인문교양

■ 책 소개

밤 새워 읽게 만드는 상대성 이론 서적!!

숫자와 공식을 전혀 몰라도 재미있게 볼 수 있는 본격 상대성이론 이야기!

사람들은 흔히 태양이 갑자기 블랙홀이 된다면, 지구와 다른 행성들을 빨아들여 없애버릴 것이라고 생각할 것이다. 하지만, 저명한 작가이자 천체물리학자 제프리 베네트는 블랙홀은 빨아들이지 않는다고 지적한다. 이 간단한 아이디어를 염두에 둔 채, 베네트는 독자들이 블랙홀로 여행할 때 겪게 될 놀라운 현상들을 묘사하면서 아인슈타인의 상대성 이론들을 재미있게 소개한다.

상대성 이론은 또 빛의 속도가 우주에서 가장 빠른 속도라는 사실, 즉 속도의 한계라는 사실과 우리가 일상에서 생각지도 못하는 시간 지연과 시공간의 휘어짐, 그리고 아마 역사상 가장 유명한 등식인 E=mc2을 제시한다. 실제로, 상대성 이론은 현대의 우주에 대한 이해의 많은 부분을 형성하게 했다.

상대성 이론은 "그저 이론만"이 아니다. 상대성 이론의 모든 주요 예측은 놀라운 정확성으로 시험에 통과했고, 그 실제 응용으로는 위성항법장치(GPS) 등이 있다. 풍부한 그림과 명확하고 쉬운 글로 쓴 베네트의 책은 누구나 아인슈타인의 아이디어들의 기본을 이해할 수 있음을 증명한다.

■ 저자 제프리 베네트

제프리 베네트는 2013년 미국물리학회가 수여하는 과학커뮤니케이션상 수상자로, 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스에서 생물물리학 학사학위를 받고, 볼더 소재 콜로라도 대학에서 천체물리학 석사 및 박사 학위를 받았다. 그는 천문학, 천체생물학, 수학, 통계학의 베스트셀러 교재들을 쓰는 주요 저자이며, 일반 대중과 어린이들을 위해 많은 책을 쓰고 상을 받았다.

■ 역자 이유경
부산대학교 영어영문학과를 졸업하고 시사영어사 학습자료부와 번역회사에서 근무했다. 옮긴 책으로는 『여자 경제독립 백서』 『브로커, 업자, 변호사 그리고 스파이』 『내 몸이 새로 태어나는 시간 휴식』 『황금법칙』 『아프지 않은 마음이 어디 있으랴』 『돈의 대폭락』 『감정의 자유』 『울트라라이트 스타트업』 등이 있다.

■ 차례
ⅰ. 서문

1부: 시작
1. 블랙홀 여행

2부: 아인슈타인의 특수 상대성 이론
2. 달리는 빛
3. 공간과 시간을 다시 정의하다
4. 새로운 상식

3부: 아인슈타인의 일반 상대성 이론
5. 뉴턴의 불합리성
6. 중력을 다시 정의하다

4부: 상대성이 지니는 의미

7. 블랙홀

8. 팽창하는 우주 

#에필로그: 우주에 남긴 발자국
ⅱ. 감사의 말  

우리는 보통 상대성 이론이라고 말하지만, 아인슈타인은 사실 상대성 이론을 두 부분으로 나누어 발표했다. 첫 번째는 특수 상대성 이론으로, 1905년에 발표했다. 이 이론은 당신이 블랙홀로 여행하는 동안 지구에 있는 사람들보다 시간이 천천히 흘러서 나이가 적게 드는 현상을 설명한다. 또, 빛보다 더 빨리 이동하는 것은 없다고 말하는 이론으로, 여기서 아인슈타인은 자신의 유명한 공식인 E=me²을 발견해냈다.

특수 상대성 이론은 그 이름이 암시하듯이 본질적으로 일반 상대성 이론의 일부다. 특히, 특수 상대성 이론은 중력의 영향을 무시한 특수한 경우에 적용되고, 일반 상대성 이론은 중력을 포함한다. 그래서 블랙홀에서 관찰한 강한 중력을 설명해주는 것은 일반 상대성 이론이다. 아인슈타인이 일반 상대성 이론보다 특수 상대성 이론을 먼저 발표한 것과 똑같은 이유로, 특수 상대성 이론부터 배우는 것이 더 쉽다. 

사람들이 흔히 생각하는 것과는 대조적으로, 아인슈타인의 상대성 이론은 모든 것은 상대적이다라고 말하지 않는다. 특히 상대성 이론은 운동은 언제나 상대적이라는 아이디어에서 그 이름을 따왔다. 운동이 상대적이라는 아이디어는 처음에는 언뜻 이해가 가지 않을지 모른다. 초음속 비행기가 케냐의 나이로비에서 출발해 시속 1,670킬로미터의 속도로 에콰도르의 키토까지 날아간다고 치자. 이제 다음 질문에 대답해보라. 비행기는 얼마나 빨리 가고 있는가?

처음 보기에는 이 질문은 시시해 보인다. 이미 비행기가 시속 1,670킬로미터로 간다고 이야기했기 때문이다. 그렇다면 비행기는 정말 어떻게 하고 있는가? 시속 1,670킬로미터로 날고 있는가, 아니면 가만히 있는데(속도 0) 그 밑의 지구가 움직이는가? 상대성 이론에 따르면 이 질문에 절대적인 답은 없다. 운동은 오직 어떤 기준에서 상대적으로만 묘사할 수 있다.

다른 항성에서 태양계를 보고 있는 관찰자라면, 비행기는 시속 10만 킬로미터 이상으로 움직이고 있을 것이다. 지구가 태양 주위를 공전하는 속도이기 때문이다. 다른 은하계에 사는 관찰자라면, 비행기는 우리 은하가 움직이는 속도인 시속 약 80만 킬로미터로 움직이고 있을 것이다. 상대성 이론에서 비행기의 운동은 관찰자의 기준틀(frame of reference, reference frame)에 따라 다르게 묘사된다.

당신은 지금껏 만들어진 그 어느 로켓보다 훨씬 더 빠른 로켓을 만들어 시험 비행에 나선다. 곧, 당신은 아무도 가능하리라 생각하지 못한 속도로 가고 있다. 당신은 궁금해 할지도 모른다. 언제 빛의 속도에 다다를까? 여기서 기억해야 할 핵심은 모든 운동은 상대적이라는 점이다.

먼저 당신의 관점에서부터 시작해보자. 당신이 로켓의 헤드라이트를 켠다고 상상하자. 모든 사람이 측정하는 빛의 속도는 언제나 같기 때문에 당신은 헤드라이트 빛이 빛의 완전한 정상 속도, 즉 초속 30만 킬로미터로 나아가고 있음을 볼 것이다. 다시 말해, 당신은 헤드라이트 빛을 따라잡지 못할 것이다.

이제 다른 사람들이 당신에 대해 뭐라고 할지를 살펴보자. 모든 사람이 당신의 헤드라이트 불빛이 빛의 속도로 가고 있고, 이 빛이 당신보다 앞서고 있다고 동의한다면, 모두는 당신이 빛의 속도보다 더 느리게 가고 있다는 필연적인 결론에 이르러야만 한다. 빛보다 더 빨리 갈 수는 없다. 무엇을 어떻게 하든 빛을 따라잡을 방법이 없기 때문이다.

멀리 떨어진 한 물체가 빛보다 빠른 속도로 당신으로부터 멀어지고 있다면 이 물체의 빛은 당신에게 닿지 못하고, 당신의 빛은 이 물체에 닿지 못한다. 그러므로 당신이 빛을 추월하는지를 측정할 방법이 없다. 다시 말하지만, 상대성 이론은 아무것도 빛보다 빨리 이동할 수는 없다가 아니라 아무것도 빛보다 느린 속도에서 출발해 빛을 추월하지는 못한다고 말하고 있다.

상대성 이론을 이해하는 데에서 진정한 문제는 우리의 느린 속도로 돌아가는 상식이 빠른 속도에도 적용되어야 한다고 믿는 경향이다. 제한적인 상황에서 배운 어떤 것을 더 넓은 상황에 적용하기 위해 수정해야 하지 않을까? 위와 아래의 의미를 예로 들어보자. 어릴 적에 위와 아래의 상식적 의미를 배웠다. 즉, 위는 머리 위이고 아래는 발을 향하는 방향이며, 물체들은 아래로 떨어지는 경향이 있다는 것이다.

하지만 어느 날, 지구가 둥글다는 사실을 배웠고, 지구본을 봤다. 잘 기억할지 못할지 모르지만, 이것은 아마도 당신에게 작은 지적 위기를 초래했을 것이다. 지구본에서 북반구가 위쪽에 있다면, 상식적으로 볼 때 분명 호주 사람들은 지구에서 떨어져야만 하기 때문이다. 하지만 호주 사람들이 떨어지지 않는다는 사실을 알고 있었으므로 당신은 위아래에 대한 상식이 옳지 않다는 사실을 받아들여야만 했다.

상대성 이론을 이해할 때도 이와 같은 종류의 상식 수정이 필요하다. 느린 속도로 움직이는 일상의 시간과 공간에 대한 상식은 오직 제한적으로만 괜찮다. 그것은 약간의 정신적 노력이 필요하겠지만, 그렇게 어려운 일은 아니다. 새로운 상식은 옛 상식 위에 건설될 것이고, 일상생활에서 흔히 경험하는 모든 것과도 계속 완벽하게 일관성을 유지할 것이기 때문이다.

새로운 위아래 개념을 배웠을 때에도 약간의 시간이 걸렸듯이 상대성 이론을 받아들이는 데도 약간의 익숙해짐이 필요하다. 상대성의 결과는 빠른 속도에서 눈에 가장 잘 뜨인다. 그래서 우리는 우리의 관점에서 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 물체를 가지고 실험을 하고 싶다. 과학자들은 입자 가속기라는 기계로 그렇게 한다.

입자 가속기들은 복잡하고 값비싼 기계들일지는 모르나 이것들의 용도는 매우 간단하다. 과학자들은 이것들을 이용하여 원자보다 작은 입자들을 빛의 속도와 가까운 속도로 가속한 다음 서로 충돌시켜 그 효과를 관찰한다. 이 간단한 용도는 입자 가속기들을 이용하여 상대성의 여러 직접적인 실험을 할 수 있다는 의미다.

첫째, 이 기계들은 어떤 것을 가속시켜 빛의 속도에 이르게 할 수는 없다는 직접적인 증거를 제공한다. 입자 가속기들에서 입자들은 빛의 속도의 99%에 이르는 속도로 움직이게 하기는 꽤 쉽다. 하지만, 입자 가속기에 아무리 더 많은 에너지를 투입해도 입자는 빛의 속도에는 이르지 못한다. 몇몇 입자는 빛의 속도와 0.00001% 차이나는 수준에 이르렀지만, 빛의 속도에는 이르지 못했다.

넷째, 그리고 아마 가장 주목할 만한 것으로, 입자 가속기들로 시간 지연을 직접 실험해볼 수 있다. 충돌 에너지에서 생성된 입자 다수는 매우 짧은 생애(기술적인 용어로, 짧은 반감기)를 가진다. 예를 들어, ∏+(파이 플러스) 중간자라고 하는 입자는 정지 상태에서는 약 18나노초(십억 분의 1초)의 생애를 가진다.

하지만 입자 가속기 안에서 빛의 속도에 가까운 속도로 생성된 ∏+ 중간자는 18나노초보다 훨씬 더 오래 지속된다. 더 지속된 양은 시간 지연 공식이 예측한 양과 같다. 우리의 관점에서 빠른 속도로 움직일 때 이들 입자의 시간은 진정 느리게 흐르는 것이다.

당신이 상대성 이론을 진짜라고 받아들인다고 가정하면, 이제 그것을 이해하는 문제로 돌아갈 시간이다. 사실, 별로 할 일은 없다. 대부분의 사람에게 상대성 이론의 기본적인 아이디어는 크게 찜찜하지 않다. 생각해보면, 결코 경험하지 않을 속도에서만 느낄 수 있는 눈에 띄는 시간 지연이나 질량 증가 같은 것들에 찜찜해할 이유가 없지 않은가?

상대성 이론은 우리가 반대로 생각하고 있다고 말해준다. 절대적인 것은 빛의 속도이며, 시간과 공간은 상대적이라는 것이다. 어린 아이였을 때 위아래에 대한 새로운 상식에 익숙해지는 데 시간이 걸렸듯이 시간과 공간에 대한 새로운 상식에 익숙해지는 데도 시간이 필요할지도 모른다. 하지만 이제 목표를 안다. 과거 둥근 지구가 의미하는 바를 이해했듯이 빛 속도의 절대성이 의미하는 바를 이해하는 것이다. 특수 상대성 이론은 아직도 놀랍게 보일지 모르나 사실 우주를 더 잘 이해하게 해준다.

뉴턴의 중력 이론의 가장 괄목할 만한 성공 중에는 망원경으로  발견하기도 전에 해왕성의 존재와 위치를 예측한 것, 우주선의 이동 경로와 그 정확한 착륙 지점을 알아낸 것 등이 있다. 하지만 생각해보면, 뉴턴의 중력 이론에는 매우 이상한 점이 있었다.

지구가 태양 주의를 도는 것을 생각해보자. 우리는 지구를 그 궤도에 잡아두는 중력의 힘을 쉽게 계산해낼 수 있었다. 하지만, 정확히 어떻게 지구는 태양이 거기 있으며 그래서 또 그 주위를 돌아야 하는지를 알까? 뉴턴의 법칙에 표현된 대로, 중력은 과학자들이 말하는 원격 작용을 하고 있는 듯 보인다.

뉴턴의 중력이론은 성공적이긴 했지만, 뉴턴은 중력 이론의 이치를 이해하지 못했다. 그리고 이상하게도, 다른 사람들도 뉴턴처럼 찜찜했지만 다음 200년 동안 이에 대해 크게 문제를 제기한 사람은 없었다. 하지만 확실히 아인슈타인은 찜찜해했다.

실제로 나중에 양자역학에서 한 곳에 있는 입자가 어떤 경우 다른 곳에 있는 입자에게 즉각적으로 영향을 미칠 수 있다고 주장하자 아인슈타인은 이 주장을 귀신의 원격 작용이라고 조롱했다. 이 사실을 염두에 둔다면, 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 통해 중력에 대한 새로운 시각을 제공했을 때 뉴턴의 불합리성이 사라졌다는 사실은 놀랍지 않을 것이다.

특수 상대성 이론을 완성한 지 겨우 2년이 지난 1907년, 아인슈타인에게 후에 내 인생에서 가장 행복한 생각이라고 부른 생각이 떠올랐다. 우주선이 1g의 가속도로 우주를 날고 있을 때, 당신은 지구에서의 정상 체중으로 않고 서고 걸어 다닐 수 있을 것이다. 사실, 우주선의 창문을 모두 가리면, 우주선 안의 모든 것은 지구에서 집 안에 있는 것과 똑같을 것이다.

당신이 아인슈타인 시대에 살던 물리학자라면, 아인슈타인의 행복한 생각에 대한 당신의 첫 반응은 당연하지일지 모른다. 뉴턴의 시대부터 중력의 효과와 가속도의 효과는 똑같이 느껴진다는 사실이 잘 알려져 있었기 때문이다.

하지만 이 사실을 좀 더 깊이 생각한 많은 과학자에게 이것은 꽤나 놀라운 우연의 일치로 보였다. 상대성 이론 이전의 관점에서 보면 마치 자연이 2개의 상자, 즉 중력의 효과라고 적힌 상자와 가속도의 효과라고 적힌 상자를 보여주는 것과 거의 같았다. 아인슈타인이 밝힌 내용은 본질적으로, 두 상자를 보고 전혀 우연의 일치가 아니라고 말한 겉이다. 아인슈타인은 두 상자가 똑같은 것을 담고 있기 때문에 겉으로 보기에도 똑같이 보인다고 말했다.

이 놀라운 아이디어를 등가 원리(equivalence principle)라고 한다. 좀 더 정확히 말하면, 중력의 효과는 가속도의 효과와 정확히 같다. 이 원리와 함께 모든 운동의 상대성은 지켜진다. 보통 중력과 가속도가 이렇게 달라 보이는 이유는 아인슈타인을 가장 행복하게 만든 생각의 핵심으로 우리를 데려 간다. 아인슈타인은 그 둘이 똑같다고 말했다.

그러므로 아인슈타인에 따르면, 그 둘은 다르게 보이지만 그것은 우리가 그림 전체를 보지 못하기 때문에 그렇다. 서로 다른 관찰자는 시간과 공간에 대해 서로 다른 측정치를 내놓을 수 있지만, 시공간은 모두에게 똑같다는 사실을 상기하라. 마찬가지로, 서로 다른 관찰자는 중력과 가속도를 달리 인식할 수 있지만, 시공간에서는 둘이 똑같아 보임을 발견한 것이다.

블랙홀은 안과 밖이 있다. 사건의 지평선이라는 이름은 그 안에서 일어나는 사건은 바깥 우주에서 볼 수도 없고 바깥 우주에 영향을 미치지도 않기 때문에 붙였다. 사건의 지평선은 중력이 너무나 강해 빛의 속도에 이르러야 탈출할 수 있는 곳으로 묘사되는 것을 종종 들을 것이다. 하지만, 이것은 그리 적절한 묘사가 아니다. 왜냐하면 탈출 속도에 조금 못 미치는 로켓이 지구를 거의 빠져나갈 뻔하는 것처럼 빛이 거의 빠져나올 뻔한 것으로 들리기 때문이다.

그래서 이보다 더 나은 비유는 폭포가 있는 강이다. 여기서는 공간 자체가 블랙홀을 향해 흐른다. 사건의 지평선은 폭포다. 여기서 공간은 절벽으로 떨어진다. 블랙홀을 향한 흐름이 너무나 빨라서 빛의 속도로 이동하는 배도 절벽으로 떨어지고 만다. 공간의 흐름을 느낄 수 없는, 블랙홀과 멀리 떨어진 곳에서 궤도는 뉴턴의 만유인력법칙으로 계산할 수 있고, 블랙홀이 당신을 빨아들이지 않을 것이 분명하다.

하지만 아주 가까이 갔을 때는 공간의 흐름이 결국 너무나 강해져서 빨려 들어가는 듯 느껴질 수 있다. 주위의 강이 흐르기 때문에 폭포로 떨어지는 것이고, 주위의 공간과 함께 실려 가기 때문에 블랙홀로 빠진다. 당신을 빨아들이는 우주의 진공청소기는 없다.

블랙홀이란 무엇인가

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 우리가 중력이라고 여기는 것은 사실 시공간의 휘어짐에서 오는 것이고, 이 휘어짐은 질량을 가진 물체에 의해 만들어진다. 블랙홀은 크기가 너무나 많이 수축하여 관찰 가능한 우주에 구멍을 낼 정도의 질량을 가진다. 어떤 물체가 블랙홀에 빠지면 바깥 우주는 그 물체와 전혀 접촉할 수 없다.

블랙홀 주변의 물체들에는 어떤 일이 일어나는가

블랙홀의 중력은 동일한 질량을 가진 다른 모든 물체의 중력과 다르지 않다. 단, 블랙홀에 아주 가까이 다가갈 때 중력은 훨씬 더 극단적이 된다(시공간이 훨씬 더 많이 휘어진다). 멀리 떨어져 있을 때는 다른 모든 질량이 큰 물체 주위에서 그렇듯이 블랙홀 주위에서도 궤도를 돈다. 빨아들이지는 않는다.

블랙홀에 떨어진 물체에게는 어떤 일이 일어나는가

첫째, 블랙홀에 우연히 빠지기는 힘들다. 블랙홀은 크기가 아주 작기 때문에 멀리서 와서 빠지려면 거의 완벽하게 겨냥을 해야만 한다. 블랙홀에 쉽고 자연스럽게 빠지는 유일한 것은 블랙홀 주위의 가스인데, 블랙홀 주위를 빙빙 도는 가스는 마찰력을 일으키고 이 마찰력은 가스 입자의 궤도를 점점 붕괴시켜 입자를 블랙홀에 빠지게 한다.

어떤 것이 블랙홀로 떨어질 때 바깥에서 지켜보면 물체가 사건의 지평선에 다가가면서 시간이 멈추는 것을 볼 것이다. 동시에, 물체의 빛이 무한히 붉은 색으로 변하면서 시야에서 사리지는 것을 볼 것이다. 빛의 적색이동은 블랙홀로 떨어지는 물질이 실제로 비교적 빨리 시야에서 사라지는 이유이고, 그래서 그 물질이 사건의 지평선을 넘는 것을 보지 못할 것이다.

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