KISTI의 과학향기

스위스 베른이라는 도시의 특허청에서 근무하던 무명의 젊은 하급관리가 ‘뉴턴(Issac Newton; 1642~1727)’ 이래로 완성되어 왔던 근대 고전역학의 틀을 완전히 바꿀만한 혁신적인 물리학 논문을 발표한 것은 1905년의 일이었다.대학 교수도 아니고 그렇다고 저명한 연구소에 근무했던 것도 아닌, 평범한 일개 특허청 직원이 밝힌 새로운 이론이 바로 그 유명한 ‘상대성 이론(Theory of relativity)’이며, 발표자인 젊은이가 바로 ‘알베르트 아인슈타인(Albert Einstein; 1879-1955)’이다. 상대성원리를 갈릴레이가 처음 발견했다?

아인슈타인은 이 해에 상대성 이론뿐 아니라, 광량자 가설 등 훗날 물리학의 발전에 커다란 영향을 미친 중요한 논문들을 여럿 발표하였는데, 아인슈타인의 위대한 업적 등을 기리는 의미에서 꼭 100년째가 되는 내년도를 ‘물리학의 해’로 하기로 세계적으로 결정한 바 있다.

물리학이나 과학을 잘 모르는 사람들도 ‘상대성 이론’하면 누구나 아인슈타인을 먼저 떠올리게 될 정도로, 상대성 이론은 다른 물리학 이론과는 달리 대중들에게도 널리 알려져 있다. 비슷한 시기인 20세기 초에 형성된 이론으로서, 상대성 이론 만큼이나 물리학에 혁명적인 변화를 몰고 온 양자역학(Quantum mechanics)이 그 중요성에도 불구하고 대중들에게 별로 인기를 끌지 못하고 있는 것과는 매우 대조적이다. 아마도 양자역학은 플랑크(M. Planck)로부터 시작하여 하이젠베르크(W. Heisenberg), 슈뢰딩거(E. Schrodinger), 디랙(P.A. Dirac) 등 수많은 물리학자들의 여러 이론과 노력에 힘입어 완성된 데에 비하여, 상대성 이론은 아인슈타인 한 사람의 천재성에 의존하여 만들어졌다는 데에 그 이유가 있지 않은가 생각된다.

그런데 상대성 이론, 특히 일반 상대성 이론은 특유의 난해함으로 인하여 알려진 명성에 비하여 정확하게 이해되지 않은 측면이 많으며, 또한 그 명성만큼이나 대중들의 오해를 자주 불러일으킨 이론이기도 하다. 상대성 이론의 진정한 의미가 무엇인지, 또한 잘못 이해되어왔던 것들은 무엇인지 잘 살펴보는 것도 중요할 듯하다.

먼저 놀랍게도, 상대성 이론, 혹은 운동의 상대성 원리를 처음으로 발견한 과학자는 아인슈타인이 아니라 ‘근대 과학의 아버지’라 불리는 갈릴레이(Galileo Galilei; 1564-1642)이다. 즉 물체의 낙하법칙을 밝히고 근대적 역학의 기초를 세운 갈릴레이는, 정지한 상태에서 보는 운동과 움직이는 상태에서 관찰하는 운동의 관계 등을 기술하는 운동의 상대성 원리를 알아 내었던 것이다. 그러나 훗날인 19세기 이후, 맥스월(James C. Maxwell) 등에 의해 전기 및 자기의 성질, 전자기파의 실체 등을 설명하는 전자기학(Electromagnetism)이 발전한 후로는, 갈릴레이, 뉴턴의 고전역학과 전자기학 사이에 제대로 설명되지 않는 모순이 있는 것처럼 보여 졌다. 아인슈타인의 상대성 이론은 바로 이러한 문제를 해결하고, 역학과 전자기학을 하나의 통일된 체계로 기술하면서 운동의 상대성 원리가 잘 적용되도록 한 것이다.

상대성이론은 상대적인 이론이 아니다.

그런데 상대성 이론은 그 말처럼 그저 ‘상대적인’ 이론이 결코 아니다.

일부 대중들은 관측된 계에 따라서 길이와 시간이 달라 보인다는 것을 잘못 해석하여, 관측하는 사람의 주관에 의하여 물리법칙이 달라지거나 모든 것이 상대적인 뿐이라고 오해하는 경우가 많은데, 전혀 그렇지 않다. 도리어 상대성 이론의 핵심은 ‘모든 물리법칙은 관측하는 사람의 상태와 무관하게 같다’라는 것으로서, 즉 정지한 상태의 관찰자건, 등속 혹은 가속도로 운동하는 상태의 관찰자건, 동일한 물리법칙이 적용된다는 점을 보여준다. 따라서 우주 어디에서나 물리법칙은 바뀌지 않으므로, 상대성 이론이라 해서 절대성에 가까운 보편적인 원리가 없는 것은 결코 아니다 이런 측면을 고려하여, 상대성 이론을 우리말로는 ‘연관성 이론’이라 번역하는 것이 더 타당하지 않느냐고 주장하는 물리학자도 있다.

그리고 상대성 이론의 유명한 공식, 즉 E=mc² 이라는 질량-에너지 등가 원리도 관측계와 무관하게 물리법칙이 동일함(Invariant)을 증명하는 과정에서 나온 일종의 ‘부산물’이며, 그 자체가 상대성 이론의 본 목적이거나 가장 중요한 내용은 아니었다. 이 공식에 대해서도 오해가 적지 않은데, 그 의미를 “질량이 없어지면서 에너지로 변환되고, 역으로 에너지가 뭉치면 그것이 다시 질량으로 바뀐다.”라는 식으로 생각하는 사람들이 대부분일 것이다. 그러나 이것 역시 좀 잘못된 이해이다. 즉 에너지와 질량을 각각 전혀 별개의 실체로 놓고, 양자가 서로 바뀌는 것으로 간주하기보다는, “질량은 곧 에너지의 또 다른 표현이다.”라는 식으로 표현하는 것이 훨씬 적절하다. 다시 말하면, 이 공식은 질량이나 에너지나 그 본질이 다를 바가 없는, ‘등가물’이라는 것을 보여준다.



상대성 이론 및 아인슈타인을 둘러싸고 이밖에도 여러 가지 오해가 있으나, 구체적인 것을 다 밝히기는 어려울 듯하니, 독자 여러분은 질량-에너지 등가 원리의 정확한 의미와 “상대성 이론은 상대적인 이론이 아니라는” 것만큼은 오해가 없었으면 한다. 최근에 각광받는 물리학 이론 중의 하나로서, 복잡계를 설명하는 이른바 ‘카오스 이론(Chaos theory; 혼돈 이론)’이 그저 ‘혼돈스러운’ 이론이 아닌 것과 마찬가지이다.

2005년 세계 물리학의 해를 맞아서, 물리학이라면 진절머리를 쳤던 분들이라도 난해한 이론까지는 아니더라도 대략의 내용과 그 의미 정도는 제대로 알아 두는 것이 좋지 않을까? (최성우 - 한국과학기술인연합 운영위원)