1913년 일반 상대성 이론을 정립 중이던 아인슈타인은 수학적 한계에 부딪혔다. 그래서 친구였던 마르셀 그로스만에게 도움을 요청했다.
“이봐 친구, 제발 도와주게. 수학적 문제 때문에 미칠 것 같아! ” 그리고 4년 뒤 완성된 일반 상대성 이론이 우주에 미치는 영향에 대한 논문을 마무리하고 있던 시절, 그의 몸은 병에 찌들어갔다. 평상시 위궤양과 간 질환도 앓고 있던 터였다. 정신적으로 탈진한 아인슈타인은 자신이 죽어가고 있다고 여겼고, 동료 물리학자 아르놀트 조머펠트에게 이런 편지를 썼다.
“지난 한 달은 내 인생에서 가장 흥분되고, 지친 시간이었어. 그렇지만 가장 큰 성공의 하나를 거둔 시기였네.”
당시 아인슈타인의 지인들 대다수는 그런 감정을 이해하지 못했다. 이는 요즘도 다르지 않다. 아인슈타인이 어떻게 그처럼 탁월한 통찰력을 얻었는지, 그것이 그에게 어떤 의미였는지 완전히 알지 못한 채 그의 통찰력을 연구하고 있다. 미국 컬럼비아대학의 이론 물리학자 브라이언 그린 박사의 표현을 빌리면 우리는 대개 일반 상대성 이론을 뼈저리게 느끼지 못한다.
이 같은 이해 부족은 일반 상대성 이론에 대한 뿌리 깊은 오해에서 비롯된다. 심지어 평생 이 이론을 활용한 연구자조차 그런 오해에 빠져있는 경우가 있다.
일반 상대성 이론은 중력에 관한 이론으로 널리 알려졌지만 사실은 그렇게 단순하지 않다. 또한 이 이론은 물체의 움직임을 설명하는 일련의 방정식으로 서술돼 있지만 단순한 방정식의 모음도 아니다.
일반 상대성 이론은 문자적으로나 비유적으로나 우리 주변의 모든 ‘풍경(landscape)’에 관한 최고의 이론이라 할 수 있다. 시공간의 가능한 모든 배치 형태와 물질의 존재 속에서 시공간이 변화하는 모든 방식을 설명하는 광범위한 개념이기 때문이다. 또 현실의 모든 부분과 연결돼 있는 시스템이기도 하다.
그 풍경으로의 첫 진출은 아인슈타인을 기쁘고도, 지치게 만들었지만 그 뒤를 따른 연구자들은 항상 완전히 새로운 것들을 발견해냈다. 발표된 지 100년이 지난 일반 상대성 이론이 오늘날까지도 가장 놀라운 발견들을 이끌고 있는 이유가 여기에 있다.
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일반 상대성 이론이 풍경을 논한다는 발상을 이해하는 최선의 방법은 우리가 알고 있는 가장 거대한 풍경인 우주를 살펴보는 것이다.
아인슈타인은 우주가 고정된 배경, 즉 눈에 보이는 물체의 움직임을 측정할 수 있는 눈에 보이지 않는 척도가 아님을 깨달았다. 우주는 질량에 대응해 휘어지고 왜곡되는 유연하면서도 역동적인 존재였다. 이 시공간의 왜곡은 누구나 무의적으로 경험한다. 사람의 발이 땅에 붙어 있고 지구가 공전궤도를 이탈하지 않도록 만드는 힘, 다시 말해 중력으로 말이다.
캐나다 온타리오주 소재 페리미터 이론물리학 연구소의 이론 물리학자이자 아인슈타인의 신봉자 중 한 명인 리스몰린 박사는 질량에 의해 모든 것이 결정된다는 일반 상대성 이론은 전 우주에 대한 하나의 통일된 설명을 제공한다며 찬사를 보낸다. “일반 상대성 이론은 하나의 폐쇄계(閉鎖系)로서 우주 전체에 적용할 수 있는 최초의 이론입니다.”
아마도 ‘우주는 팽창하고 있다’는 말을 들어 봤을 것이다. 하지만 그 말의 진정한 의미를 아는 사람은 많지 않다.
1929년 미국의 천문학자 에드윈 허블은 다른 은하들이 태양계가 속한 우리은하로부터 모든 방향으로 멀어져 가고 있음을 관측했다. 마치 우리은하를 중심으로 한데 뭉쳐있던 은하들이 강력한 폭발에 의해 비산(飛散)되고 있는 것처럼 보였다. 영국의 천문학자 에드워드 아서 밀른이 1930년대에 그런 관점에서 허블의 관측결과를 설명하려 했지만 실패했다.
이를 합리적으로 설명할 유일한 방법은 아인슈타인과 마찬가지로 우주를 역동적 존재로 보는것이었다. 그러면 은하들이 비산되고 있는 게 아니라 은하와 은하 사이의 우주공간이 넓어지고 있다는 결론에 도달할 수 있다.
이는 상당히 기묘한 관점이었지만 모든 현상이 정확히 맞아떨어진다.
무엇보다 먼저 빅뱅이 있었다. 참고로 빅뱅은 우주 내에서가 아닌 우주 자체의 폭발이다. 빅뱅이 일어난 순간의 우주는 하나의 작은 점에 불과했으며, 빅뱅 이후 137억 년이 지난 현재까지 우주는 끝없이 팽창하고 있다. 또한 우주는 모든 방향으로 팽창하고 있으므로 우주 속 어떤 지점도 우주의 중심으로 간주될 수 있다. 지금 당신이 있는 바로 그곳이 우주의 중심이라는 얘기다. 이렇게 일반 상대성 이론은 우주학자들이 물질의 기원과 은하의 형성, 그리고 빅뱅부터 현재의 지구에 이르는 길을 모델링할 수 있도록 해준다.
특히 우주학자들은 아직도 일반 상대성 이론으로 풍경 속 새로운 오지들을 탐사하고 있다. 예컨대 우주는 역동적이기 때문에 어떤 복 잡한 방식으로도 모습을 변형시킬 수 있다. 중력은 우주를 압축하는데, 압축은 질량이 큰 물체들의 간격을 좁히는 것으로 설명 가능하다.
일반 상대성 이론에선 우주를 미는 힘인 반중력의 존재도 인정한다. 사실 반중력의 존재는 수십 년간 이론적 호기심 이상의 취급을 받지 못했다. 그러던 1998년 두 천문학 연구팀에 의해 우주의 팽창 속도가 점점 빨라지고 있음이 관측됐다. 이는 일반 상대성 이론의 맥락 하에서만 타당한 결과였다. 이후 우주 가속 팽창의 개념은 학계에 널리 받아들여졌고, 그 공로로 두 연구팀의 세 학자에게 2011년 노벨 물리학상이 돌아갔다.
이처럼 우주의 팽창을 가속화시키는 반중력 물질을 현재 ‘암흑에너지’라 부른다. 전체 우주 질량의 68%를 차지하고 있지만 아직 정체가 수수께끼에 쌓여 있다. 이에 국제 천문학 연구팀이 칠레의 세로 톨로로 범미주 천문대(CTIO)가 운 용 중인 빅토르 블랑코 천체망원경에 암흑에너지 카메라(DECam)를 부착, 암흑에너지의 실체를 규명 중이다.
연구팀은 5년의 연구기간 동안 3억개의 은하를 촬영, 그 분포를 기록하게 된다. 중력은 시간이 지날수록 은하 간의 거리를 좁히는 경향이 있는 반면 암흑에너지는 거리를 벌린다. 이번 조사로 드러날 패턴은 암흑에너지가 모든 지점에서 동일하게 작용하는지, 우주의 역사 속에서 암흑에너지의 강도가 변해왔는지의 여부를 우리에게 알려줄 것이다. 이와 관련 전문가들은 암흑에너지의 질량이 우리 눈에 보이는 물질의 질량보다 15배 이상 큰 만큼 그 영향력은 우주의 운명에도 결정적 역할을 할것이 확실하다고 강조한다.
우주의 팽창이 행성과 같은 움직이는 물체의 중력에 방해를 받으면 그 흔적이 생길지도 모른다. 연못에 돌을 던지면 물결이 일듯이 말이다. 이 분야는 과학자들이 이제 막 연구를 시작한 일반 상대성 이론의 또 다른 미개척지다.
구체적으로 중력파들이 꿈틀거리며 빛의 속도로 지구를 지나가면 부딪치는 모든 것들을 극히 미세하게 압축하고 늘린다. 이 중력파를 직접 포착하고자 미국 공동연구팀이 워싱턴주와 루이지애나주에 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)를 설치했으며, 올 9월 길이 4㎞의 레이저 간섭계를 업그레이드하고 재가동에 돌입했다. 이탈리아와 프랑스 공 동연구팀도 ‘ 버고(VIRGO)’라는 중력파 관측소를 건설, 미국과 유사한 연구를 진행 중이다. 연구자들은 이를 통해 2020년 이전에 블랙홀의 충돌 등 눈에 보이지 않는 우주현상에 의해 발생한 중력 신호를 관측할 수 있기를 희망하고 있다.
그렇다. 블랙홀은 일반 상대성 이론의 풍경을 구성하는 모든 기이한 것들 가운데 가장 유명하다. 일반 상대성 이론이 다루는 지형도 속에서 이만큼 흥미로운 장소도 없다. 실제로 다른 우주와 블랙홀의 경계인 ‘사상 수평선(event horizon)’에서는 시간조차 멈춘다. 양자역학으로만 설명할 수 있었던 원자 단위의 현상도 도시 크기로 확대된다. 아니 적어도 그런 것처럼 보인다.
이뿐만이 아니다. 일반 상대성 이론은 우주의 모든 부분이 이어져 있어야 한다고 설명한다. 블랙홀의 내부와 외부에는 물리적 장벽이 없어야 한다는 뜻이다. 이명백한 모순은 과학계가 현재 알고 있는 물리학 법칙들을 뛰어넘는 많은 새 이론들을 탄생을 이끌었다.
특히 블랙홀처럼 뒤틀린 공간의 경우라도 철저한 관측을 통해 일반 상대성 이론 속 풍경의 변방에라도 접근할 수 있을지 모른다. 이를 위해 고성능 전파망원경을 보유한 전 세계 9개 천문대들이 참여하는 ‘사상수평선 망원경(EHT) 프로젝트’가 출범한 상태다. 연구팀은 각 전파망원경을 하나의 시스템으로 묶어 거의 지구크기의 초대형 망원경을 구축, 우리 은하 중심의 초거대 블랙홀 ‘궁수자리A*’를 직접 촬영하려 하고 있다. 추후 3곳의 천문대가 추가 될 예정인데, 촬영에 성공한다면 최초로 블랙홀의 이미지를 육안으로 볼 수 있게 된다.
물론 블랙홀 자체는 어떤 형태가 없다. 그냥 검다. 괜히 ‘블랙’홀이 아니다. 하지만 그 크기와 주변구조를 측정하면 질량이 우주의 구조를 왜곡시키는 방식을 밝혀낼 수도 있다.
전문가들은 향후 10년 이내에 EHT가 유의미한 이미지를 촬영해내리라 기대한다. 혹여 일반 상대성 이론에 기반한 예측과 다른 무엇이 발견된다면 완전히 새로운 물리학 법칙으로 나아가는 길이 열릴 것이다.
가속 팽창 우주와 중력파, 블랙홀에 대한 모든 이론들이 자리 잡는데는 엄청나게 오랜 시간이 걸렸다. 일반 상대성 이론이라는 풍경 깊숙이 숨어 있었기 때문이다.
아인슈타인조차 가속 팽창 우주와 중력파의 개념을 받아들이는데 오랜 시간이 걸렸다. 블랙홀은 끝내 수 용하지 못하고 생을 마감했다. 블랙홀의 존재에 대한 논의들을 ‘확신할 수 없다’고 일축하면서 자연이 블랙홀의 생성을 막을 것이라고 추정했다.
유명 물리학자인 조지 가모브 박사 를 포함한 많은 저술가 들은 아인슈타인이 이런 개념에 반감을 보인 것이야 말로 그의 최대 오점이라 지적한다. 아인슈타인은 분명 뛰어난 지성을 가졌지만 간혹 실수도 범했음을 부인할 수 없다. 하지만 그가 평생을 바쳐도 모든 곳을 탐험할 수 없는 거대한 풍경을 열어젖혔음을 감안하면 그 실수를 이해할 수 있을 것이다.
현대의 물리학자들은 아인슈타인이 걸었던 길에서 더 멀리 나아가 있다. 이들은 일반 상대성 이론이 결코 최후의 완성된 이론이 아니라고 강조한다. 일례로 중력 또는 블랙홀과 같은 극한 천체에 대한 설명에서 양 자역학과 모순되는 부 분이 있다. 이 같은 경우 둘 중 하나를 선택 적용해야만 한다. 이에 이론 물리학자들은 양자역학을 현실에 대한 더 근본적 설명으로 여긴다.
일반 상대성을 양자 단위의 현상에 의해 만들어진 큰 규모의 현상이라 보는 것이다. 그럼에도 지난 100년의 경험을 감안할 때 일반 상대성 이론의 큰 시각을 절대로 과소평가해선 안 된다. 리 스몰린 박사의 표현대로 일반 상대성 이론은 태생적으로 우주적인 시야를 갖고 있다. 반면 양자역학은 하위체계를 논한다. 주위환경이라는
맥락이 있어야만 타당한 이론이다.
미래의 물리학자 중에는 아인슈타인 이상으로 현실 속 깊숙이 탐험할 사람이 생길 것이다. 그들은 양자역학의 다양한 도구와 기술을 수용할 것이 자명하다. 그러나 이 천재들이 진정한 깨우침을 원한다면 아인슈타인처럼 행동할 것 역시 확실하다. 방정식에서 한발 물러서서 더 큰 풍경을 바라볼 것이라는 얘기다. 그렇게 일반 상대성 이론을 뼈에 새길 것이다.
아이슈타인의 일생과 어록
아인슈타인은 무려 10년의 노력 끝에 일반 상대성 이론을 완성했다. 그리고 남은 평생 동안 그 의미와 영향을 반추했다. 그렇게 일반 상대성 이론은 그를 늘 바쁘게 만들었지만 물리학자로서 다른 아이디어를 고민하고, 성과를 이뤄낼 시간은 있었다.
현재 캘리포니아공대에서 아인슈타인이 남긴 노트와 편지들을 번역, 정리, 디지털화해 무엇이 그의 머릿속을 지배했는지 알려주고자 ‘아인슈타인 글 프로젝트(EPP)’를 진행 중이다. 지금까지 아인슈타인이 46세였던 1925년까지의 기록을 14권의 책으로 발간했다. 이 책을 통해 비판을 두려워않는 위대한 과학자의 내면을 엿볼 수 있다.
1879년 3월 14일 출생
독일 울름.
1880년
뮌헨으로 이주
1895년
학생시적 내내 수학과 물리학에서는 특출했지만 다른 과목의 성적은 그만큼 좋지 못했다. 아인슈타인의 아버지인 헤르만은 한 강사에게 이런 편지를 썼다.
"알버트가 잘 하는 과목과 그렇지 못한 과목을 알아내기 위해 오랜 시간 애를 썼습니다."
1896년
취리히 소재 스위스 국립공대 진학
1902년
취리히 특허청 입사
1905년
아인슈타인에게는 기적의 해였다. 특수 상대성 이론과 광전효과를 포함해 4건의 획기적 논문을 발표했기 때문이다. 특히 광전효과 논문은 1921년 그에게 노벨물리학상을 안겨줬다.
1905년 6월
아인슈타인은 친구에게 자신이 특허청에서 일하면서도 그 같은 학문적 결실을 ㅁㅐㅌ을 수 있었던 비결을 이렇게 설명했다.
"하루라는 시간에는 8시간의 근무시간 외에 8시간의 여유시간이 있고, 일요일도 있음을 잊지 말게."
1906년 4월
자신이 절정기임을 두려워했던 아인슈타인은 지인에게 이런 내용의 편지를 썼다.
"머지않아 젊은이의 혁신적 정신이 없어졌음을 애도하면서 정체와 불모의 시기로 접어들겠지."
1907년 9월
한매체의 편집자가 아인슈타인에게 특수 상대성 이론에 대한 리뷰를 요청했다. 이를 계기로 그는 1905년 발표한 이론이 더 넓은 영역에 적용될 수도 있다는 생각을 한다. 이에 따라 특수 상대성 이론은 '가속'에 대해 다루지 않았지만 일반 상대성 이론에선 모든 곳에 가속을 적용했다.
1908년 1월
일반 상대성 이론으로 고심 중이던 아인슈타인은 과학계의 기대가 너무 높음을 걱정하며 동료 물리학자에게 이런 편지를 보냈다.
“운 좋게 특수 상대성 이론을 생각해내 물리학계에 발표한 탓에 자네와 다른 사람들이 내 과학적 역량을 너무 과대평가하고 있어. 내가 불편할 정도로 말이야.”
1908~1913년
독일과 스위스의 대학 4곳에서 강의했다.
1909년 3월
20세기 최대 이슈인 핵분열 문제를 놓고 고심 중이었던 아인슈타인은 1902년 노벨물리학상을 수상한 헨드릭 로렌츠 박사에게 자신의 식견이 부족하다는 취지의 편지를 보냈다.
"방사능 이론에 관한 짧은 논문을 보내드립니다. 수년여의 고심 끝에 나온 하찮은 결과물입니다. 이 문제에 대한 진정한 이해에는 도달할 수 없을 듯합니다.”
1909년 5월
특허청에서 근무하며 빛이 마치 광자 또는 양자로 이뤄진 것처럼 움직인다는 것을 입증했다. 그러나 빛은 이에 더해 파동성도 지니고 있다. 이 같은 이중성이 양자역학의 기초다. 이에 아인슈타인은 자신의 양자적 시각이 불완전함을 인정했다.
“빛이 상호 독립적인 양자들로 이뤄져 있다는 모든 의견에 동의하지는 않습니다.”
1911년 11월
마리 퀴리 부인에게 팬레터를 보냈다.
“당신의 지성과 추진력, 정직함을 너무나 존경하고 있음을 말씀드리지 않을 수 없습니다.”
1913년
베를린으로 이주.
1915년 11월
질량이 시공간을 왜곡해 가속을 생성한다는 중력의 숨은 메커니즘을 수학적으로 설명한 일반 상대성 이론 발표.
1919년 9월
일식을 관측하던 한 연구팀에 의해 일반 상대성 이론의 예측대로 중력이 빛을 휘게 만든다는 사실이 확인된 뒤 아인슈타인은 모친에게 편지를 썼다.
“오늘 좋은 소식이 있어요. 헨드릭 로렌츠 박사가 전보를 통해 영국 연구팀이 태양에 의한 빛의 굴절을 확인했다고 알려왔어요.”
1920년 3월
아인슈타인은 간헐적으로 일반 상대성 이론을 발전시켜 나갔다.
“저는 상대성 이론의 지속적인 확장을 모색하고 있습니다. 항상 벽에 부딪치고 있지만요.”
1921년 12월
1905년 논문을 발표한 광전효과에 대한 연구로 노벨물리학상 수상. 아인슈타인은 수상 소감에서 광전효과가 아니라 당시 그가 매달리고 있던 상대성 이론에 대해 얘기했다.
1922년
노벨상 수상으로 유명인사가 된 아인슈타인은 친구이자 형법학 교수였던 하인리히 쟁거에게 편지를 보냈다.
“오늘은 칭송받더라도 내일은 멸시받고 호된 비판까지 당하는 것이 대중에게 소유당한 사람들의 숙명이지. 그 이유는 신만이 알거야.”
1928년 12월
아인슈타인은 물리학자 레오 실라르드와 함께 액체금속을 냉매로 쓰는 냉장시스템의 특허를 냈다. 그의 냉장 펌프 설계는 초기 원자로에 쓰였지만 널리 상용화되지는 못했다.
1933년
미국으로 이주해 뉴저지주에 정착
1936년 10월
광량에 따라 조절되는 일명 자동노출 카메라의 특허 공개. 이는 아인슈타인이 평생 획득한 7개국 21건의 특허 중 노벨물리학상의 원천인 광전효과와 기술적 연관성이 있는 유일한 특허다.
1937년
아인슈타인은 자신감 넘치는 과학자였다. 동료 검토 과정이 불필요하다고 판단, 유명 물리학회지 ‘피지컬 리뷰(Physical Review)’가 아닌 작은 학회지에 일반 상대성 이론을 적용한 중력파 관련 논문을 발표했다. 당시 그는 피지컬 리뷰의 편집자에게 이런 서신을 보냈다.
“제게는 이름도 밝히지 않는 당신네 ‘전문가’의 말도 안 되는 코멘트를 들어줄 이유가 없습니다.”
1955년 4월 18일
뉴저지주 프린스턴에서 76세의 일기로 타계
3페이지
아인슈타인이 1915년 11월 25일 학술지 '프로이센 과학 아카데미'에 발표한 일반 상대성 이론 논문의 분량.
EPP - Einstein Papers Project.
LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
EHT - Event Horizon Telescope
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