아인슈타인의 발상 전환

 

 

 

 

. 아인슈타인의 놀라운 발상 전환


인류의 놀라운 발전은 발상 전환 하에서 대부분이 이루워 졌습니다.

 기존 패러다임을 바꾸어 다시 생각해 보는 것이지요. 뉴튼이 그랬고 코페르니쿠스가 그랬으며, 갈릴레오 갈릴레이가 그랬습니다.  이외에도 발상 전환의 대표적 인물을 꼽아 보자면 , 진화설의 기원을 파헤친 다윈과 불확정성 원리를 해결한 하이델베르크 , 전자기력의 비밀의 문을 연 패러데이와 맥스웰 그리고 무한 개념의 개념을 정립한 칸토어와 '불완전성 정리'의 괴델 등을 들 수 있겠습니다. 

  이들은 공히 남들이 진리처럼 여겼던 기존의 사실들을 의심하면서 치열한 스터디를 통해 수학적으로 계산해 내거나 고뇌어린 과학적 증명을 위해서 연구에 몰두했었죠.


  결국 키워드는 '발상의 전환'입니다. 아이작 뉴튼은 시간과 공간을 기준으로 빛을 측정하려 했던 것이고, 아인슈타인은 빛은 광속 불변의 원칙이라는 대 원칙에 따라, 그 광속 불변의 빛을  시공간이 절대 축이라 여겼던 뉴튼의 원칙에 문제점을 처음부터 감지해 내고, 원점에서 재 점검해 보자는 마음 자세로 연구에 임했습니다.

  결과적으로 축의 기준점을 근본적으로 바꾸고 고뇌했던 아인슈타인이 옳았습니다. 그러나 뉴튼이 살았던 16세기에 이런 아인슈타인의 생각에 단초를 제공해 주었던 뉴튼의 발상 역시 당시로 보면 희대의 도발자임엔 틀림 없어 보입니다.  그의 발상 전환은 사과의 낙하 모습을 통해서 였습니다.

  아무 것도 없었던 무지의 중세기에서 근대 물질 문명을 태동시켜 유럽 르네상스로부터 근세에 이르기까지 서구 과학자들은 전자기력이란 놀라운 발견을 통해 기계를 발명하게 되고 모든 산업의 기준 축을 발전시켜 나간 큰 흐름을 보이고 있습니다.

  다시 근대에서부터 현대로 넘어가는 현대 물리학에서는 엄밀히 보자면 번개의 발견과 발명에서부터 상대성 이론과 양자역학이 시작되었다고 합니다. 결국 빛에 관한 연구죠.

 진공관에서 번개를 'God' 만이 제조할 줄 알았던 번개를, 우리 인간이 인위적으로 만들기 시작한 것이죠.  거기에서 가로등이 나왔고 무선통신이 시작되었으며 라디오와 TV 레이저와 반도체 ... 결국 컴퓨터와 스마트폰으로 진화를 일궈 왔습니다.

  그런데 번개 이야기를 하다보니  '뮤온'이라는 아주 작은 입자가 있는데, 실험실에서 이 뮤온을 냉각시키면 단 2마이크로초 밖에 견디지 못하고 금세 붕괴해 버립니다.

  그런데 이상한 것은 대기 중에서 번개에서 발견되는 뮤온 입자는 사라지기 전까지 1km 이상을 날아 간다는 것이었습니다.

  그 이유는 바로 뮤온이 빛의 속도에 90% 이상으로 날고 있고, 지구에 있는 우리가 바라볼 때는 뮤온의 시간이 2.6배 정도 늦게 흐르게 된 것입니다.

  사람들 역시 빠르게 움직이는 사람은 더 천천히 늙고, 남이 보기엔 더 오래 사는 것처럼 보일 것입니다.  결국 열심히 뛰면 장수한다는 게 상대성 이론으로도 잘 증명된 셈입니다.

  빛은 달리는 사람이든 정지해 있던 간에 어떤 상황 하에서도 속도가 불변이었고, 변하는 축은 오헤려 우리가 절대적이라고 믿었던 시공간이었던 셈입니다.

  아인슈타인은 특수 상대성과 일반 상대성 이론을 만들었는데, 특수 상대론이란 속도가 변하지 않는 경우에 일어나는 현상을 다루는 것이고, 일반 상대론이란 속도가 변하거나 중력이 있을 때 일어나는 우주의 제 현상을 설명해 줍니다.

  달의 탈출 속도 2.4km/s, 지구의 탈출 속도 11km/s, 목성의 탈출 속도 62km/s 이 속도를 넘어가면 중력을 이겨내고 우주 공간으로 탈출이 가능해 집니다. 자체 중력을 이기는 한계 속도인 셈이죠. 

  그러나 빛의 탈출 속도보다 더 큰 값을 지닌 엄청나게 큰 별이 생기는 경우 결국 블랙홀이 되어 영원히 그 별에서 탈출은 못하게 됩니다.



  물체가 더 이상 압축(붕괴)되지 않고 자기 모양새를 유지하는 이유는 아주 미세한 양자 세계 속에서 같은 전하를 가진 음전기끼리 밀어내는 전자기력 때문인데, 여기에서도 충분한 질량이 모이면 중력이 전기력을 이기고 결국 모든 양성자와 전자를 한 곳으로 밀어 넣습니다.

  태양의 질량이 지금의 3배 이상이 되면, 스스로 압축하여 블랙홀이 될 것이고, 지구도 작게 찌그려 뜨려 지름을 1cm 이하로 만들면, 반경 1cm 반경내의 빛을 빨아 들이는 초미니 블랙홀이 될 것입니다.


  빛의 속도라는 것은 엄밀히 말하면 광자의 속도입니다.  그리고 광자가 초속 30만 킬로미터인 이유는 광자의 질량이 0이기 때문입니다. 

왜??? 속도가 5만도 아니고 15만도 아니고 60만도 아니고 꼭 30만 km/sec이냐고 묻는다면 그건 애초부터 그렇게 정해 졌기 때문이라고 말할 수 밖에 없습니다.

누가 정했든 우주 현실계에선 분명히 절대적인 광속도의 속력인 셈이죠.


  그리고 시공간계에서의 시간은 초속 30만 킬로미터의 속도로 과거에서 미래로 공간에 수직인 축을 따라 이동중에 있습니다.  아마 이 부분을 이해하시기 힘들 겁니다. 이 부분을 이해하셨다면 상대성 이론을 다 이해하셨다고 봐도 될 정도로 ...

  모든 질량을 가진 물체는 시공간에서 시간의 영향을 받습니다.  따라서 물체의 가속도가 광속에 근접할수록 시간이 느려지는 이유는 바로 이 공간에 수직인 축을 따라 이동 중인 시간의 운동에너지가 공간의 이동 에너지로 전환 되었기 때문이죠.
 
 이것을 쉽게 다시 설명하자면, 내 앞을 스쳐 지나는 사람은 그 사람의 걷는 속도로 보이지만, 수직인 시간 축을 따라 정면으로 걸어오거나 반대로 멀어지는 사람은 수직 좌표에서 멈춰있는 것과 같은 이치입니다. 

  즉, 공간이 시간에 대해 직교하는 축이기에 물체가 빠르게 가속할수록 시간축을 따라 이동중이던 운동에너지가 공간을 이동하는 운동에너지로 전환되면서 시간이 천천히 흐르는 겁니다.

  실제 공간에서 가속한다는 것은 시간 축에 있는 운동에너지를 공간 축으로 전환하는 것이기 때문에 산술적으로 물리적인 에너지가 소모되지 않아야 정상입니다. 

하지만 실제로 물체를 가속하려면 에너지가 투입되죠.  그렇다면 그 에너지는 어디로 갈까요?  직교하는 시간축과 공간의 운동 에너지 전환에 투입된 에너지는 질량 형태로 변화하는 것으로 추정됩니다. 

  그래서 물체가 가속하여 광속에 가까워지면 가까워질수록 물체는 점점 질량이 증가해 궁극적으로 무한대에 가까워지죠.  이게 모든 물체가 광속 보다 더 빠른 속도를 낼 수 없는 이유가 됩니다

 

  다시 정리하자면, 특수상대론은 속도가 한계가 있다 란 이론으로 모든 물체는 빛보다 빨리 달릴 수 없다는 것으로 이것을 증명해 낸 공식이 그 유명한 E=mc²입니다. 

  에너지(E)는 질량(m)에 광속(c)의 제곱을 곱한 것인데, 아인슈타인은 에너지와 질량은 서로 상호 변환이 가능한 것으로 보았습니다. 

  상기의 관계식은 물체의 속도가 어째서 빛의 속도를 넘을 수 없는지 보여 줍니다. 

  전자(電子)는 질량이 극히 가벼운 입자인데, 이 전자에 전기 에너지를 주고 가속시킵니다. 

  전자의 속도가 빨라지면 전자의 에너지가 증가하는데 이 증가한 에너지는 E=mc²관계식에서 질량으로 고스란히 저장됩니다.  공식에서 광속은 불변값이기 때문에 질량으로 에너지가 가는 것이죠. 

  전자가 에너지를 받아 이동속도가 빨라질수록 전자의 질량이 증가하는 것인데 전자의 질량이 커지면 가속시키는 에너지도 커져야 합니다.  전자가 광속에 접근할수록 에너지는 무한대로 필요하게 되는거죠. 

그러나 우주에서 무한대의 에너지를 구할 수는 없습니다.  따라서 질량을 가진 어떤 물체도 빛보다 빨리 달릴 수 없다는 결론에 이르게 됩니다.  결국 광자는 질량이 없기 때문에 빛의 속도로 달릴 수 있는 것이구요.

   특수 상대성 이론은 뉴턴의 역학과 맥스웰의 전자기학의 모순을 해결했지만, 여전히 한 가지 문제가 해결되지 않은 채 남아 있었습니다. 

  뉴턴의 중력이론에 의하면 중력의 변화가 전달되는 데 시간이 필요하지 않습니다.  즉 질량이 변하면 바로 중력의 변화가 발생하며, 중력의 변화가 빛보다 빠르게 전달되는 것입니다. 

  그런데 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하면 빛보다 빠른 입자는 있을 수 없으므로 두 이론은 충돌하게 됩니다.  이 문제를 연구에 연구를 거듭한 끝에 아인슈타인은 1915년 일반 상대성 이론을 발표하여 이 모순을 해결하였습니다. 

  일반 상대성 이론은 중력을 설명하는 이론인데, 2011년 9월 중성미자(nutrino)가 빛보다 빠르다는 실험결과가 발표되어 과학계를 경악케 하였지만, 빛보다 빠른 입자가 있다면 특수상대성 이론은 당연히 수정되어야 할 것입니다.  또한 타임머신이 가능해지므로 인과율도 무너지게 됩니다. 결과가 원인을 압도하게 되는 것이지요. 

   그러나 2012년 6월 위 실험결과는 철회되었으며, 아직까지 빛보다 빠른 입자는 발견되지 않고 있습니다.
 

 하지만, 여기서 물체의 질량이 0이라면 어떻게 될까요?  이 질량이 0인 물체는 시간축을 따라 운동하지 않습니다.  대신 공간 축을 따라 시간의 운동에너지 그대로 즉,  초속 30만 킬로미터로 이동하게 됩니다.  물론 이것은 광자에만 해당 되는 것은 아닙니다. 

  아직 가시계를 초월하여 우리에게 발견되지는 않았지만, 중력의 매개입자인 중력자 역시 초속 30만 킬로미터로 이동하는 것으로 추정됩니다. 

 

 태양에서는 양성자 2개와 중성자 2개가 He(헬륨)로 융합되면서 질량을 잃는데, 그것이 바로 태양이 뿜어내는 빛 에너지와 동일합니다. 

  에너지가 질량을 가진 물질로 바뀌고, 반대로 질량의 일부는 에너지로 바뀌어 사라지기도 합니다.  그래서 태양의 핵 안에서는 매초 440만톤의 수소를 태우며 헬륨으로 변하면서, 그 수소 물질에 상응하는 만큼의 엄청난 핵 융합 에너지를 발산합니다.


  전자기력은 전기와 전자를 합친 힘이자 파동을 말합니다. 물리학에서 전자기력이나 전자기파에 관한 연구는 인간이 감지하는 실용적인 학문에서 보자면 거의 전부일 수도 있는 심오한 분야입니다.

 

  사실은 우리가 가만히 있는 것 같아도 우리는 정지하고 있는 것이 아닙니다. 우린 지구 땅에 중력 때문에 바싹 붙어서 같이 운동하고 움직이고 있는 것이지요. 이것은 만일 시속 250km로 움직이는 KTX 열차를 탄 승객이라면, 그 승객은 시속 250km로 달리고 있는 것과 같은 것처럼 말이죠.

 

  그런데 이 지구가 얼마나 빨리 움직이느냐 하면, 지구는 시속 16,000km 이상으로 스스로 자전하고 있으며, 시속 108,000km의 속도로 태양을 중심으로 공전하고, 다시 그 태양은 시속 70만km 이상 속도로 태양의 400만배 이상의 질량을 가진 블랙홀을 축으로 회전하는 은하를 중심축으로 공전하며,  그 은하 역시 250만 km 이상의 속도로 어떤 우주의 축을 중심으로 돌고 있습니다.

 

  온 우주에 중력이 영향을 미치는 않은 공간이 없으며, 그 계 안에서의 축을 중심으로 항상 회전하는 셈이지요. 

  전자기파와 더불어 주목을 끄는 신비한 광자는 질량이 없으며 시공간에서 시간이 공간과 직교한 채 초속 30만 킬로미터로 과거에서 미래로 이동 중이며, 결국 시간 축이 정지해 있으므로 시간은 공간 속의 운동에너지로 바뀌어, 늘 광자의 상한선 속도인 초속 30만 킬로미터로 이동 중이란 사실을 인지하면서 일반 상대성 이론과 접목하여, 어둡지만은 별이 반짝거리는 저 밤하늘을 새삼스례히 바라다 봐야 할 것입니다.