스크랩 우리가 몰랐던 아인슈타인

[최선희]

예술과 철학을 뒤흔든 상대성 이론

문학과 종교에도 영향 끼쳐

2007년 03월 13일

| 글 | 편집부ㆍ |

아인슈타인은 유명한 물리학자이기도 하지만 시사주간지 ‘타임’이 선정한 20세기의 가장 영향력 있는 인물이기도 하다. 처칠, 드골, 루스벨트 같이 영향력 있는 정치인, 시인 타골, 철학자 러셀, 사르트르, 화가 피카소, 조각가 헨리 무어 그리고 지휘자 번스타인 등을 제치고 20세기의 인물로 선정된 것은 그의 영향력을 우리사회 구석구석에서 찾아 볼 수 있기 때문일 것이다.

입체파 미술에 기여

마그리트의 ‘거울을 보는 남자’. 앞이 비쳐야 할 거울에 뒷모습이 비친다. 마그리트는 얼굴의 앞뒤가 뒤섞인 그림을 많이 그렸는데 이는 상대성이론에서 빛의 속도로 달리면 길이가 사라져 앞과 뒤가 합쳐지는 현상과 비슷하다.

화가 살바도르 달리의 그림 ‘기억의 지속’을 보면 죽은 시계가 해변에 널려 있는 것을 볼 수 있다. 시간이 정지한 것이다. 이 때문에 그림 제목처럼 기억이 각인돼 변하지 않는다. 어떻게 시간이 정지할 수 있을까.

달리가 살았던 시대는 아인슈타인의 상대성이론이 과학계에 혁명을 일으키던 때였다. 아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면 빛의 속도로 달리면 시간이 멈추고 길이가 없어진다. 이런 물리학 개념은 달리와 같은 미술가들에게도 사고의 전환을 일으켰다.

상대성이론의 영향은 파블로 피카소 등 입체파 화가들에게 가장 많이 나타난다. ‘아비뇽의 여인들’을 보면 피카소는 사각의 큐빅 모양으로 입체감을 표시하고 여러 방향에서 본 모습을 하나의 평면에 합쳤다. 아인슈타인이 3차원 공간에 시간이라는 새로운 차원을 더해 4차원 시공간 개념을 만들었듯 피카소는 새로운 차원을 첨가해 그림을 그린 것이다. 런던칼리지대 과학철학과 아서 밀러 교수에 따르면 ‘눈에 보이는 것은 거짓’이라는 사실을 아인슈타인은 물리학에서 깨달았고 피카소는 화폭 위에서 깨달았다.

뒤바뀐 물질과 시공간의 철학

피카소의 ‘우는 여인’. 아인슈타인이 물리학에서 새로운 차원을 발견했다면 피카소가 속한 입체파 화가들은 화폭에서 새로운 차원을 발견했다.

상대성이론은 문학에도 영향을 미쳤다. 19세기에는 지은이가 객관적인 실재를 그릴 수 있다는 믿음이 있었다. 그러나 아인슈타인의 상대성이론 등의 영향으로 객관적인 진리에 대해 회의가 일어났다. 시공간이 관찰자에 의해 달라지듯 대상은 보는 자의 주관에 따라 달라진다는 것이다. 이 때문에 문학에서는 저자의 서술 대신 인물의 서술인 독백 형식이 강해진 소설이 나온다. 이를 ‘의식의 흐름’기법이라고 하는데 ‘율리시즈’를 쓴 소설가 제임스 조이스가 대표적이다.

철학계에서 시간과 공간은 고대 이래로 일반적으로 인간이 경험하기 이전의 것, 물질보다 더 근원적인 것으로 해석됐다. 뉴턴은 이런 영향을 받아 시간과 공간이 물질보다 앞서 존재하고 신의 직관에 속하는 것으로 보았다. 독일 철학자 칸트도 시간을 인간의 경험을 규정하는 절대적 관념으로 보았다. 모두 절대시간과 절대공간의 개념으로 받아들인 것이다.

그러나 상대성이론이 나오면서 시공간은 관측자에 따라 변할 수 있고 물질에 의해 영향을 받는 것으로 바뀌었다. 이런 사상은 독일의 카시러 등 신칸트학파에 속한 일부 철학자들에게 큰 영향을 줬다.

아인슈타인의 학문에 대한 태도는 또 다른 대철학자 칼 포퍼에게도 큰 영향을 줬다. 아인슈타인은 일반상대성이론을 발표하며 이론을 증명할 수 있는 실험 3개를 제시했다. 만일 실험이 잘못되면 자신의 이론은 틀렸다는 것이다. 젊은 포퍼는 이 사건에 감동을 받았다. 그는 이처럼 ‘반증가능성’을 갖고 있는 이론만이 과학적인 이론이라는 주장을 폈다. 이 주장은 ‘반증주의’라는 새로운 과학철학이 됐다.

특수상대성이론에 영향을 받은 스페인 철학자 호세 오르테가는 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표한 1916년 ‘관점주의’ 철학을 새로 발표했다. 그는 관점의 수만큼 현실이 존재한다고 주장했다. 관점주의는 다원주의와 민주주의에 직·간접적인 영향을 줬다.

상대적 시간으로 본 기독교

보수적인 성경학자들은 세상이 약 5000년 전에 창조됐다고 한다. 그렇다면 공룡은 그때 어디에 있었는가. 공룡 화석이 나오는 지층은 적어도 수천만년이 넘는데 모순이 아닐까.

‘신의 과학’(Science of God)이라는 책은 상대성이론을 이용해 이런 모순을 피해가는 길을 열어주고 있다. 일반상대론에 의하면 중력이 강한 곳을 보면 시간이 늦게 흐른다. 예를 들어 블랙홀에 빨려 들어가는 사람을 지구에서 관측하면 무한히 천천히 빨려 들어간다. 그러나 빨려 들어가는 당사자의 시간으로는 몇 초밖에 되지 않는다.

현대 우주론에 의하면 우주는 탄생 당시 많은 에너지가 뭉쳐 있었고 밀도 역시 상상을 초월한다. 그런 상태에서는 중력이 강하고 지금 우리의 입장에서 볼 때 우리의 1억년이 그 상황의 1초일 수도 있다. 즉 중력이 강했던 창세기의 하루는 지금의 시간으로 볼 때 100억년 일수도 있다는 말이 된다.

이렇게 해석하면 우리가 일상생활에서 말하는 120억년이 신의 잣대로 이야기할 때는 5000년일 수 있다. 동양에서 신선나라의 하루가 하계의 3000년이 된다는 말과 일맥상통하는 것이다. 불교에서도 여러 불교적인 개념을 상대성이론에 맞춰 설명하는 시도가 있다. 이렇듯 상대성이론은 종교와 과학의 화합에도 영향을 미치고 있다.

<김제완의 ‘예술과 철학을 뒤흔든 상대성 이론’ 기사 발췌 및 편집>

음주측정기는 아인슈타인의 작품?

생활 속에서 만나는 아인슈타인

2007년 03월 13일

| 글 | 편집부ㆍ |

GPS에 이용된 상대성이론

차량항법장치는 위성위치확인시스템(GPS)을 이용한 것이다. 이 시스템에 이용되는 GPS 인공위성에 아인슈타인의 상대성이론이 이용된다. GPS 정보는 지구 주위를 돌고 있는 24개의 GPS위성이 알려준다. 위성 안에는 가장 정확하다는 원자시계가 있는데 위치를 정확히 알기 위해서는 이 시계가 지구 위에 있는 시계와 정확히 같이 움직여야 한다. 그러나 위성이 너무 빨리 움직이기 때문에 상대성 이론의 영향을 받는다는 것이 문제다.

위성은 시속 1만4000km의 속도로 지구 주위를 돈다. 상대성이론에 따르면 빠르게 이동하는 물체 안에서는 시간이 느려진다. 일상생활에서는 이런 현상이 나타나는 경우가 거의 없지만 위성은 다르다. 미국 워싱턴대 클리포드 윌 교수에 따르면 위성에서는 하루에 7밀리초(1ms=1000분의 1초)씩 시간이 느려진다.

더 큰 문제는 중력이다. 위성은 지표면에서 2만km 높이에 있기 때문에 중력이 표면의 1/4에 불과하다. 중력이 약한 곳에서는 시간이 빨리 가므로 - 실제로는 외부 관찰자가 볼 때 시간이 빨리 가는 것처럼 보인다 - 이번에는 위성 시계가 지표면보다 더 빨리 가서 하루에 45ms나 더 빨라진다. 2가지 효과를 모두 고려하면 위성에 있는 원자시계는 지표면보다 38ms나 빨리 가게 된다.

따라서 GPS 위성은 매일매일 이 정도의 오차를 보정해야 지구 위에 있는 시계와 똑같은 시간을 가질 수 있다. 일상생활과는 상관없을 듯한 상대성이론이 사실은 매우 가까이 있는 셈이다.

광전 효과 이용한 디지털 카메라

아인슈타인은 빛을 받은 금속판이 전하를 튕겨내는 ‘광전효과’를 발견해 노벨물리학상을 받았다. 이 원리는 디지털 카메라에 이용된다.

아인슈타인은 1905년 ‘광전 효과’를 발견해 1921년 노벨물리학상을 받았다. 디지털 카메라는 이 광전 효과를 토대로 만들어진 것이다.

광전 효과는 빛 알갱이 즉 광자가 금속판을 때리면 전자가 튕겨 나가는 현상이다. 디지털 카메라 안에는 전하결합소자(CCD)라는 부품이 들어 있다. 이 부품은 렌즈를 통과한 빛을 전기 신호로 바꾸는 일종의 광(光)센서다. CCD는 네모난 판처럼 되어 있고, 그 위에 수많은 광센서가 화소 수만큼 붙어 있다. 400만 화소라면 400만 개의 광센서가 CCD에 붙어 있다.

각각의 광센서 앞에는 컬러 필터가 붙어 있다. 빛의 삼원색인 빨강, 녹색, 파랑 필터다. 빨강 필터는 빨간 색 빛만 통과시키고, 이 빛이 광센서에 전달된다. 이때 광센서가 빛 알갱이를 전자로, 즉 전기 신호로 바꾼다. CCD에서는 광센서가 보낸 모든 전기 신호를 모아 사진 파일을 만든다.

음주측정기에도 광전 효과가 숨어 있다. 음주측정기에는 알코올과 만나면 푸른 가스가 되는 특별한 가스가 들어있다. 푸른 가스는 빛을 비출 때 더 높은 에너지의 전자를 내보낸다. 이 신호를 감지해 운전자가 술을 마셨는지 아닌지를 판가름하는 것이다. 만일 연말연시에 음주운전 단속에 걸렸다면 한번쯤 아인슈타인이 원망스러울지 모른다.

아인슈타인은 레이저의 아버지

홀로그래피 영상을 이용한 연극 장면. 홀로그래피는 아인슈타인이 제시한 레이저 원리를 이용해 개발됐다.

CD에 담긴 음악을 재생해주는 레이저가 아인슈타인의 작품이다. 레이저는 할인점에서 바코드를 읽을 때뿐만 아니라 DVD플레이어 등 정보를 저장하고 읽어 들이는 곳에서 널리 쓰인다. 광통신과 홀로그래피도 레이저를 이용한다.

아인슈타인은 일반상대성이론을 발표한 이듬해인 1917년 ‘방사(Radiation)의 양자역학 이론에 대하여’라는 논문을 발표했다. 광자가 높은 에너지의 원자를 자극하면 원자는 똑같은 광자를 하나 더 내놓아 광자는 결국 2배로 늘어난다는 이론으로, 이 이론은 1924년 실험으로 증명됐다. 이런 식으로 빛을 엄청나게 강하게 만들 수 있는 것이 레이저의 원리다.

1971년 노벨물리학상은 레이저를 이용한 홀로그래피의 발명에 돌아간다. 홀로그래피도 아인슈타인의 업적에 기대고 있는 것이다. 홀로그래피는 입체영상이라 위조하기가 매우 어렵기 때문에 신용카드에 쓰인다. 비자카드는 새 그림, 마스터스카드는 세계지도 그림이 홀로그래피로 새겨져 있다.

E=mc2을 이용한 원자력발전

한국에서 쓰이는 전기의 약 40%는 원자력발전소에서 나온다. 원자력발전은 아인슈타인이 만든 공식 바로 ‘E=mc2’을 이용한 것이다. 이 공식에 따르면 핵분열을 해서 물질이 분해되면 질량이 줄어들고 줄어든 질량이 엄청난 양의 에너지가 된다.

아인슈타인은 세계2차대전 도중 미국 루즈벨트 대통령에게 편지를 썼다. 그는 핵분열을 이용해 원자폭탄을 만들 수 있으며 독일보다 미국이 먼저 원자폭탄을 만들어야 한다고 주장했다. 결국 전쟁은 미국이 원자폭탄을 일본에 떨어뜨리면서 끝났다. 광복절이 8월 15일로 정해진 것도 아인슈타인의 영향이랄까.

인류의 궁극적인 에너지인 핵융합 에너지도 아인슈타인의 공식을 이용한 것이다. 핵융합 발전은 수소 원자 4개를 융합해 헬륨 원자 1개를 만들면서 사라진 질량으로 어마어마한 에너지를 얻는 것이다. 수소폭탄이 바로 핵융합을 이용한 핵폭탄이다.

핵융합 발전은 원자력발전과 달리 해로운 방사능이 만들어지지 않고 연료도 무한하지만 1억℃의 높은 온도가 필요해 아직 상용화하지 못하고 있다. 태양이 바로 자연에 존재하는 핵융합 발전소다. 만일 핵융합 발전이 성공하면 아인슈타인의 영향력은 인류가 문명을 마치는 그날까지 계속될 것이다.

<김상연의 ‘디지털 카메라에 숨어 있는 아인슈타인’ 기사 발췌 및 편집>

바이올린과 숨겨진 딸, 그리고 유머

천재 과학자의 복잡한 사생활

2007년 03월 13일

| 글 | 편집부ㆍ |

바퀴가 안 달렸잖아?

올름 대성당의 스테인드글라스 위에는 아인슈타인 얼굴(왼쪽 아래)이 숨어있다.

1879년 3월 14일, 독일의 작은 도시 울름에서 알버트 아인슈타인은 첫 울음을 터트렸다. 갓 태어난 그는 커다란 덩치와 일그러진 머리통으로 외할머니를 놀라게 했다고 한다. 시간이 지나면서 일그러진 머리는 정상이 됐지만 각진 뒤통수는 그 후에도 변치 않았다.

세 돌이 안 된 아인슈타인은 여동생 마야가 태어나자 “바퀴가 안 달렸잖아?”라는 깜찍한 말을 했다고 전해진다. 심통이 난 얼굴로 이런 말을 했다는데, 그는 동생이 생긴다는 걸 장난감이 생기는 일쯤으로 여긴 것 같다.

바이올린은 아인슈타인에게 빼놓을 수 없는 물건이다. 그의 어머니는 어린 그에게 바이올린을 사주고 음악선생을 붙여주었다. 하지만 아인슈타인은 하기 싫다고 화를 내며 의자를 집어던졌다고 한다. 여선생은 놀라서 도망갔고 새로운 선생이 와서 그를 가르쳤다. 그는 수년간 억지로 바이올린을 배웠다.

이런 역경을 거친 후 뜻밖에도 아인슈타인은 음악중독자가 됐고 파이프 담배처럼 바이올린을 항상 끼고 살았다. 바이올린을 연주하다가 느닷없이 “그래, 바로 이거야”라며 문제를 푼 적도 있다고 한다. 그가 훌륭한 바이올린 연주자였는지는 논란거리였지만, 후에 인도주의적 사업을 돕기 위해 미국 뉴욕의 카네기홀에서 콘서트를 갖기까지 했다.

세 여자와 숨겨진 딸

1896년 스위스 아라우 칸톤 고등학교 시절의 아인슈타인. 앞줄 맨 왼쪽에 앉아 있는 학생이 아인슈타인이다.

아인슈타인은 1889년에는 고등학교에 해당하는 루이트폴트 김나지움에 입학했다. 그런데 학교의 분위기는 군대처럼 무거웠다. 그가 3학년이 됐을 때 아버지는 새로운 사업을 찾아 이탈리아 밀라노로 가족을 데리고 갔고 홀로 남은 아인슈타인은 학교생활에 적응하지 못해 학교를 중퇴하고 말았다.

가족 곁으로 온 아인슈타인은 시험에만 합격하면 입학할 수 있는 스위스 취리히 공대에 도전했다. 대학 입시에서 수학과 물리학은 높은 점수를 받았지만 나머지는 엉망이었다. 다행히 물리 부분을 채점했던 하인리히 베버 교수 덕분에 아인슈타인은 어떤 고등학교에서든지 졸업장을 받아오면 이듬해 입학을 시켜주겠다는 약속을 받을 수 있었다.

아인슈타인은 취리히에서 40km 떨어진 아라우에 있는 고등학교를 선택하고 그곳 교사인 요스트 빈텔러의 집에 하숙하게 됐다. 그는 자유스런 학교 분위기를 좋아했고 하숙집에서 첫사랑 마리를 만났다. 봄방학 때 가족 곁으로 온 아인슈타인은 마리와 사랑의 편지를 주고받았다.

하지만 이들의 사랑은 오래 가지 못했다. 아인슈타인이 고등학교를 졸업하고 취리히 공대에 입학해 세르비아 여학생 밀레바 마리치를 만났기 때문이다. 대학 졸업 무렵에 아인슈타인과 밀레바는 결혼하기로 했다. 하지만 어머니는 밀레바가 나이가 너무 많고 (그녀는 아인슈타인보다 4살 위였다) 여성적이지 못하며 건강하지도 않아 며느릿감으로 완전히 실격이라고 생각해 둘의 결혼을 반대했다.

둘은 1903년 부모의 반대에도 불구하고 결혼해 한스와 에두아르트 두 아들을 두었다(1986년 공개된 두 사람 사이의 편지들을 통해 밝혀진 바에 따르면 결혼 전 둘 사이에는 리제를이라는 딸이 이미 있었고 이 딸은 두살 때 병으로 죽었다). 하지만 결혼 생활은 순탄치 못했다. 둘째 아들 에두아르트는 정신분열증에 걸려 있었고 밀레바와 시어머니의 갈등도 전혀 나아지지 않았다.

시간이 갈수록 아인슈타인과 밀레바는 사이가 멀어졌고 아인슈타인이 일약 세계적 스타가 되던 해인 1919년에 이혼했다. 두 아들은 밀레바가 키우게 됐고, 아인슈타인은 딸 둘을 둔 육촌 누이 엘자와 곧바로 결혼했다. 1922년 아인슈타인은 노벨상을 타자 상금 일부를 밀레바에게 이혼 위자료로 줬다.

발길질할 장소 발견 24달러 75센트

근엄한 과학자에게 유머가 어울리지 않을 것 같지만 아인슈타인은 연구를 하다가 짬이 나면 유머를 얘기하기 좋아했다. 아인슈타인의 연구 조수 중에는 1948~ 1949년에 일했던 헝가리 출신 존 케메니가 있었다. 아인슈타인은 자기가 즐기는 유머를 되풀이해 얘기했기 때문에 케메니는 아인슈타인이 가장 좋아하는 유머를 들을 수 있었다고 한다. 그건 바로 수리공에 관한 유머였다.

한 남자가 자기 차를 수리하러 갔다. 수리공은 찬찬히 살펴보더니 차를 한번 세게 걷어찼다. 그러자 차가 멀쩡하게 굴러갔다. 차 주인은 흐뭇해했고 수리공은 25달러(1940년대 후반엔 상당한 거금)를 달라고 했다. 어이가 없어서 항목별 청구서를 요구하자 수리공은 ‘발길질 25센트, 발길질할 장소 발견 24달러 75센트’라는 청구서를 써주었다.

아인슈타인이 이런 유머를 좋아한 이유는 짐작할 수 있다. 중요한 것은 발길질이 아니라 어디에 발길질해야 할지 알아내는 것이다.

그의 이름을 꺼내지 마라

러시아 스파이 마구에리타 코넨코바와 아인슈타인. 그는 코넨코바가 러시아로 돌아가기 전에 시계를 선물하기도 했다. 아인슈타인의 시계는 1998년 뉴욕 소더비 경매에 나왔다.

아인슈타인은 전쟁이 한창이던 1914년 자신의 평화주의적 신념을 선포했다. 당시 베를린의 모든 지식인은 독일 군대와 그 지휘자를 지지하고 독일 문화를 지켜야 한다는 탄원서를 내고 있었다. 이 와중에 그는 ‘유럽인에게 보내는 호소’를 작성해 지식인들이 모두 나서서 고삐 풀린 민족주의자들의 광분을 끝내자고 촉구했다.

1933년 히틀러가 권력을 장악한 후 유대인 학자들은 급속히 대학에서 쫓겨났고, 아인슈타인의 이름을 언급하는 일조차 금기시됐다. 이런 분위기에서 아인슈타인은 프러시아 과학아카데미에 사직서를 보내며 독일을 떠나 미국으로 이주했다.

아인슈타인은 미국으로 이주한 이후에도 정치적 목소리를 내는데 주저하지 않았다. 1939년 8월 2일 루스벨트 대통령에게 보낸 서한은 특히 유명하다. 미국이 독일보다 먼저 핵폭탄 제조 계획에 착수해야 한다는 걸 역설하는 내용이었다. 미국은 핵폭탄을 개발해 히로시마와 나가사키에 투하하며 태평양 전쟁을 끝냈다. 하지만 수십만의 희생자가 따랐다. 그래서인지 아인슈타인은 1945년부터 임종할 때까지 ‘핵 관련 지식인 비상대책회의’의 버팀목 역할을 했다.

한 사람이 말년에 아인슈타인에게 죽음에 대해 어떻게 생각하느냐고 물었다고 한다. 아인슈타인의 대답은 다음과 같았다. “그건 모차르트 음악을 더 이상 들을 수 없다는 걸 의미하죠.”

<이충환의 ‘아인슈타인이 가장 좋아하는 유머는?’기사 발췌 및 편집>