우주에서 시간과 공간은 연합된 병합체

그가 창안한 첫 번째 아이디어는 시간과 공간을 보는 방식이다.

알려져 있는 것처럼 그의 ‘특수 상대성이론(theory of special relativity)’은 인류로 하여금 공간과 시간에 대해 생각하는 방식을 바꾸어놓았다.

중력이 무시되는 특수한 상황에서 상대적인 움직임을 다루기 때문에 상대성이론에 ‘특수(special)’이란 단어가 추가됐는데 이 이론에 의하면 각각 분리돼 있던 공간과 시간이 ‘시‧공간 연합체(a single space-time continuum)’로 병합된 것이다.

공간과 시간을 완전히 분리된 것으로 생각한 이유는 거리(공간)와 시간이 각각 km, 분‧초와 같은 다른 단위로 측정했기 때문. 그러나 아인슈타인의 특수 상대성이론은 우주가 빛의 속도(초당 30만km)로 서로 연결돼 있어 실제로 영향을 주고받고 있음을 보여주고 있다.

그것은 또한 가장 빠른 빛의 속도에 접근함에 따라 사물들이 매우 이상하게 행동하기 시작한다는 것을 의미한다. 빛의 80% 속도로 이동하는 우주선을 볼 수 있다면 정지해 있을 때보다 40% 더 짧아 보일 것이다.

내부를 볼 수 있다면 모든 것이 슬로우 모션으로 움직이는 것처럼 보일 것이다. 조지아 주립 대학의 ‘하이퍼 피직스(HyperPhysics)’ 웹사이트에 따르면 시계는 1분을 똑딱거리는 데 100초가 걸린다. 이것은 우주를 여행하는 속도가 빠르면 빠를수록 더 천천히 노화된다는 것을 의미한다.

‘E=mc^2’ 방정식 입자물리학에서 실제 적용

아인슈타인의 유명한 방정식 ‘E=mc^2’는 특수 상대성이론으로부터 비롯된 수학 공식이다.

이 방정식은 이전에 완전히 별개라고 믿었던 두 가지 물리적 매개변수인 질량(m)과 에너지(E)의 등가를 새롭게 설명하고 있다.

이 방정식에 따르면 질량과 에너지가 다른 것이 아니라 본질적으로 같은 것이다. 이것은 물체가 더 빨리 움직일수록 더 많은 에너지를 얻기 때문에 질량을 얻는다는 것을 의미한다. 그것은 또한 불활성의 정지된 물체라 할지라도 그 내부에 엄청난 양의 에너지가 잠겨 있다는 것을 의미한다.

처음 발표될 당신 놀라운 아이디어였던 이 개념은 지금 고에너지 입자 물리학의 세계에서 실제 적용되고 있다. 유럽원자​​핵 공동연구소(CERN)에 따르면 에너지가 충분한 입자가 함께 부서지면 충돌 에너지가 추가 입자의 형태로 새로운 물질을 생성할 수 있다.

레이저는 아인슈타인이 제시한 개념

21세기 들어 레이저는 없어서는 안 될 중요한 기술이다. 바코드 판독기, 홀로그램, 광섬유 통신 등에 이르기까지 다양한 분야에서 핵심 기술로 사용되고 있다.

레이저 기술을 개발하는데 아인슈타인이 직접적으로 관여하지 않았다. 그러나 레이저를 가능하게 하는 데 있어 그의 아이디어가 중요한 역할을 했다. 1959년에 탄생한 레이저(LASOR)라는 단어는 ‘방사선의 유도 방출복사에 의한 광 증폭(light amplification by stimulated emission of radiation)’의 약자인데 미국 물리학회에 따르면 아인슈타인이 40여 년 전에 제시한 개념이다.

아인슈타인의 장 방정식을 기반으로 한 ‘웜홀’

아인슈타인의 특수 상대성이론은 중력장이 시‧공간이 없을 때도 꽤 이상한 일을 할 수 있음을 보여주었다.

그러나 그것은 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서 마침내 혼합물에 중력을 추가하는 데 성공했을 때 발견한 것처럼 빙산의 일각에 불과했다. 1935년 아인슈타인과 네이선 로젠(Nathan Rosen)은 시‧공간의 한 지점에서 다른 지점으로 가는 지름길의 가능성을 설명했다.

이를 아인슈타인-로젠 다리(Einstein-Rosen bridges)라고 하는데 이 다리는 지금 웜홀(wormholes)이라는 더 친숙한 이름으로 공상과학 소설의 모든 팬에게 알려져 있다. 웜홀은 블랙홀(black hole)과 화이트홀(white hole)로 연결된 우주 내의 통로를 말한다. 시‧공간의 이질적인 지점을 연결하는 추측 구조인 웜홀은 아인슈타인 장 방정식의 특수 솔루션을 기반으로 한다.

이론적으로 웜홀은 10억 광년과 같은 매우 먼 거리 또는 몇 미터와 같은 짧은 거리, 또는 다른 시점 또는 다른 우주를 연결할 수 있다. 1995년 맷 비서(Matt Visser)는 초기 우주에서 음의 질량을 가진 우주 끈이 생성된다면 우주에 많은 웜홀이 있을 수 있다고 제안한 바 있다.

우주상수와 팽창하는 우주

상대성이론은 특수상대성이론과 일반상대성이론을 합친 것을 뜻한다.

전자는 아주 빠른 속도로 운동하는 물체의 운동학(kinematics)에 대한 내용을, 후자는 아주 무거운 물체가 주위에 미치는 힘을 다루는 동역학(dynamics)의 영역을 다루고 있다.

특수상대성이론은 아인슈타인의 1905년 논문 ‘움직이는 물체의 전기역학에 대하여’와 ‘물체의 관성은 에너지에 관련되어 있는가?’에서 발표된 것으로, 일반상대론은 1915년에 프러시아 과학 아카데미에서 중력장 방정식을 발표한 것으로 기준을 삼고 있다.

1915년 아인슈타인이 일반 상대성이론을 통해 첫 번째로 한 작업 중 하나는 이 방정식을 우주 전체에 적용하는 것이었다.

아인슈타인은 우주는 변하지 않는다는 것을 믿으며 자신의 이론을 전개해나갔다. 수축되거나 팽창도 붕괴도 하지 않는 우주를 설명하려고 방정식에 우주상수를 추가했다. 그러나 결과는 예측대로 되지 않았다.

우주 상수가 없을 때 속도가 마땅히 느려져야 하는데 실제로는 빨라지고 있었다. 1929년 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 다른 은하계를 관찰한 결과에서는 우주가 팽창하고 있음이 밝혀졌다. 그러나 우주상수를 제외하면 나머지 방정식은 우주팽창의 원인을 잘 설명해주고 있다. 최근 과학자들은 암흑에너지, 암흑물질, 우주상수와의 상관관계를 연구 중이다.

중력파와 아인슈타인

아인슈타인은 1955년에 사망했지만, 그의 거대한 과학적 유산은 21세기에도 계속 헤드라인을 장식하고 있다.

2016년 2월 중력파 발견은 일반 상대성이론의 또 다른 결과다. 중력파는 시공간의 구조를 통해 전파되는 작은 잔물결이며, 종종 아인슈타인이 그 존재를 ‘예측(predicted)’했다고 언급되고 있다.

그러나 아인슈타인은 중력파가 자신의 이론에 의해 예측되거나 배제되었는지 여부를 결정하지 않았다. 천문학자들은 이 문제를 어떤 식으로든 결정짓는 데 수십 년의 노력이 필요했고, 아인슈타인과의 관련성을 이야기하고 있다.

아인슈타인의 핵분열 물리학과 원자폭탄

1945년 미국 뉴멕시코 주 앨러모고도에서 첫 번째 원자폭탄 실험이 이루어졌다.

이 실험은 아인슈타인은 ‘E = mc^2’ 방정식을 통해 이루어졌다고 알려져 있으나 막스 플랑크 중력물리학 연구소의 ‘아인슈타인 웹사이트’에 따르면 둘 사이의 연결 고리는 미약하다.

아인슈타인은 핵 실험에 직접 관여하지 않았고 관심을 가졌던 것은 핵분열 물리학이었을 뿐이다. 그럼에도 불구하고 아인슈타인이 원자폭탄 개발에 결정적인 역할을 한 것은 분명하다. 1939년에 그는 많은 동료들에게 핵분열의 가능성과 나치 독일이 그러한 무기를 획득할 경우 일어날 공포에 대해 경고한 바 있다.

결국 그는 미국 루즈벨트 대통령에게 이런 우려 사항을 우려하는 편지를 발송하도록 설득됐다. 아인슈타인의 편지의 최종 결과는 제2차 세계대전이 끝날 무렵 일본에 투하된 원자폭탄을 만든 맨해튼 프로젝트를 수립하는 것이었다.