빅뱅(16) 시간과 공간을 바꾼 아인슈타인

[남태근]

16.  아인슈타인 시간과 공간을 바꾸다

    폭탄 맞은 머리에 헐렁한 바지, 구겨진 가운.
여러 사진중에서 물리학자를 고르라는 설문조사를 하면, 80% 이상의 학생들이 위에서 나열한 이미지를 가진 사진을 선택한다고 한다.
바로 아인슈타인 사진이다.
최고의 물리학자 100인의 사진에는 위 이미지와 비슷한 사진은 3~4%에 불과하고, 대부분은 평범한 모습의 사진이라 한다.
아인슈타인이 학생들의 물리학자에 대한 아이콘이 된것이다.

아인슈타인의 연구업적은 많지만, 그 중 백미는 1905년에 발표한 특수상대성이론과 1915년에 발표한 일반상대성이론이다.
뉴턴에 의해 모두에게 동일한 시간과 영원히 변하지 않는 공간이 사라지고, 이 모든 것은 상대적으로 변할 수 있는 것이 되었다.

아인슈타인은 1921년에 노벨상을 받았다.
그러나 업적의 최고봉인 상대성이론으로 받은 것이 아니라, 1905년에 발표한 광전효과에 대한 연구로 받았다. 오늘날 태양광전지의 기본원리인 물체에 빛을 비추면 전자가 방출된다는 이론이다.

아인슈타인은 1905년 한해에 총5편의 논문을 발표했다.
노벨상을 받은 “광양자 가설”과
고인물 위에서 꽃가루 이리저리 움직이는 현상을 설명한 물분자의 운동인 “브라운 운동”,
“고체를 이루는 분자의 운동과 에너지”,
미 대학생의 여름 티셔츠에 가장 많이 적힌 "E=mc²" 질량-에너지 등가원리 등이다.

당시 노벨위원회에서는 고민이 많았다 한다. 아인슈타인은 이미 물리학계에서는 거장으로 성장해 있었으나, 상대성이론으로 노벨상을 수여하기에는 이 이론을 이해하기도 어려웠고, 명쾌한 입증도 검정도 마땅하지 않아, 발표한지 10여년이 훌쩍 지난 광전효과로 상을 수여하기로 하였다고 전해진다..

아인슈타인은 이 상금을 이미 이혼한 첫 번째 부인인 밀레바 마리치에게 미리 약속한대로 위자료로 전액 지급하였다. 말로만 한 약속도 꼭 지키는 독일인다운 행동이다. 우리나라 정치인이라면 그런 기억이 없다고 딱 잡아 떼고, 법정에서 성실히 답하겠다고 했을 것이다.

아인슈타인의 상대성 이론을 입증할 가장 확실하고 쉬운 방법은 태양 뒤편의 별빛을 이용하는 것이다. 별이 실제로 존재하는 위치와 별빛이 태양근처를 통과할 때, 중력에 의해 휘어진 공간을 지나면서 별빛이 휘어져, 우리 눈에 별의 위치가 변해 보이는 각을 측정하는 것이었다.

평소에는 태양광이 워낙 밝아 주변의 별빛은 관측 할 수 없다.
해결책은 태양이 달에 의해 완전히 가려지는 개기일식을 이용하는 것이었다.

처음으로 찾아온 1915년 개기일식 관측은 제1차 대전으로 인해 무산되었다.
그러나 오히려 다행인 점은 그때 제대로 관측하였다면, 오차가 크게 날 수 있었다,

아인슈타인의 계산에 상당한 착오가 있었기 때문이다.(오차의 자세한 수치는 자료를 찾아서 보정하겠다.)
상대성이론이 오랫동안 침묵을 강요당할 수도 있는 상황이었다.

그로부터 4년 후, 1919년 일식은 영국의 에딩턴이 강력히 주장하여 브라질과 아프리카에서 각각 관측을 추진하였다. 날씨가 나쁠 경우를 대비 한 것이다. 운명의 날에 두 지역 모두 날씨는 엉망이었다. 태양조차 보이지 않았다. 일식이 진행될 때 잠시나마 어슴프레 보이는 태양과 예상되는 지점을 향해 카메라 셔터를 연신 여닫았다.
많은 사진 중 겨우 몇 장에서 아인슈타인이 주장한 것과 비슷한 각도로 별빛이 휘어져 있었다.

다음날 신문에 대서특필로 이 내용이 보도되었다.

⟪중력렌즈 효과⟫

태양의 중력에 의해 굽은 공간을 지나온 별빛이 구부러져 실제위치와 다른 장소에 위치한 듯한 현상으로 당시 상대성 이론을 검정할 수 있는 방법이었다.

⟪아인슈타인 크로스⟫
 중력렌즈 효과로 한 개의 별이 4개 이상으로 보이는 현상으로 십자가 모양으로 보인다 하여 아인슈타인 크로스라 이름지었다.  

                                               (사진 출처:NASA)

⟪아인슈타인 링⟫

고리 모양으로 보이는 현상
우리가 바라보고 있는 은하(중심부 노란색)에 의해서 그 뒤쪽에 놓인 은하가 중력렌즈효과에 의해서 고리 모양으로 관측되는 경우다.  

                                                          (사진 출처:NASA)

2차대전이 한창일때 독일의 원자탄 개발 징후가 여러 차례 포착되었다.
아인슈타인은 루즈벨트 대통령에게 “원자탄 제조는 경계하여야 하며, 만약 필요하다면 빠른 조치를 취해야 한다” 고 편지를 보냈다. 이 권고는 미국의 원자탄개발계획인 맨해튼계획의 시작을 가져왔다.

1952년 이스라엘 초대 대통령인 와즈만이 물러난 후, 이스라엘 정부로부터 대통령직을 맡아 달라는 제의가 있었지만, 그는 이를 거절하고 과학자의 길을 택했다. 

아인슈타인은 우주의 4가지 힘중 강한핵력과 약한핵력을 제외한, 전자기장과 중력장을 하나의 법칙으로 설명할 수 있다고 생각하여, 이를 완성하기 위해 평생을 투자했으나 끝내 밝혀내지 못하였다. 그는 이 이론을 통일장이론(unified theory of field) 이라고 불렀다.
현대 물리학에서는 강한핵력과 약한핵력의 통합인 대통일 이론도 등장하였고, 또 이를 넘어 만물이론(Thery of everything)까지 나왔으나, 아직은 걸음마 단계이고.  일부 학자는 만물이론은 장체계가 아닌 전혀 다른 체계가 필요할 수도 있다고 말하고 있다.  
뉴턴과 아인슈타인의 계보를 이어, 우주의 비밀을 밝혀낼 차기 주자를 기다려보자.