우주로 나아가기 위한 첫 발 : 상대성이론(하)

우주로 나아가기 위한 첫 발 : 상대성이론

중력장의-개념-이미지

상대성이론은 역학의 새로운 표준을 제시했다는 점에서 너무 매력 있는 이론인데, 고전 역학과 다른 점을 들자면 시공간의 개념을 도입시켰다는 점을 들 수 있다.

 

뉴턴이 질량이 있는 모든 물체는 서로 끌어당기는 유인력이 존재한다고 했던 만유인력, 즉, 물체의 질량과 거리로 표현했던 역학을 아인슈타인은 매우 간단하게 시공간의 왜곡으로 설명한다.

 

뉴턴이 사과가 지구로 떨어지는 현상을 지구의 인력에 의한 현상으로 설명한다면, 아인슈타인은 지구가 구부려 놓은 공간을 따라 사과가 흐르는 것으로 설명한다는 뜻이다.

 

이것은 일반상대성 이론에서 구체화되는데 특수상대성 이론과 마찬가지로 한 가지 가정이 필요하다.

등가원리는 가속 좌표계에서 지구의 중력과, 중력가속도와 크기가 같은 가속도로 반대로 나아가는 관성력은 구분할 수 없다는 것이다. 중력과 관성력이 같다는 의미이다.

 

이로 인해 시공간이라는 개념이 아인슈타인에게서 사용되었는데, 뉴턴은 시간과 공간을 별개의 개념으로 봤지만 아인슈타인은 서로 상호작용하는 관계로 보고 질량을 가진 물체가 공간에 놓이면 공간의 휘어지게 된다고 이야기하였다. 질량이 클수록 공간이 더 크게 휘어진다.

 

중력에 대한 이해도 등가원리에 의해서 가속계를 관성계로 해석가능하기 때문에 중력을 가속운동계에 적용시켰다. 따라서 중력 또한 가속운동계로 볼 수 있기 때문에 중력이 강할수록 시간 지연이 크게 일어난다. 영화 인터스텔라에서 직접 빠른 속도로 이동하지 않지만 중력이 강한 천체에서 시간이 느리게 가는 현상과 블랙홀 주변을 지날 때 시간이 거의 멈추듯 느리게 흘러 주인공은 몇 시간 안 지났지만 지구는 몇십 년이 흐른 것으로 표현되었는데 일반 상대성 이론에서 중력이 가속계에 포함되기 때문에 그렇다.

 

공간왜곡에 대한 증거는 빛이 질량이 큰 천체를 지나갈 때 빛이 휘어지는 현상을 볼 수 있는데, 고전 역학에서는 빛이 질량이 있는 물질형태여야 가능한 현상이므로 설명이 불가능하지만 일반 상대성 이론으로는 공간왜곡으로 설명이 가능하다.

 

또한 중력렌즈효과를 들 수 있는데 아인슈타인의 십자가 또는 아인슈타인 링으로 검색을 해보면 여러 이미지를 확인할 수 있다. 질량이 큰 천체 뒤에 있는 별이 휘어져서 4개로 보이는 현상이다. 과거의 렌즈 기술력이 부족해서 4개로 보였을 뿐 실제는 전방위로 빛이 휘어지기 때문에 반지모양으로 보여야 한다.

 

일식현상에서 태양의 뒤에 있는 별이 태양의 질량에 의해 휘어지면서 보이기도 하고, 대표적으로 퀘이사를 예를 들 수 있는데 처음 발견당시 4개의 쌍둥이 별로 오해했다고 한다.

 

공간왜곡의 또 다른 예로는 블랙홀을 들 수 있는데, 블랙홀과 같은 질량이 매우 큰 천체는 공간의 왜곡이 매우 심해 빛조차 빠져나오지 못하도록 할 수 있다. 

 

이전 포스팅에서 언급했지만 일반상대성 이론의 증거는 수성의 세차운동을 들 수 있고, 일식현상에 의한 빛의 휘어짐, 중력렌즈, 중력파, 블랙홀, GPS의 시간보정 등이 있다. 중력파는 아인슈타인이 이론을 설명하고 101년 만에 실제로 관측되었는데 시공간의 출렁임을 의미한다. 무거운 질량에 의해 휘어있던 공간이 질량이 갑자기 사려졌을 때 파도치듯 출렁인다고 이해하면 쉬울 것 같다. 초신성 폭발이나 블랙홀이 합쳐지는 충격에 의해 중력파가 발생하고 실제로 2016년 관측에 성공했다.

 

2016년 관측된 것은 블랙홀 두 개가 합병되면서 만들어진 공간왜곡 시공간의 출렁임이 관측된 것이다.

 

상대성 이론은 고전역학을 하위로 두고 정상과학의 자리에 올랐는데, 이런 위대한 이론으로도 아인슈타인은 노벨물리학상을 수상하지 못했다. 단지 상대성이론의 극히 작은 부분에 속하는 광전효과로 노벨물리학상을 받은 위인이다.

 

상대성 이론으로 우리는 우주에 대한 이해가 깊어지겠지만 반대로 정확한 한계도 그어진다. 우주 최고의 속도는 광속이고, 시간여행이나 공간여행은 불가능하다. 즉, 우리가 할 수 있는 탐사에는 명확한 한계가 존재한다. 하지만 늘 그랬듯 인류는 새로운 답을 낼 것이고, 상대성 이론을 넘어서는 새로운 표준이론이 나올지도 모르기 때문에 그럼에도 불구하고 '언젠가는'이라는 기대감을 가져볼 수 있지 않을까?