아직도 100년 전 아인슈타인의 숙제를 풀고 있는 과학자들 ㄷㄷ

안슈타인이 한 강연장에서 질문을 받게 돼요. 
만약에 당시 에딩턴이 객일식 관측에서 안슈타인 당신의 이론을 검증하지 못했다면 생각이 어땠을 것 같냐 이제 이런 질문을 합니다. 
아마 나는 그랬다면 안녕하세요 우주 먼지 저타임즈라는 채널을 통해서 많은 분들께 천문학과 우주 이야기를 들려드리고 있는 우주 먼지 지웅배입니다. 
현재 연세대학교 은하 진화 연구센터에서 은하들의 진화를 함께 연구하고 있습니다.

과학 역사 속에서 기억해야 할 혁명적인 발견들은 굉장히 많이 있었습니다. 
과학에서의 혁명이 대체 무엇일까 과학적 패러다임이 전환된다는 것이 대체 무엇일까를 고민해 보면 이렇게 정의할 수 있을 것 과거에는 구분했던 것을 더 이상 구분하지 않게 되는 것 그것이 진정한 과학의 혁명이라고 생각을. 
오늘 제가 소개해 드릴 아인슈타인은 마찬가지로 옛날에는 시간과 공간이 별개라고 생각했어요.

시간은 그냥 손목 시계에서 바늘이 움직이고 그냥 하염없이 흘러가는 어떤 존재고, 공간도 우리가 그냥 살고 있는 우주 무대일 뿐이다라고 생각을 한 거죠. 
하지만 아인슈타인의 상대성 이론은 시간과 공간 역시 구분되지 않는다. 
둘 모두 시공간으로 엮여 있는 하나의 존재라는 것을 발견하게 되는 겁니다. 
아인슈타인의 가장 대단한 업적은 중력이란 그 미지의 힘의 본질에 가장 가깝게 다가간 것이 큰 발견이라고 생각을 합니다.

현대 20세기에 살았던 다빈치라고 할 만큼 너무나 방대한 물리학 분야에 큰 족적을 남겼기 때문에 굉장히 대단한 인물이라고 생각을 해요. 
단순히 중력만 연구하는 것이 아니라 중력도 연구하고 빚도 연구하고, 심지어 작은 입자들의 움직임도 연구하고 너무나 방대한 것들을 다루었기 때문에 저는 20세기 다빈치라고 해도 과언이 아닐 거라고 생각을 합니다. 
여기서 그러면 그 유명한 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 어떻게 왜 나오게 되었는지를 한번 따져보도록 하겠습니다.

사실 제가 오늘 좀 편집자분께 죄송하지만 욕심을 내서 딱 오늘 이 영상만 보면 다른 그 어떤 과학 유튜브 영상보다도 정확하게 일반 상대성 이론의 배경과 역사를 이해할 수 있도록 제가 한번 준비를 해봤거든요. 
많은 분들이 아인슈타인의 상대성 이론이 중력 대부분의 시공간이 휘고 어쩌고 하는 거 알고 있지만, 정작 왜 그 고민을 했는지는 잘 몰라요. 
그 고민을 왜 하게 되었는지부터 말씀을 드릴

천문학자들이 태양계 행성들을 하나하나 관측을 하면서 과거에는 몰랐던 이상한 문제를 하나 발견하게 됩니다. 
바로 태양계 첫 번째 행성 수성의 궤도였어요. 
이제 프랑스의 수학자 위르뱅 르베리에가 수성의 궤도를 관측을 하는데, 무려 1801년부터 1840년까지 엄청난 관측 데이터를 바탕으로 쭉 궤도를 분석합니다. 
그런데 뭘 발견하게 되냐면 이 빨간 걸 태양이라고 하고, 파란 걸 수성이라고 해볼게요.

수성은 태양에 가장 가까운 행성이어서 굉장히 크게 찌그러진 타원 궤도를 그리고 있습니다. 
근데 이 타원 궤도가 그냥 계속 일정하게 유지가 되고 있는 것이 아니라, 타원 궤도 자체가 각도가 계속 변하고 있는 거예요. 
이게 왜 그러지? 굉장히 미세한 각도 차이였죠 이게 얼마나 작은 차이였냐면 당시 관측을 해보니까 100년 동안 각도가 틀어지는 정도가 5,600초 정도였습니다.

각도로 3600초가 1도예요. 100년 동안 5,600초의 각도로 미세하게 틀어진다는 건 100년이 지나도 2도도 안 되는 미세한 각도로 수성의 궤도가 틀어지고 있었다는 당시 천문학자들은 이걸 뭐라고 생각을 했었느냐면 수성 말고도 주변에 금성도 있고, 지구도 있고, 멀리 뚱뚱한 목성도 있으니까 태양계를 같이 돌고 있는 다른 행성들이 가끔씩 수성 곁을 지나가면서 중력적으로 얘를 간섭해서 그런 게 아닐까 그래서 궤도가 조금 틀어지고 있는 게 아닐까 이런 생각을 합니다. 
그리고 위르뱅 르베리에는 이거를 한번 계산을 해봤습니다.

그런데 아무리 다른 행성들의 효과를 다 고려를 해도 100년 동안 43초의 아주 미세한 각도 변화는 도무지 다른 행성을 써도 설명할 수가 없는 거죠. 
당시 천문학자들이 어떤 생각도 하게 되냐면 아, 이거 혹시 수성 궤도보다 더 안쪽에 아직 발견 못한 또 다른 행성이 있어서 그런 거 아니야? 라고도 생각을 합니다. 
그리고 한동안 이 미지 행성을 뭐라고 불렀냐면, 수성보다 더 태양계 안쪽에 있으니까 엄청 뜨겁겠죠

신화 속에 대장장이의 신 벌칸의 이름을 붙여서 이 가상의 행성을 벌칸이라고 불렀습니다. 
아무리 벌칸 행성을 찾아보려고 했지만 못 찾았죠. 
그렇다면 추가 행성 없이 대체 어떻게 여전히 미세하게 틀어지고 있는 수성의 타원 궤도를 어떻게 설명할 수 있을까 바로 이걸 고민했던 게 아인슈타인이었습니다. 
아인슈타인은 1915년, 상대성 이론을 적용해서 수성의 궤도를 설명할 수 있다는 아주 역사적인 논문을 발표하게 되죠. 
그러면 아인슈타인의 상대성 이론이 어떻게

수성의 궤도를 설명할 수 있었는지, 이번엔 아인슈타인의 머릿속으로 한번 들어가 보겠습니다. 
아인슈타인에 살던 당시는 이제 막 고층 빌딩이 지어지고 있던 시기였거든요. 
건물마다 엘리베이터가 막 지어지고 있던 시기였습니다. 
자연스럽게 엘리베이터를 활용한 재미있는 사고 실험을 하나 떠올리게 되죠. 
여러분이 미워서 엘리베이터에 가둬 놓고 여러분을 괴롭히고 있다고 생각을 해볼게요. 
이 엘리베이터는 창문이 없습니다.

만약에 엘리베이터가 평범한 지구 위에 얹어져 있다면 여러분들은 바깥은 볼 수 없겠지만 여러분의 체중, 몸을 붙잡고 있는 지구의 중력을 통해서 아, 내가 지구 위에 있나 보다라고는 느낄 수 있을 거예요. 
그런데 제가 여러분을 더 괴롭히고 싶어서 이 엘리베이터를 들고 우주로 날아갑니다. 
만약에 우주 공간에 엘리베이터를 그냥 가만히 내버려 두면 여러분은 순식간에 무중력의 상태 둥둥 떠다니게 되겠죠 내가 지금 지구 바깥 우주 공간에 있나 봐 라는 걸 알 수 있을 거.

제가 이 엘리베이터를 빠르게 위로 가속시키면서 올라간다고 생각을 해보겠습니다. 
둥둥 떠 있던 여러분들의 몸을 빠르게 엘리베이터 바닥이 떠받치고 올라가게 될 거예요. 
그러면 순간 여러분들은 바닥을 향해서 체중이 꽉 실리는 느낌을 받게 되겠죠 만약에 제가 이 가속도를 절묘하게 조절만 할 수 있다면 여러분들은 실제 지구 위에 있기 때문에 중력을 느끼는 것 같다는 착각을 할 수 있습니다.

바로 여기서 아인슈타인은 중력은 내가 진짜 지구 위에 있기 때문에 느끼는 중력과 내가 사실은 지구가 없지만 우주 공간에서 빠르게 이동하면서 바닥이 나를 떠받치고 있는 힘을 구분할 수 없구나 라고 하는 걸 알게 되는 거예요. 
물리학에서 엘리베이터가 떠받치고 올라갈 때 제가 자꾸 저항하려고 하는 힘 이걸 뭐라고 하냐면 관성이라고 합니다. 
여러분들 가만히 정차하고 있던 버스가 갑자기 가속 페달을 밟고 무항 움직이면

의자 쪽으로 몸이 쏠리잖아요. 그때 의자가 내 머리를 떠받치는 느낌을 받게 돼요. 
똑같이 이것도 관성이라고 부르는데 방금 말씀드린 안슈타인의 발견을 뭐라고 정리할 수 있냐면 중력과 관성력은 동일하다라고 정의를 할 수 있습니다. 
아인슈타인은 이걸 더 확장시켜서 어떤 생각을 하게 되냐면 오케이 그러면 엘리베이터 안에서 공을 던져보자 공을 던지면 내가 지구에 있는지 우주에 있는지 알 수 있지 않을까라고 생각을 해보는 거죠.

재밌게도 제가 만약 지구에 있는 엘리베이터에서 공을 던지면 지구 중력이 공을 잡아당기고 있으니까 포물선을 그리면서 아래로 떨어질 것 이번엔 위로 가속되는 엘리베이터 속에서 공을 날려보겠습니다. 
공 자체는 우주 공간에 떠 있으니까 그냥 일직선으로 날아가려고 합니다. 
그런데 엘리베이터 바닥이 위로 올라오고 있죠 그러면 그 안에 타고 있는 제가 봤을 땐 마치 공이 엘리베이터 바닥을 향해 꼬꾸라지는 것처럼 보이게 될

마찬가지로 아무리 제가 공을 던져봤자 내가 진짜 지구에 있는 건지, 위로 빠르게 가속되는 우주 엘리베이터에 있는 건지 알 수가 없다는 거죠. 
마지막으로 바로 여기에서 우리가 어떻게 정리해 볼 수 있냐면 결국에 아인슈타인이 얘기했던 이 원리는 단순히 중력과 관성력이 똑같다를 넘어서서 중력이 작용하는 세계에서의 물리적 현상, 관성력만 작용하는 세계에서의 물리적인 현상은 본질적으로 똑같이 벌어진다라고 하는 것을 이야기를 하는

우리가 이걸 뭐라고 하냐면 아인슈타인의 강한 등가 원리라고 부릅니다. 
잘 기억하세요 등과 원리의 진짜 의미는 중력이 작용하는 세계에서 벌어지는 물리 현상과 관성력만 작용하는 세계에서 벌어지는 물리 현상이 본질적으로 똑같다는 거 이번에 엘리베이터 안에서 램프를 켰는데 우주 엘리베이터에서 켜보겠습니다.

아주 빠르게 가속되는 엘리베이터 안에서 똑같이 램프를 켜면 빗줄기는 우주 공간에 대해서 일직선으로 날아가려고 할 거예요. 
그런데 똑같이 엘리베이터 바닥이 빠르게 올라오고 있죠 그 안에 타고 있는 제가 봤을 때 아까 공과 마찬가지로 빗줄기가 엘리베이터 바닥 쪽으로 고꾸라지는 것처럼 느껴지게 될 겁니다. 
아까 제가 뭐라고 했죠? 아인슈타인의 등가원리란 관성력만 작용하는 세계에서의 벌어지는 현상과 중력만 작용하는 세계에서 벌어지는 물리적 현상이 똑같다는 거라고 했어요.

바로 빠르게 올라가는 엘리베이터 안에서 빗줄기가 쉴 수 있다면, 중력이 작용하는 세계에서도 빗줄기가 쉴 수 있다는 걸 이야기를 하는 거죠. 
그래서 바로 안슈타인은 중력은 빛을 쉴 수 있다 라고 하는 걸 발견하게 되는 겁니다. 
아인슈타인이 이야기한 당시 생각으로는 말도 안 되는 이 중력 때문에 비칠 수 있다는 걸 어떻게 확인을 할 수 있을까요?

중력이 엄청 강한 천체 주변에서 우리가 확인을 해볼 수 있겠죠 여기 빨간 공을 다시 태양이라고 하겠습니다. 
그리고 이 파란 공을 지구라고 해볼게요. 
또 다른 파란 공을 태양에서 멀리 떨어진 다른 배경 별이라고 생각을 해보겠습니다. 
만약에 별이 지구에서 봤을 때 태양 등 뒤에 숨어 있다면 그리고 이 빛이 그냥 곱게만 날아오고 있다면 아무리 별빛이 날아와도 우리는 태양 뒤에 숨어 있는 별을 볼 수 없을 거예요. 
그런데 안인슈타인의 예측에 따르면 태양 정도로 육중한 천체는 주변을 지나가는 별빛의 경로를 휘어서 이렇게 날아올 수 있

원래는 태양에 가려져서 보이지 말았어야 할 별빛이 마치 이상한 방향에 있는 것처럼 다른 쪽에 있는 것처럼 허상이 보이게 되는 거예요. 
여러분들 이미지를 하나 제가 좀 떠올려볼 수 있게 영화 한 장면을 소개를 드리면 안젤리나 졸리 나왔던 원티드 영화 있잖아요 그 영화에서 명장면 중에 하나가 이제 주인공이 훈련 받을 때 안질리나 졸리 세워놓고 총을 팡 휘어 싸가지고 총알이 이렇게 휘어서 간역에 맞는 장면이 있어요. 
정확히 그것과 같습니다.

여러분들이 과녁이고 별빛이 그 총알인 거예요. 
만약에 그 총알이 튀지 않았다면 아무리 빗줄기 총알이 날아와 봤자 우리는 안질리나 졸리에 가로막혀서 총알을 볼 수 없을 그런데 총알이 휘어서 날아오기 때문에 총알은 졸리를 피해서 우리에게 날아올 수 있는 거죠. 
바로 이러한 현상을 뭐라고 하냐면 중력 자체가 빛의 경로를 휘게 하는 렌즈 역할을 한다고 해서 중력 렌즈라고 부릅니다. 
그러면 정말 태양이 자신의 육중한 중력으로 주변의 빛을 휘게하고 있는지 확인해 보면 되겠죠

그래서 천문학자들은 밝은 태양이 떠있는 낮 하늘에서 태양과 같은 방향에 보이는 별을 관측하기로 합니다. 
그런데 문제가 있죠. 태양은 너무 밝아요. 
대낮에 그 밝게 빛나는 태양 바로 옆에 보이는 별을 관측한다는 건 불가능하죠. 
하지만 트릭이 있습니다. 바로 달이 태양 앞을 싹 가리고 지나가면서 태양만 가려주는 계기 일색이 있습니다.

그래서 천문학자들은 마침 1919년 5월 남미와 아프리카 대륙을 가로질러서 개기의식이 벌어지는 기회를 놓치지 않고 이때 원정대를 보냅니다. 
그래서 이 프로젝트를 진행했던 천문학자가 아소 에딩턴이라고 하는 천문학자거든요. 
그래서 에딩턴이 보냈던 두 원정대가 각각 남미와 아프리카 대륙에서 일식을 관측을 하고, 별들이 정말 다르게 보이는지를 비교를 하는 아인슈타인의 예측에 따르면, 그 별빛이 보이는 자리가 대략 1, 74초 정도

각도로 달라져 있어야 합니다. 실제 확인한 값은 어땠을까요? 놀랍게도 1.6에서 1.9초 정도가 바로 이 역사적인 개기일식 관측을 통해서 에딩터는 안슈타인이 이야기했던 중력 때문에 빛이 휠 수 있다라고 하는 것을 검증했고, 덕분에 바로 안슈타인이 대중적으로 유명한 물리학자가 되었던 1919년도에 에딩턴의 검증이 있고 나서 아인슈타인이 한 강연장에서 질문을 받게 되어 당시 그 강연장에 있던 학생인지 기자인지 어떤 분이 이런 질문을 했다고 알려져 있는데,

만약에 당시 에딩턴이 객일식 관측에서 안슈타인 당신의 이론을 검증하지 못했다면 생각이 어땠을 것 같냐 이제 이런 질문을 합니다. 
안슈타인다운 아주 쿨한 답변을 하게 되는데요 아마 나는 그랬다면 나는 그 에딩턴이 되게 불쌍했을 것 같다 왜냐하면 내 이론은 맞을 테니까 확인을 못한 에딩턴이 좀 안타까웠을 것 같다 이런 이야기를 했던 것으로 알려져 있습니다.

정말 물리학자만의 플렉스라고 생각을 합니다. 
무거운 천체 주변 중력에 의해서 빛의 경로가 휠 수 있다면 똑같이 빛의 굴절을 가지고 설명할 수 있지 않을까 라고 고민을 해보는 거예요. 
근데 문제가 있습니다. 우주 공간에 매질이 없어요. 
공기도 없고 물도 없죠. 그 어떤 물질도 없습니다. 
즉 빛의 속도가 변할 리가 없는 거예요. 
그러면 광속은 불변인데 어떻게 해서 경로가 쉴 수 있을 속도는 변하지 않지만 속도가 변하는 것처럼 효과를 만들려면 한 가지 방법이 있습니다.

시간이 흐르는 속도가 달라지면 돼요. 
시간 자체가 느리게 흘러가면 무거운 천체 주변을 지나갈 때 쭉 빠르게 날아오다가 느려지고 휘어지는 거죠. 
즉 아인슈타인은 빛은 항상 시공간을 따라 곧게 직진하지만 그 시공간 자체가 왜곡되고 휘어 있기 때문에 복류를 따라 빛이 날아가면서 휘어지는 것이다 라고 발견을 하게 되는 이게 굉장히 대단한 발견인 게 여기서 이제 중력의 본질에 다가가게 되거든요. 
제가 한번 농구공을 가지고 설명을 해보겠습니다.

지구처럼 둥근 공 위에 두 사람이 적도에 딱 서 있습니다. 
각자 극지방을 향해서 곱게 이동하는 거예요 일직선으로. 
그러면 이 사람도 적도부터 극지방까지 일직선으로 이동하 이 사람도 극지방까지 일직선으로 이동해요. 
둘 사이에 서로 잡아당긴다거나 어떤 끈이 연결됐다거나 한 게 아니죠. 
그런데 이 공을 볼 수 없다고 생각하고 똑같이 제가 손을 움직여 보겠습니다. 
적도에 있던 이 사람은 복류를 따라 직진으로 올라갔고요 이 사람도 복류를 따라 직진으로 올라갔어요. 
그럼 얼핏 보면 어떻게 보이죠? 점점 둘 사이가 가까워지는 것처럼 보다

마치 둘 사이에 잡아당기는 힘이 있어서 점점 가까워지는 것처럼 보인다는 거예요. 
즉 아슈타인은 중력을 어떻게 해석하게 되냐면 어떤 신비로운 힘이 있어서 정말 무언가 우리를 잡아당기고 있는 게 아니라 단지 육중한 천체가 주변에 왜곡시켜놓은 움푹한 시공간의 공유를 따라 여러 물체가 그냥 일직선으로 흘러갈 뿐이다 그것이 마치 중력이 작용하는 것처럼 보일 뿐이다 라는 걸 발견을 하게 되는 거예요.

그래서 아인슈타인의 중력은 바로 시공간의 공률이다라는 발견을 하게 되었던 거죠. 
육중한 천체 주변에서는 시간이 느리게 흘러간다 시공간이 많이 왜곡되어 있다고 했잖 영화 인터스텔라 같은 거 보시면 블랙홀 같은 육중한 천체 주변에서는 중력이 강한 만큼 시간이 느리게 흘러가고요 바깥에 살고 있는 지구에서는 훨씬 시간이 빠르게 흘러가고 이런 것들이 가능한 거죠. 
실제로 이 현상은 지구 정도에서도 벌어지고 있습니다.

지상에 살고 있는 우리보다 아주 높은 고도 지구에서 멀리 벗어나서 빙글빙글 돌고 있는 인공위성들도 미세하지만 상대성 이론의 효과를 계속 당하고 있습니다. 
만약에 우리가 상대성 이론의 효과를 고려하지 않고 인공위성 gps 데이터를 쓰면 며칠 만에 우리 gps는 수km의 오차를 얻게 됩니다. 
이미 여러분들이 쓰고 있는 스마트폰의 길 찾기, 어플, 내비게이션 다 우리도 알게 모르게 매일매일 상대성 이론을 쓰면서 살고 있는 거죠.

그래서 하나 제가 재미삼아 말씀을 드리면, 지표면에 있을수록 지구의 중력을 더 강하게 느낄 거고, 고층 빌딩 꼭대기에 살수록 지구의 중력을 미세하게나마 좀 약하게 느낄 거 아니에요 그러면 상대성 이런 관점에서 보면 1층에 사는 사람은 시간이 조금 더 느리게 흘러갈 거고, 꼭대기층에 사는 사람은 시간이 조금 빠르게 흘러갈 겁니다. 
나는 24시간이 모자라다 좀 더 오랫동안 시간을 누리고 싶다고 하신다면 저층에서 사시는 걸 추천드리겠습니다. 
물론 시끌만큼의 차이긴 하겠지만 아주 큰 차이는 아닐 겁니다.

21세기 첫 문학을 하나로 요약한다면 아인슈타인이 남겨준 숙제를 하나하나 해 나가는 과정이 바로 21세기의 과학이 아닐까라고 생각이 들곤 하는데 다만 한 가지 지금 생각이 나는 건 안슈타인이 남긴 숙제는 아니지만 안슈타인조차 해결하지 못했던 과제가 남아 있는 것 같아요. 
안슈타인은 말년에 기존의 양자 역학적인 물리학과 중력의 물리학을 모두 통합한 대통합 이론을 하나 완성을 하고 싶어 했거든요.

시간과 공간의 벽을 허물었으니까 더 나아가서 거시 세계의 중력 물리학과 아주 미시 세계 양조역학 물리학의 벽도 허물고 싶었던 그런데 안타깝게도 안슈타임 본인도 그것을 허물지 못하고 세상을 떠난 거죠. 
아직까지 유훈을 이어받아서 대통일 이론을 계속 연구하시는 분들도 적지 않습니다. 
저는 이 중력파가 발견된 걸 보면서 이런 생각을 하게 되었는데요. 
흔히 과학의 발견은 과학적 패러다임만 바꾸고 있다라고 생각을 하잖아요.

근데 저는 과학적 패러다임의 전환은 단순히 과학의 틀 안에서만 갇혀 있는 게 아니라 우리가 우주 세상을 바라보는 관점 자체를 바꾸기 때문에 음악 교과서가 됐든 문학 교과서가 됐든지 다양한 분야까지 바꿀 수 있다고 생각을 합니다. 
예를 들면 전 이 얘기를 한번 해보고 싶은데 중력파가 발견되기 전까지는 중력을 보다라는 문장은 시적인 문장이었을 겁니다.

그런데중력파가 발견되고 우리가 실제 검출기를 통해서 중력파를 관측하고 중력파의 떨림을 볼 수 있게 되면서 중력파를 본다, 중력을 본다라고 하는 건 더 이상 이상한 표현이 아니게 된 거예요. 
이제 우리 미래의 후손들은 중력을 보다라는 문장을 딱 배웠을 때 시적이지도 않고 공감각적이지도 않은 지극히 당연한 표현이 될 수 있다는 거죠.