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특수상대성이론

아인슈타인은 1905년에 특수상대성이론을 발표했다. 왜 이 이론에 ‘특수’라는 수식어가 붙어 있을까? 그것은 이 이론이 중력이 없는 빈 공간이라는 ‘특수한’ 상황 아래서 움직이는 물체의 행동을 다루고 있기 때문이다.

상대성이론에서는 우주에서 절대적인 것은 빛의 속도뿐이며 시간과 공간-아인슈타인은 시공간이라는 개념을 선호했다-을 포함하여 모든 것이 기준계에 따라 달라지는 상대적인 것이라고 주장한다. 이러한 기본 가정을 바탕으로 질량, 에너지 그리고 시간의 성격에 대한 진정 새롭고 놀라운 예측을 했던 것이다.

질량-에너지 동등성

아인슈타인의 중요한 예측 중의 하나는 질량과 에너지가 동등하다는 것이다. 이것은 질량과 에너지가 근본적으로 같은 것이며, 따라서 질량은 에너지로, 에너지는 질량으로 상호변환이 가능하다는 것이다. 질량과 에너지의 동등성은 유명한 방정식 E=mc²으로 표현된다.

빛의 속도에서의 에너지와 질량

아인슈타인은 물체가 공간에서 가속되면 에너지와 질량이 증가하고 달리는 방향의 길이는 수축한다고 주장했다. 한마디로 말해 더 빨리 달리면 달릴수록 더 무거워지고 길이는 짧아진다는 것이다.

빛의 속도 가까이 도달하면 이런 효과가 더 뚜렷하게 나타나기 때문에 빛의 속도로 달린다면 질량은 무한대가 되고 길이는 0이 될 것이다. 물론 빛의 속도로 달리는 것은 불가능하다. 이것은 빛의 속도가 우주에서 얻을 수 있는 가장 빠른 속도라는 것을 뜻한다.

관측자 기준계에서의 시간

상대성이론의 예측 중 하나는 모든 사람들이 이해하기 어려운 것이었다. 그것은 우주를 여행하는 사람에게 시간이 정상적으로 흐르는 것처럼 보이지만 이 사람의 기준계 밖에 있는 사람이 측정하면 천천히 흐르는 것처럼 측정된다는 것이다.

일반 고속도로를 달리는 자동차의 속도에서는 이런 효과를 관측할 수 없지만 빛의 속도에 가까워지면 이런 효과가 뚜렷하게 나타난다는 것이다. 이는 공간과 마찬가지로 시간마저도 절대적인 것이 아니라 관측자의 기준계에 따라 다른 속도로 흐르는 상대적인 양이라는 것을 나타낸다.

일반상대성이론

뉴턴에 의하면 중력은 공간을 통해 순간적으로 물체 사이에 작용하는 힘이다. 그런데 이것은 빛보다 빠르게 전달될 수 있는 것은 아무것도 없다는 특수상대성이론과 맞지 않는다. 아인슈타인은 1915년에 발표한 일반상대성이론에서 이 문제를 다루었다.

일반상대성이론에 의하면 중력장은 질량을 가진 물체 주위의 시공간이 휘기 때문에 만들어진다. 이것은 매트리스 위에 앉아보면 쉽게 이해할 수 있다. 몸무게가 매트리스를 누르면 주위의 매트리스가 휘어져 몸과 같은 모양의 웅덩이가 만들어진다. 그렇게 되면 매트리스 위에 놓여 있던 물체는 몸 쪽으로 굴러 내리게 된다.

우리 태양 주위의 시공간도 이와 비슷하게 태양의 질량에 의해 휘어진다. 따라서 행성을 포함하여 태양 주위를 지나는 모든 물체는 이 휘어진 경로를 따라 운동하게 된다. 아인슈타인에 의하면 중력은 신비한 방법으로 즉각적으로 작용하는 힘이 아니라 휘어진 공간에 의해 작용하는 힘이라는 것이다. 한 마디로 말해 우리가 중력이라고 생각했던 것은 휘어진 시공간의 결과라는 것이다.

E=mc²

이 식은 인류 역사상 가장 유명하고 가장 많은 사람들이 알고 있지만 이 식의 의미를 이해하는 사람은 많지 않다.

이 식을 이해하기 위해서는 우선 각 항의 정의를 알아보아야 한다. E=mc²은 에너지(E)는 질량(m)에 상수인 빛의 속도(c)의 제곱을 곱한 값과 같다는 것이다.

빛의 속도의 제곱은 90,000,000,000,000,000(m/s)²이기 때문에 이 값을 곱하면 엄청나게 큰 값이 되고, 따라서 아주 작은 질량이라도 짧은 시간 동안 에너지로 바뀐다면 극적인 사건이 될 것임을 쉽게 예측할 수 있다. 이 때문에 100g(작은 커피 잔 안의 커피의 양과 비슷한)의 질량이 에너지로 바뀌는 원자폭탄도 한 도시 전체를 파괴할 수 있다.

아인슈타인의 이론이 원자폭탄의 개발과 깊은 관계가 있지만 아인슈타인은 원자폭탄 개발에 직접 참여하지는 않았다. 미국에 폭탄의 개발을 촉구하기는 했지만(그의 과거 동료 중의 일부가 독일을 도와 그런 폭탄을 개발할 수도 있다는 증거에 근거하여), 원자폭탄이 민간을 대상으로 사용되었다는 것을 알고 크게 놀랐다. 그 뒤 그는 세계 평화를 옹호하는 운동에 참여하였다.