인물 : 아인슈타인 ② 과학의 거인ㆍ업적ㆍ이론

 

"아인슈타인 (Albert Einsteinㆍ1879~1955ㆍ76세)"의 "상대성이론"은 물리법칙은 언제, 어디서나 동일하다는 것이다. 그가 발표한 "상대성이론"은 20C에 발표된 가장 유명한 이론이지만, 그만큼 오해도 많이 받았다. 흔히 "상대성이론"은 "시간과 공간이 상대적임을 밝힌 이론"이라고 알려져 있다. 하지만 진정한 의미에서는 "물리법칙이 언제, 어디서나 동일함"을 확인한 이론이라고 할 수 있다.

 

1. 언제나 "과학의 거인"이었고, "우주에 대한 인간의 이해"에 기여했다.

20C 초, 창조성이 뛰어난 대표적 지식인이었던 "아인슈타인"은 20C 초, 15년 동안 "질량과 에너지의 등가"를 단언하고, "공간ㆍ시간ㆍ중력"에 관한 새로운 사고방식을 제안한 일련의 이론들을 내놓았다. 그의 "상대성 원리ㆍ중력에 관한 이론"들은 "뉴턴 물리학"을 넘어서는 심오한 진전이었고, 과학적 탐구와 철학적 탐구에 혁명을 일으켰으며, 1921년 "노벨 물리학상"을 받았다. 그는 자신이 "사회 정의와 사회적 책임이라는 열정적 감각"을 갖고 있음을 인정했다. 

명성 덕택으로, "평화주의ㆍ자유주의ㆍ시오니즘"과 같은 대의를 지지하는데, 영향력이 있었다. 그러나 아이러니컬하게도 이러한 "이상주의적인 사람"이 "물질 입자가 엄청난 양의 에너지로 바뀔 수 있다"는 "에너지-질량 방정식 가설"로 지금까지 알려진 가장 파괴적인 무기인 "원자폭탄ㆍ수소폭탄"의 창조를 증명했다.

"다윈(Darwin)의 진화론ㆍ플랑크(Planck)의 양자론"은 우리의 우주를 이해하는데, 매우 중요한 역할을 했지만, "아인슈타인의 상대론"은 철학적이고, 과학적인 사고의 모든 측면에 대해, 영향을 주었으므로 과학의 가장 중요한 산물이라고 할 수 있다. 특히, "일반 상대론"은 "뉴턴의 중력이론"으로는 가능하지 않거나, 가능하더라도 단지 부분적으로 밖에는 취급할 수 없는 과제인 "우주론"에 가장 극적인 성공을 거두었다.

그는 그의 "중력이론"을 전 우주에 적용하여, 우주에 대한 "정적모형(팽창하지도 무너지지도 않는 모형)"을 추론했는데, "아인슈타인"을 뒤이은 다른 우주론자들은 "아인슈타인의 이론"에 의해, "팽창이론"도 포함하는 "정적이지 않은 우주모형들"에 이를 수 있음을 보게 되었다. 결과적으로, "일반 상대론"은 관측과 이론연구가 열광적으로 진행되고 있는 "우주론"을 더욱 번창하게 하는데 대단히 많은 기여를 하였다.

① 다윈 (Charles (Robert) Darwinㆍ1809~1882ㆍ73세) 영국의 박물학자

생물의 진화를 주장하고, 자연선택에 의해 새로운 종이 기원한다는 "자연선택설"을 발표했다.  그의 진화설은 주로 "자연선택에 의한 종의 기원에 관하여(1859)ㆍ인간의 유래 및 성에 관한 선택 (1871)"에서 제의된 것인데, 당시 과학ㆍ종교의 진로에 많은 영향을 주었으며, 인간의 생각에 혁신을 가져왔다.  아버지 "로버트 워링 다윈"은 의사였고, 어머니 "수재나"는 유명한 도예가인 "조시아 웨지우드 1세"의 딸이었다. 할아버지 "에라스무스 다윈"은 박식한 "의사ㆍ시인ㆍ철학자ㆍ박물학자ㆍ발명가"였으며, "우생학"의 창시자 "프랜시스 골튼"의 할아버지이기도 했다.

② 플랑크 (Max (Karl Ernst Ludwig) Planckㆍ1858~1947ㆍ89세) 양자론을 창시한 독일의 이론물리학자

"양자론"은 원자 및 원자 구성입자 세계에서 일어나는 과정을 이해하는 데 혁명을 일으켰는데, 이는 마치 "아인슈타인의 상대성이론"이 시간과 공간을 이해하는 데, 혁명을 일으킨 것과 같다.  두 이론은 20C "물리학의 기초적 이론"이 되고 있으며, 인간이 가장 소중히 간직했던 철학적 믿음들 가운데 몇몇을 수정하도록 했고, 현대생활의 모든 측면에 영향을 미치는 산업적ㆍ군사적 응용을 가능하게 해주었다. 1918년 "노벨 물리학상"을 받았다.

③ 아이작 뉴턴 경 (Isaac Newtonㆍ1643~ 1727ㆍ향년 84세)

영국의 물리학자ㆍ수학자ㆍ인류 역사상 가장 영향력 있는 사람 가운데 1명ㆍ1687년 발간된 "Principia(프린키피아ㆍ자연철학의 수학적 원리)"는 고전역학과 만유인력의 기본 바탕을 제시하며, 과학사에서 가장 영향력 있는 저서 중의 하나로 꼽힌다. 이 저서에서 뉴턴은 다음 3C 동안, 우주의 과학적 관점에서 절대적이었던 "만유인력ㆍ뉴턴의 3가지 운동 법칙"을 저술했다.  "뉴턴 운동 법칙(Newton's laws of motion)"은 "물체의 운동"을 다루는 3개의 물리 법칙이다.  "뉴턴"이 도입한 이 법칙들은 "고전 역학"의 바탕을 이룬다.

• 제1법칙 : 관성의 법칙            • 제2법칙 : 가속도의 법칙            • 제3법칙 : 작용과 반작용의 법칙

2. 과학적 업적

① 상대성 이론

"상대성 이론"이 처음 발표되었을 때, 이를 이해할 수 있는 과학자는 몇 안 되었다고 한다. 우리는 경험을 통해 모든 운동은 "상대적"이라는 사실을 알고 있다. "상대적"이란 말은 "운동을 다른 대상에 관계없이 계측할 수 없다"는 뜻이다.

예를 들어, 이제 달리는 열차의 좌석에 앉아서 창밖으로 바깥을 내다본다고 가정하자. 바깥 풍경은 자꾸 뒤로 달려가므로, 우리는 자신이 앞으로 움직여가고 있다는 사실을 알 수 있다. 그때 맞은편 자리에 사람 1명이 앉아 있는데, 이 사람이 볼 때 바깥 풍경은 조금도 움직이지 않고 있다. 그러므로 어떤 물체가 운동하고 있느냐는 것은 어떤 것을 기준으로 생각할 때, 의미가 있다. 이것이 "아인슈타인 이론"의 핵심이 되는 내용 중, 1째가 되는 기본적인 부분이다. 그것을 아인슈타인은 "공간을 한결같은 속도로 움직이고 있는 물체의 운동은 그 물체 안에서 관찰하는 것으로 판단할 수 없다."고 표현했다.

2째는 "우주에서 절대 변화하지 않는 양은 빛의 속도뿐이다"라는 것이다. 우리는 "빛이 1초 동안에 30만km의 속도로 간다."는 사실을 알고 있다. 그런데, 이것이 어떤 경우에도 전혀 변화하지 않는다니, 도무지 진실이라고는 여겨지지 않는다. 자동차가 시속 60km로 달리고 있다는 것은 이것이 무엇인가 기준이 되는 것(보통의 경우라면 지면에 대해 속도를 재었을 때 시속 60km가 된다는 뜻), 또 하나의 자동차가 지면에 대해 시속 40km로 달리고 있다고 하자.

만약에 시속 60km의 자동차가 그 뒤쪽에서 같은 방향으로 달려와서 그 자동차를 앞질러 갔다고 한다면, 앞질러간 자동차는 시속 40km의 자동차에 대해서 시속 20km로 달려갔다는 말이 된다. 그러나 반면에 시속 60km의 자동차가 시속 40km의 자동차와 같은 방향이 아니라 반대방향으로 달려갔다고 한다면, 그것은 시속 40km의 자동차에 대해서 시속 100km로 멀어져간 것이 될 것이다.

이렇게 두 자동차의 달리는 방향에 따라, 자동차의 상대적인 속도는 크게 달라진다. "아인슈타인"에 따르면, 빛의 속도를 같은 방식으로 측정하였을 때, 광속은 변하지 않는다. 즉, 빛은 우리가 같은 방향으로 빠른 속도로 달릴 때나, 반대방향으로 달리고 있을 때나, 똑같이 초속 30만km로 달리고 있다. 만약 내가 빛과 같은 속도로 빛과 나란히 서서 달리기 시작했더라도 역시 빛은 당신 앞을 초속 30만km로 멀어져갈 것이다.

이와 같은 "상대성 이론"의 두 기본적인 틀에 따라, 여러 가지 색다른 결과가 생긴다. 그 하나는 "질량과 에너지가 같은 것은 서로 일정한 비율로 형태를 바꾼다."는 것이다. 이것은 "원자폭탄ㆍ원자력의 토대"가 되어 있는 법칙이다.

② 특수상대성 이론 (Special theory of relativity)

"로렌쯔 변환"에 대한 불변성을 요구하는 "상대성 이론"으로, 1905년 아인슈타인이 서로 등속운동을 하는 "관성계에 대한 상대성원리와 광속도 불변의 원리"를 기초로 하여, 구성한 체계이다. 이 이론을 기초로 하는 이론은 "상대론적 역학", "전자기장 텐서"로 나타낸 전자기의 기본법칙 등 이외도 "양자학"에서 "디락(Dirac)의 전자론"에서 시작되어, "장의 양자론"이 전개되고, "소립자론"의 유력한 지도원리로 되어있다.

③ 일반상대성 이론 (General theory of relativity): "제1차 세계대전"이 한창인 1915년에 완성

임의의 좌표계에 대해서, "역학 법칙의 상대성원리"가 성립할 수 있는 것을 요구하는 상대론이다. 이 이론은 "빛의 진로가 강한 중력의 장 속에서 굽어진다."는 것을 예언한 것이다.

④ 아인슈타인의 우주 (Einstein's Universe)

"일반상대성 이론"의 "만유인력장 방정식을 물질 및 방사의 분포가 같다"고 가정하고, 모든 점의 둘레에 "구 대칭의 성질을 갖는 것"으로 하고 풀이하면, 선소를 갖는다고 생각되는 우주 모형을 "아인슈타인 우주"라 한다.

⑤ 아인슈타인 가설 (Einstein hypothesis): "중력의 속도와 빛의 속도가 거의 같다"는 가설

아인슈타인은 1916년 "중력장"의 새로운 개념을 이용해 시간과 공간 자체가 물질의 존재와 밀접한 관련을 맺고 있다는 중력 이론인 "일반상대성 이론"을 발표하였다. 이 이론에 따르면, 물체는 그 둘레의 공간을 변형시켜, "만유인력의 장(場)"을 형성함으로써 행성과 같이 궤도를 도는 물체는 빛 등 주변의 모든 물체를 끌어당기는 힘을 발휘한다. 즉 시간과 공간의 굽은 정도를 나타내는 "곡률(曲率)이 물질의 분포에 따라 결정된다"는 것이다.

아인슈타인은 이 "일반상대성 이론"을 근거로, 중력이 빛의 속도와 같은 초당 18만 6000만 마일로 움직인다는 가설을 세웠는데, 이 가설이 바로 "아인슈타인 가설"이다. 그러나 가설이 나온 이후, 과학자들은 중력의 속도를 측정할 수 있는 방법을 찾지 못해, 가설이 맞는지 틀리는지를 증명할 수 없었다. 이 때문에 "중력의 속도를 측정하는 것"은 천체 물리학계의 오랜 숙원이었다.

그러다가 2003.01월, "미국의 국립전파천문관측소(NRAO)ㆍ미주리대학교ㆍ컬럼비아대학교" 공동 연구팀이 "미국 천문학회의"에서 "아인슈타인가설이 사실로 확인되었음"을 처음으로 발표하였다. 이들은 먼저 "목성"이 "퀘이사(준성)"로부터 나오는 빛에 가까이 접근하는 시기인 2002.09.08일 "미국 버지니아 주 샬러츠빌 관측소ㆍ하와이ㆍ독일" 등 전 세계 10곳에 설치된 "전파망원경"을 이용해 "굴절 공간"을 측정하였다. 이를 통해, "목성"이 "퀘이사의 빛"에 중력을 미치면서, 나타나는 공간이동의 정도를 수치적으로 밝혀내고, 이를 통해 "중력의 속도"를 측정하였다. 그 결과, "아인슈타인의 가설"대로, "중력의 속도와 빛의 속도가 거의 같다"는 것이 처음으로 입증되었다.

⑥ 아인슈타인의 비열식 (Einstein's formula for specific heat)

"고체의 정적 몰 비열"이 저온에서 "0"에 근접하고, "듈롱-프티의 법칙"에 의한 값 "3R(R은 기체상수)"에서 벗어나는 것을 설명하기 위해서, 1907년 "아인슈타인"이 제출한 비열식이다.