41. 아인슈타인의 일반상대성이론

(전편 끝부분 수정보충)

핵폭탄(원자력발전도 마찬가지이지만)은 우라늄이나 풀로토늄 같은 물질이 핵분열을 일으켜 다른 물질로 바뀌면서 질량이 바뀔 때, 그 질량이 감소하는 만큼 에너지로 바뀌는 것을 이용한 것이다.  

우라늄 (92U235)이 분열되어 38Sr94와 54Xe140으로 바뀐다. (스트론튬, 제논)
36Kr92와 56Ba141로도 바뀐다. (크립톤, 바륨)
이런 물질들이 핵분열생성물질들이다.

우라늄이나 풀로토늄이 핵분열을 일으켜 다른 핵분열생성물질로 바뀔 때 약 0.1%의 질량결손이 생기는데 이 결손된 질량이 E = mc²공식에 따라 전부 에너지로 바뀌는 것이다.
그렇다면 과연 10 킬로그램의 우라늄을 분열시켜 그 0.1%, 즉 10 그램의 질량결손을 만들어내면 얼마나 큰 에너지가 나올까?
10 곱하기 광속의 제곱 에르그(erg).......
큰 도시 하나가 파괴될 만 한 에너지다.

제2차 세계대전 때 맨해튼 프로젝트로 알려진 원자폭탄 개발에 참여한 과학자들조차 E = mc² 에 대하여는 현실감을 느끼지 못 하였고 실제로 뉴멕시코 사막에서 이루어진 핵폭탄 실험을 보고서야 그 엄청난 결과에 놀랐다고 한다.

이러한 위대한 발견이 히로시마, 나가사키의 참혹한 파괴가 아닌 원자력의 평화적 이용에 먼저 쓰여 졌더라면 얼마나 좋았을까?

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41. 아인슈타인의 일반상대성이론

앞에서 말한 상대성이론은 1905년에 발표된 특수상대성이론이다.
특수상대성이론은 서로 등속으로 운동하는 관성계에서의 물리학법칙이라고 할 수 있는데 아인슈타인은 등속운동이 아닌 가속운동의 경우, 즉 중력과 인력으로 가속도가 붙는 경우에는 어떻게 되는가를 1907년부터 골똘히 생각하게 된다.
아인슈타인은 실제로 실험을 하여 증명하기보다는 주로 논리와 사고를 통하여 논리적인 모순을 알아낸다든지 새로운 법칙을 발견해 내었는데 이를 사고실험(thought experiment)이라고 한다. 이것이 실로 그의 천재성을 입증하는 것이라 할 것이다.

1) 등가원리

등가원리는 가속도와 중력이 결국 같다는 것을 말한다.
만일 우주선이 지구에 앉아있다면 그 안에 탄 우주인은 우주선 바닥방향으로 지구의 중력가속도 'g'의 중력을 느낄 것이다.
그런데 그 우주선이 우주공간에서 가속을 하여 지구중력가속도 'g'만큼의 가속운동을 하면서 점점 빨라진다면 그 안에 탄 우주인은 지구에 있을 때와 똑같은 중력을 느끼게 될 것이다.
만일 밖을 내다보지 못 한다면 그 우주인은 거기가 우주공간인지 지구인지를 분간할 수 없을 것이다.

또 우주선이 어떤 별의 인력에 의하여 자유낙하를 한다고 치자.
우주선이 그 별의 중력장에 의하여 점점 가속되면서 빨라지고 있지만 그러나 그 안의 우주인은 똑같은 무중력상태를 느끼기 때문에 우주선이 점점 빠른 속도로 낙하하고 있다는 것을 모르게 될 것이다.
즉 가속도와 중력은 같다. 이것이 등가원리이다.

2) 빛은 중력으로 인하여 휜다.

중력과 가속도가 같다면 빛과의 관계는 어떻게 될까?
우주선이 로켓을 분사하면서 위로 점점 빨라지는 가속운동을 하고 있다고 해보자.
그 때 좌편에서 우편으로 똑바로 흐르는 빛이 있다고 해보자.
만일 우주선이 정지상태이거나 등속운동을 하고 있다면 그 빛은 직선으로 진행하는 것으로 보일 것이다.
그러나 우주선이 가속도로 점점 빨라지는 가속운동을 하고 있다면 그 빛은 우주선이 가속되고 있는 방향의 반대방향으로 휘어지는 것으로 보이게 될 것이다.
즉 가속도는 빛을 휘게 하는 것이다.

그렇다면 가속도와 중력이 같으므로 그 가속도와 같은 중력장을 가진 별에서 그 빛을 본다고 해도 똑같이 휘어져야 할 것이다.
결국 가속도와 마찬가지로 중력도 빛을 휘게 만든다는 결론이다.
아인슈타인은 이 사고실험을 통하여 밝혀낸 이 일반상대성이론을 1916년에 발표한다. 그리고 태양을 스쳐 지구에 도달하는 다른 별의 빛이 태양의 중력만으로 휜다면 0.875초가 휘겠지만 상대성이론에 의한다면, 즉 휘어진 공간이론에 의한다면 1. 75초 휠 것이라는 계산을 내놓았다.

마침 1916년에 서부 아프리카의 프린시페 섬에서 개기일식이 일어날 것이라고 예측되었다. 영국의 천문학자 아서 에딩턴은 과연 아인슈타인의 일반상대성이론이 옳은지를 확인하기 위하여 탐험대를 이끌고 아프리카로 가서 개기일식 동안에 별을 관측하는 실험을 하였다.
(개기일식이 일어나는 때라야 태양의 뒤편에 있는 별을 관측할 수 있다.)

실제 측정결과로 별빛은 1.6초 휘었다는 것이 확인되었고 그 오차범위는 0.3초라고 계산되었다. 이 결과는 아인슈타인의 일반상대성이론이 완벽하게 옳음을 증명한 것이었다.
만일 에딩턴의 관측실험결과로 아인슈타인의 상대성이론이 틀렸다고 증명되었더라면 일반상대성이론에 의한 공간-빛의 휨은 물론 E = mc² 공식에 의한 질량-에너지 변환도 신뢰 받지 못 하였을 것이다.

그 후 많은 별들이 실제위치와 다른 위치에 있는 것으로 관측되었고 그 빛의 휨 현상은 아인슈타인의 일반상대성이론에 의한 공간의 휨과 일치한다는 사실이 확인되었다.  
그리고 같은 별이 블랙홀 같은 중력장에 의하여 두 개 이상 여러 개로, 혹은 띠 모양으로 흩어진 원호(圓弧) 모양으로 관측되는 현상도 나타난다.

이 때문에 한 개의 성운이 네 개로 보이는 것도 있다.
그것은 그 성운과 지구 사이에 강력한 중력을 가진 천체, 혹은 블랙홀이 여러 개가 있어서 빛을 휘게 만들기 때문이다.
이러한 현상을 일으키는 것을 ‘중력렌즈’라고 부른다.

사고실험을 통한 아인슈타인의 이론들이 이렇게 실제로 맞아떨어지고 있는 것이다.

3) 일반상대성이론, 휘어진 공간

이 대장쟁이는 “19. 보이지 않는 힘”에서 인력(중력)의 기이함과 신비함을 언급한 바 있다.
도대체 아무 연결 된 것도 없는데 어째서 천체들은 인력으로 서로를 끌어당기며, 또 끌려들어가지 않기 위해 달리고 있는 것일까?
보이지 않는 힘, 그 정체는 무엇인가?
이 질문은 과학이 대답할 수 있는 영역이 분명 아니다.
과학은 존재나 현상의 근원을 밝혀내는 문제는 외면하고 이미 존재하는 현상만을 다루는 학문이기 때문이다.
과학은 마치 빵을 누가 만들어서 가져왔고 어디서 생겼는지 하는 기원 따위는 관심 없고, 그 빵의 모양이나 성분, 맛이 있느냐 없느냐의 현상만을 문제로 삼는 아이와 같다.  

중력의 정체가 무엇인지는 과학자들이 알 바가 아니다.
다만 그 중력이 만들어내는 현상만이 과학탐구의 대상일 뿐이다.

아인슈타인은 중력장과 천체의 운동을 그물망으로 설명하였다.
여기 한 퐁퐁 그물망(뜀뛰기 하는 그물망)이 있다.
그 가운데에 커다란 볼링공이 들어있고 그물망은 그 볼링공의 무게로 인하여 아래로 쳐져있다. 그 주위를 작은 당구공이 돈다.
그러면 당구공은 볼링공으로부터 멀리 떨어져 있을 때는 천천히 구르다가 볼링공이 있는 곳에 가까이 오면 속도가 빨라지고 다시 그 빨라진 속도로 인하여 다시 멀리 튀어나가게 된다.
혹은 볼링공의 주위를 뱅글뱅글 돌게 된다.
마찰에 의하여 속도가 줄지 않는다면 말이다.
이 그물망으로 태양을 도는 혹성들의 운동을 설명할 수 있다.

상대성이론은 이 그물망으로 공간의 휘어짐으로 설명한다.
즉, 마치 열차 안에서 튕긴 농구공처럼 당구공이 중력장에 이끌려 빨라지면서 쏘옥 끌려 들어가면 상하방향으로 움직인 거리는 길어지지만 원래 그물망의 평면을 기준으로 한다면 그 속도는 같다는 것이다.

즉, 같은 그물망, 같은 평면인데 그 평면이 휘어져있기 때문에 움직인 거리가 길어지는 현상이 나타난다는 것이다.
다시 말하지만 일반상대성이론에 의하면 중력장이란 공간의 휘어짐에 따른 현상이라는 것이다.

4) 그렇다면 중력이란 무엇인가?

중력은 무엇인가?
아인슈타인이 상대성이론으로, 또 “공간의 휨” 현상으로 설명하였다 해도 우리는 여전히 중력이라는 현상이 어떻게 생겨났고 작용하는 것인지 이해하기는 어렵다.
그물망이 중력장과 공간을 훌륭하게 해석하는 방법이라고 할 수는 있지만 중력의 정체는 여전히 오리무중이다.
매어놓은 줄도 없고 끈도 없는데 잡아당기는 그 중력은 무엇이란 말인가?
이러한 일반상대성이론을 만들어낸 아인슈타인은 과연 무슨 생각을 했을까?

여러분도 함께 곰곰이 생각해보자.
중력이 무엇이며 왜 중력이라는 것이 존재하는가?
아무 매개체도 없는 허공을 운행하는 천체들이 왜 어떻게 서로를 끌어당기는가 말이다.

5) 빅뱅이란 무엇이었을까?

대장쟁이는 가끔 그런 엉터리 같은 상상을 잘 한다.
아인슈타인처럼 사고실험을 하기에는 어림도 없는 낮은 지능의 머리를 가졌지만 엉뚱한 상상이야 아무나 할 수 있는 거 아닌가?

대장쟁이 상상으로는.......,
빅뱅(Big Bang)이란.......
우리는 태초에(in the beginning) 시간과 공간이 원래 있었다고 전제하고 빅뱅을 생각한다.
그래서 어떻게 한 점에 우주(혹은 우주가 될 모든 물질들)가 압축되어 있다가 폭발할 수 있는가 생각한다. 그 어마어마한 압축과 우주공간을 가득 채우는 어마어마한 폭발의 근원, 그 힘이 상상이 가지 않는 것이다.

그런데 아니다.
태초에 공간이란 것은 없었다.
시간도 없었다.
시간과 공간은 아직 창조되지 않았다.
빅뱅이란 창조주가 무한한 우주만유의 질량을 한 점(아니 점도 아니다. 공간이 아직 없었으니까.)에 만들어놓고 거기에 시간과 공간을 부여한 사건이다.
공간이라는 피조물이 만들어져 그 점에 부여되자 비로소 그 질량들이 일시에 폭발하여 그 공간을 따라 사방으로 균일하게 흩어지게 된 것이 빅뱅이다.
시간과 공간이 부여되자 모든 존재가 나타난 것이 빅뱅의 사건이다.
그리고 시간이라는 피조물 때문에, 그 시간을 따라 흐르는 빛 때문에, 사방으로 흩어지는 빅뱅의 속도는 그 폭발의 그 힘이 아무리 커도 질량이 무한히 커져서 넘을 수 없는 한계의 벽, 즉 빛의 속도 이내였을 것이다.

중력이란 공간이 만들어낸 것이다.
공간이 마치 스프링에다가 쐐기를 끼워 넣은 것처럼, 혹은 뻥튀기처럼 공간이 들어차면서 그 틈을 벌려버린 것이다.
그래서 모든 물체가 공간을 이기고 도로 제자리로 돌아가려고 하는 것이 중력인 셈이다.
지금이라도 공간이 사라져준다면 그 물체는 도로 같은 위치에 원위치 될 것이다.
그런데 한 번 창조된 공간은 사라지지 않고 우주만유를 붙잡고 버티고 있는 것이다.

그리고 두 물체 사이의 공간이 크면 한데 붙으려는 회복력이 떨어지고, 가까우면 증가하는, 그래서 거리의 제곱에 반비례하는 만유인력의 법칙이 생겨난 것이다.
그렇다. 중력이란 공간이 만들어낸 현상인 것인 것이다.
그렇기 때문에 아인슈타인이 발견한 일반상대성이론이, 아인슈타인 역시 그 중력의 정체, 보이지도 않고 줄도 매여 있지 않는데도 작용하는 그 중력의 정체를 이해할 수 없었겠지만, 그 중력장을 그물망, 즉 공간의 휘어짐으로 설명하였더니 맞아들어간 것이다.
중력이 공간에 의하여 만들어졌기 때문이다.

블랙홀......, 그물망이 푹 꺼진 그 곳은 공간이 사라져버린 곳이다.
공간이 사라지니 당연히 질량만 남고 부피가 없어질 수밖에 없다.
그래서 한 점 보다 더 작은, 아니 부피가 아예 없으면서 어마어마한 질량들만 남은 것이다.  

그렇게 빅뱅은 된 것이 아닐까?
그렇게 공간과 시간이 시작된 것이 아닐까?
그렇게 시간과 공간이, 그리고 모든 존재가 시작된 것이 아닐까?
그것이 우주만유의 시작이 아니었을까?
성경이 말하는 시작(Beginning) 말이다.
“In the beginning God created heavens and earth."

뭐, 이건 어디까지나 대장쟁이의 상상이다.
대장쟁이가 아인슈타인처럼 사고실험을 할 재주는 없고.......

그렇지만........
다른 설명이 가능한가?
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