내 『물리학연보』에 「일반상대성이론의 기초」를 발표했다. 이 이론에 따르면 중력은 뉴턴이 말한 힘이 아니라 ‘시공연속체 속에 있는 존재에 의해 생긴 굽어진 장(場)’이다. 그의 이론으로 시공간에 대한 개념은 완전히 바뀌었으며, 그때까지 알 수 없었던 수많은 우주 현상을 설명할 수 있게 되었다. 특히 1919년 런던 왕립학회가 프린시페 섬에서 행한 과학탐사에서 일반상대성이론으로 예측한 계산값을 증명하는 일식현상을 관찰함으로써, 아인슈타인은 세계적인 명성을 얻게 되었다.

1921년, 아인슈타인은 노벨물리학상을 수상하기에 이른다. 하지만 상대성이론이 아니라 1905년에 발표한 ‘광전효과’에 대한 공로 때문이었다. 이 이론을 설명하는 광양자 가설은 훗날 양자역학을 낳는 시금석이 되었다. 하지만 그는 양자역학의 성공을 인정하지 않고 거리를 두며 말년에는 주로 통일장이론을 연구하는 데 몰두했다.

1933년 나치가 집권하자 시민권을 포기하고 독일을 떠난 그는 이후 20여 년 동안 프린스턴 고등연구소에서 거의 변화 없는 생활을 유지했다. 1939년, 아인슈타인은 루스벨트 대통령에게 보내는 핵무기 연구에 관한 유명한 서한에 서명함으로써 ‘맨해튼 계획’ 수립에 영향을 끼쳤지만, 히로시마 원폭 투하에 충격을 받아 핵무기 폐기를 위한 운동에 동참했으며, 비무장 세계정부 수립을 위한 운동을 활발하게 전개했다. 한편 1940년, 아인슈타인은 마침내 미국 시민권을 취득했다. 하지만 그는 언제나 자신을 유럽인으로 생각했다. 1952년 이스라엘의 2대 대통령을 제안받기도 했던 그는 이를 정중히 거절하고 연구에만 몰두했다. 그리고 1955년 대동맥류 파열로 프린스턴 병원에 입원한 뒤 그해 4월 18일 그곳에서 76세를 일기로 세상을 떠났다.

최근 일본 과학자들을 포함한 국제적 과학연구 그룹인 오페라(OPERA) 팀이 “빚보다 빠른 물질을 발견했다”는 주장을 내놓았다가 1년도 안 되어 그 주장을 정식으로 철회하는 해프닝이 있었다. 2011년 9월에 실시한 측정실험에서 ‘소립자의 하나인 중성미자(뉴트리노)가 빛의 속도보다 빨리 이동한다’는 사실을 발견했다고 발표했다가, 2012년 5월에 실시한 재실험에서 ‘실험장치의 오작동을 간파하지 못한 데서 기인한 측정오류가 있었음’을 확인했다며 애초의 주장을 취소한 것이다.
이 해프닝은 아인슈타인의 상대성 이론이 옳음을 다시 한 번 확인해준 것이었다. 상대성의 특수이론은 ‘실제의 물체는 무엇이든 그 속도가 빛의 속도보다 느리다’는 것을 전제로 하여 구축된 이론이기 때문에 오페라 팀의 애초 주장이 옳았다면 유지될 수 없었다. 또한 상대성의 일반이론은 특수이론의 확장이기 때문에 일반이론의 토대도 허물어질 수 있었다. 그러나 결국 오페라 팀이 측정상 실수를 저지른 것으로 확인됐고, 이에 따라 아인슈타인의 상대성 이론은 계속 건재하게 됐다.
이런 해프닝에 관한 소식을 언론을 통해 접한 사람들은 아인슈타인의 상대성 이론에 대해 새삼 관심을 갖게 됐다. 그러나 상당한 수준의 과학지식을 갖춘 일부 사람들을 제외한 대다수 일반인들은 ‘상대성 이론’이라는 말은 들어보았지만 그것이 어떤 것인지를 구체적으로는 알지 못하는 게 사실이다. 이 책은 바로 그런 일반인들을 대상으로 아인슈타인이 직접 상대성 이론의 기본 개념과 의미를 친절하게 설명해주는 책이다.
아인슈타인은 머리말에서 “상대성 이론에 관심을 갖고 있지만 이론물리학의 수학적 장치는 깊이 있게 알지 못하는 독자들”을 위해 이 책을 썼다고 밝혔다. 또한 독자들이 “대학입학자격 시험을 칠 수 있는 정도의 교육수준을 갖추었다”고 전제한 가운데 이 책을 썼다고도 밝혔다. 다시 말해 고등학교 과정을 마친 정도면 이 책을 읽고 이해하는 데 큰 문제가 없다는 것이다. 그러나 고등학교 재학생도 과학에 관심을 갖고만 있다면 그리 어렵지 않게 이 책을 읽을 수 있다.
상대성 이론은 과학뿐만 아니라 철학적 사유에도 큰 영향을 미쳤다는 점에서 인문사회과학 전공자들도 알아두어야 할 이론이다. 인간사회와 자연사물의 구조와 질서에 두루 관심을 가진 사람이라면 아인슈타인이 상대성 이론으로 포착해 보여준 사물간 관계와 우주의 구조에서 적지 않은 영감을 얻게 될 것이다. 고승 성철 스님이 생전에 아인슈타인의 상대성 이론을 깊이 연구한 것도 바로 이런 맥락에서였을 것이다.
상대성 이론을 다룬 책은 수도 없이 많이 출판됐지만, 이 책만큼 얼른 이해하기 쉽게끔 간결하면서도 친절하게 상대성 이론을 설명해주는 책은 달리 없다. 게다가 이 책은 아인슈타인 자신이 말했듯이 “상대성 이론에 대해 가능한 한 정확한 식견을 갖게 해주는 것”을 또 하나의 목적으로 하여 씌어진 것이다. 이 책을 정독하고 나면 상대성 이론에 대한 여러 가지 잘못된 상식이나 오해에서 벗어날 수 있게 된다.
이 책은 1916년에 독일에서 출판된 아인슈타인의 저서 ?ber die spezielle und die allgemeine Relativit?tstheorie를 4년 뒤인 1920년에 영국 셰필드대학 물리학연구소 소속 물리학자 로버트 로슨(Robert W. Lawson)이 영어로 번역해 출판한 Relativity: The Special and General Theory를 우리말로 옮긴 것이다. 로슨의 영역본은 독일어 원서의 오류를 바로잡았고, 지은이인 아인슈타인으로부터 정식으로 인정받았다.