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그래서, 아인슈타인이 뭐라고 했는데?

아인슈타인의 이론은 가설로 제시된 것이 아니라 모두 수학적으로 입증되었다. 상대성이론의 내용을 이해하기 위해선 수식이 필수적이지만, 수학을 배제하고, 상대성이론의 원리를 인문학적으로 소개한다. 개념 하나하나를 적절한 예를 통해 설명하고, 다양한 삽화와 문학작품들을 등장시킨다. 이 책의 목표는 간명하다. 과학자가 아닌 이상 이론의 내용을 이해할 수는 없겠지만, 적어도 무엇에 관한 이야기인지를 최대한 이해할 수 있도록 하자는 것이다.

빛의 속도로 움직이는 사람은 늙지 않는다

과학계에서는 1905년을 ‘기적의 해’라 부른다. 과학계에 알려지지 않았던 26세의 아인슈타인이 특수상대성이론을 포함한 획기적인 논문들을 발표하면서 시간과 공간, 질량과 에너지에 대한 기존의 개념을 완전히 뒤엎으며 물리학의 근간을 뒤흔들었기 때문이다. 뒤이어 1916년에 아인슈타인은 시공간은 물체의 존재에 영향을 받는다는 일반상대성이론을 발표한다.
시간과 공간의 상대성원리, 광속도 불변의 원리, 질량과 에너지의 등가원리 그리고 구부러진 공간의 기하학적 구조에 대한 중력이론을 밝힌 상대성이론은 1919년 5월 일식관측을 통해 입증되면서 전세계가 떠들썩해졌다. 과학계에 한정되어 있던 관심사가 한꺼번에 사회적인 열풍으로 변환된 것이었다.
언론에서는 연일 ‘과학 역사상 가장 놀라운 발견’ ‘빛의 속도로 움직이는 사람은 늙지 않는다’ ‘평행선은 만난다’ ‘갈릴레오, 뉴턴, 유클리드를 뒤엎다’ ‘철학과 신학의 혁명’ ‘공간의 뒤틀림에서 비롯된 중력’ ‘질량은 잠재적인 에너지’ ‘4차원으로서의 시간’ 등의 제목으로 기사를 쏟아냈다.

그래서, 아인슈타인이 뭐라고 했는데?

하지만 일반인들에게 상대성이론은 이해하기 어렵다. 120년이 지난 지금도 별반 다를 것은 없다. 아인슈타인의 상대성이론은 누구나 알고 있지만, 실제로는 아는 것이 별로 없다. 심지어 자의적인 오해도 한다. 그래서 아인슈타인은 ‘상대성의 의미는 광범위하게 오해받고 있다. 철학자들은 인형을 갖고 노는 어린아이들처럼 이 단어를 갖고 놀이를 한다.’고 불평을 토로하기도 했다.
이 책은 이렇듯 이해하기 까다롭고 쉽게 오해할 수 있는 상대성이론을 차분하게 설명하는 입문서다. 원제인 Easy Lessons in Einstein에 걸맞게 수학적인 내용은 최소화하면서 과학적인 명확성은 유지한다. 복잡한 이론을 직관적으로 이해할 수 있도록 비유와 예시를 풍부하게 활용하여 지루할 틈이 없이 이론에 몰두할 수 있도록 했다.

‘상대성이론은 원리이론이다. 상대성이론을 이해하기 위해서는 그것이 기초하고 있는 원리를 파악해야 한다.’ (아인슈타인)

아인슈타인의 이론은 가설로 제시된 것이 아니라 모두 수학적으로 입증되었다. 상대성이론의 내용을 이해하기 위해선 수식이 필수적이지만, 수학을 배제하고, 상대성이론의 원리를 인문학적으로 소개한다. 개념 하나하나를 적절한 예를 통해 설명하고, 다양한 삽화와 문학작품들을 등장시킨다. 이 책의 목표는 간명하다. 과학자가 아닌 이상 이론의 내용을 이해할 수는 없겠지만, 적어도 무엇에 관한 이야기인지를 최대한 이해할 수 있도록 하자는 것이다.
저자인 에드윈 슬로슨은 화학박사다. 과학 대중화에 힘써온 저널리스트이자 교육자로 오랫동안 활동했다. 산업현장에서 활용되는 화학을 소재로 한 그의 책 〈창의적인 화학〉은 20여년 간 미국의 고등학교와 대학교의 교재로 활용되었다.

머리말 대화 12

쉽게 이해하는 아인슈타인 16
서로 모순되는 실험들 23
시대의 수수께끼 29
상대성의 패러독스 32
자신의 모습에 대해 확신할 수 있을까? 36
4차원에 대한 소개 44
4차원으로서의 시간 52
벌레의 눈으로 보는 세상 59
시간을 거꾸로 돌리기 65
영화의 형이상학 69
자기중심적 우주 이론 74
비유클리드 기하학 83
몇 가지 단순한 예들 89
일식 관찰 95
아인슈타인은 누구인가? 109
체중 감량법 112
중력을 대체하는 것 116
기계적 정신과 수학적 정신 121
빛의 무게 128
변덕스러운 이론과 영속적인 사실들 134
과학 법칙 대 법률상의 법 139

● 시간, 공간 그리고 중력 : 알베르트 아인슈타인 박사 147
● 감사의 말 159

‘자연에서 뒤틀림이 발견되었다, 곧은 선은 없으며, 둥근 원도 없다. 아이작 뉴턴이 중력이라는 불합리한 생각을 갖고 있었기 때문이다!’(16쪽)

열차들이 서로 지나쳐가고 있다는 것은 분명하다. 당신은 열차들이 서로 멀어지는 속도를 얼마든지 정확하게 측정할 수 있다. 하지만 당신이 알아차릴 수 있는 것은 그 두 열차의 상대적인 움직임뿐이다.
당신은 절대운동(絶對運動)이라는 것이 있는지, 즉 정지와 운동 사이의 실질적인 차이가 있는지 의심하기 시작한다. 창문을 통해 움직이고 있는 어떤 것만을 볼 수 있을 뿐이라면, 과연 당신이 타고 있는 열차가 움직이고 있는지, 정지해 있는지 말할 수 있는 방법이 있을까? 창문이 모두 커튼으로 가려져 있다면, 당신이 앞으로나 뒤로 움직이고 있는지, 아니면 정지해 있는지 어떻게 알아차릴 수 있을까?(19쪽)

아인슈타인은 자신의 공식을 위해서는 4차원이 필요하다고 말한다.(28쪽)

기차의 맨 앞에 서서 공을 앞으로 던져도 기차가 앞으로나 뒤로 전속력으로 달리든 정지해 있든 공의 속도에는 아무런 차이가 없다는 말과 같다.
그러나 미국의 물리학자인 마이컬슨과 몰리는 빛의 속도를 측정하는 실험을 통해 지구가 광원을 향해 움직이거나 광원으로부터 멀어지거나 직각의 방향으로 움직인다 해도 빛의 속도는 동일하다는 사실을 발견함으로써 아인슈타인의 두 번째 가설이 옳다는 것을 확인했다.(30~31쪽)

뉴턴의 세 가지 운동법칙(관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용과 반작용의 법칙)은 모두 의심받게 되었고, 평행선은 절대 만날 수 없다는 유클리드의 가르침을 버리는 세상이 되었다. 아인슈타인에 따르면 평행선은 만날 수도 있다.(32쪽)

아인슈타인에 따르면 어떤 작용도 빛의 속도를 초과할 수 없다. 상대성이론이 옳다면 절대적인 시간이나 서로 다른 장소의 시계가 동기화되어 있는지 확인할 수 있는 방법 같은 것은 존재할 수 없다.
우리의 측정막대는 어떻게 잡느냐에 따라 달라질 수 있고 물체의 무게는 속도에 따라 달라질 수 있다. 두 지점 사이의 최단거리는 직선이 아닐 수도 있다. 이는 아인슈타인의 상대성이론이 품고 있는 놀라운 함의 중 일부이다.(32쪽)

이제 모든 운동이 절대적인 것이 아니라 상대적이라는 것을 쉽게 인정할 수 있지만, 공간과 시간도 절대적인 것이 아니라 상대적이라는 생각에는 여전히 난처해질 수 있다. 하지만 운동은 공간과 시간에서 위치가 동시에 변하는 것일 뿐인데, 본 적도 없는 공간과 시간에 대해 우리는 왜 그렇게 확신을 갖고 있는 것일까? (34쪽)

아인슈타인에 따르면 모든 물체의 크기와 모양은 운동의 속도와 방향에 따라 달라진다.
물체의 질량은 우리가 생각했던 것처럼 절대적이고 변하지 않는 것이 아니라 운동 속도에 따라 증가한다는 것을 의미한다.(42쪽)

아인슈타인의 세계는 우리에게 익숙한 세계와 여러 가지 면에서 다르다. 그의 세계에는 3차원이 아닌 4차원이 있다.
이런 차원들 중의 하나가 시간일 것이다. 시간 역시 절대적인 것이 아니라 상대적인 것이어야 한다. 이것은 공간의 상대성보다 상상하기 더 어렵다.(44쪽)

정육면체는 한 번에 전체를 볼 수 없다. 정육면체를 정면에서 바라보면 정사각형만 보인다. 정육면체를 비스듬히 보면 측면에 마름모꼴 두 개가 있는 정사각형처럼 보인다. 눈의 망막은
사실상 평면이기 때문에 우리가 볼 수 있는 것은 입체의 2차원적인 투영뿐이다. 우리의 두 눈은 어떤 물체에 대해 약간 다른 그림을 보여주기 때문에 그 물체의 크기, 모양, 거리를 추측하지만 어림짐작일 뿐이다.(48쪽)

공간에서 4차원을 상상하기는 어렵지만 4차원이 시간일 경우 그런 어려움이 없다. 사실, 우리는 이 생각을 항상 활용하고 있으며 이 생각 없이는 살아갈 수 없다. 어떤 사건의 위치를 고정하려면 4차원이 필요하다.
예를 들어, 한 남자가 총에 맞았다. 어디서? 뉴욕의 7번가와 42번가가 교차하는 모퉁이였다. 이렇게 하면 평면에서 직각으로 교차하는 두 좌표로 위치를 고정할 수 있다. 하지만 그 위나 아래, 즉 타임스 빌딩의 20층이었을까 아니면 지하철의 내부였을까? 이것을 알게 되면 3차원은 고정시키지만, 우리는 여전히 4차원인 시간으로 그 위치를 고정해야 한다.
오늘이었는지, 아니면 지난주의 몇 시였는지? 이 네 가지를 모두 알아내면 이 총격사건을 같은 시간대에 다른 장소에서 발생했을 수 있는 총격사건과 구별할 수 있다.(52~53쪽)

아인슈타인에 따르면, 납으로 만든 총알과 같은 무거운 입자를 원의 중심에 놓으면 중력의 변형에 의해 원이 4차원으로 휘어지기 때문에 지름과 둘레의 비율은 파이보다 약간 작아진다.(61쪽)

태양은 크고 무거운 천체이기 때문에 중력의 변형이 상당한 거리까지 확장되어야 하며, 이런 비틀린 공간을 통과하는 광선은 직선 경로를 따라갈 수 없을 것이다. 그리고 일식 관측에 따르면 직선 경로를 따라가지 않았다.(61쪽)

우리는 대부분 뉴턴의 중력에 대해서 지구가 갑작스럽게 이탈하려 할 때 태양이 지구를 궤도로 끌어당기는 일종의 밧줄이라고 생각하고 있는 것 같다.
하지만 아인슈타인의 관점에서 보면 지구는 태양의 힘에 의해 긴장되고 왜곡된 시공간의 조합을 통해 가능한 최선의 경로를 선택한다고 생각해야 한다.(61쪽)

이 페이지에 있는 마침표와 같이 정지해 있는 물질적 점(지구의 움직임은 계속 무시하자)은 공간에서는 움직이지 않지만 시간에서는 앞으로 나아가고 있다.(75쪽)

세상은 둥글며, 우리가 평원이나 바다에서 측정하는 직선이나 수평선이라고 부르는 것이 4천 마일 아래의 중심(지구핵. 지구 중심의 약 4분의 1을 차지한다)을 둘러싼 정말 커다란 원형이라는, 상상할 수 없는 것이 아닌 우리 지식의 논리적인 결과이다.(84쪽)

천문학적 공간에서 직선이라고 부르는 선들이 미지의 4차원에서 감지하기 어려운 곡률을 가질 수 있다는 것 또한 상상할 수 있지 않을까? 만약 이 곡선이 지구의 둘레처럼 닫혀 있다면, 비록 통과하거나 지나가는 물질에 의해 굴절되거나 반사되지 않더라도, 특정한 방향으로 직선 경로를 나아가는 한 줄기 빛은 결국 자신의 궤도로 돌아올 수 있게 된다.(82쪽)

공간 자체가 곡면일 수 있다는 생각 그리고 유클리드 시대 이후 기하학의 기반이 된 공리(公理)와 가정이 절대적이며 정확하고 영원하고 보편적인 진리가 아닐 수도 있다는 생각은 지난 50년 동안 부지런히 연구되어 왔다.(83쪽)

유클리드 기하학은 처음에는 단순한 수학적 상상력의 변종으로 여겨졌지만, 이미 우리 사고의 기본원리를 재고하도록 이끄는 가치가 있으며, 만약 아인슈타인이 옳다면 물리 현상을 설명하는데 필요할 수 있다는 것이 입증되었다.(84쪽)

차창으로 빗방울이 떨어지는 것을 본 적이 있을 것이다. 빗방울이 수직으로 떨어질 때 차가 앞으로 나아가면 비스듬히 유리창에 부딪히는 것을 본 적이 있을 것이다. 차가 빠르게 움직일수록 빗방울이 수직에서 벗어나는 편차는 커진다.(91쪽)

아인슈타인이 보기에 중력은 힘이 아니며, 물질이 존재할 때 공간과 시간이 왜곡되는 것이다. 태양을 스쳐 지나가는 혜성은 성간 공간에서처럼 직선 경로를 따라갈 수 없고, 태양 주변의 곡선 경로를 따라가는데, 이는 그 상황에서 혜성이 갈 수 있는 최단 경로이다.(107쪽)