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상대성이론

  • 상대성이론 100년사 ➋[Knowledge] 절대공간은 존재할까? 오늘의 이야기 주제는 ‘공간’이다. 뉴턴 이전에는 모든 변화를 ‘운동’이라고 여겼다. 하지만 뉴턴은 단지 ‘물체의 위치 이동’만이 운동이라고 주장했다. 이 과정에서 자연스레 ‘물질의 양’이 존재하는 그릇이 필요했는데, 이게 바로 ‘공간’이었다. 뉴턴이 제안한 공간 개념은 특수상대성이론에서 시간과 공간의 4차원 연속체로 확장됐다. 일반상대성이론은 바로 이 4차원 시공간이 어떻게 물질로부터 정해지는지, 그리고 그 안에서 물질이 어떻게 운동하는지를 설명해주는 가장 아름다운 이론이다. 공간을 둘러싼 뉴턴과 라이프니츠의 논쟁, 그리고 역사적으로 계속된 철학적 논쟁을 이해한다면 일반상대성이론의 참된 의미를 더 잘 알 수 있게 될 것이다. 우정처럼 시공간도 관계다? ‘공간이란 무엇인가’...
  • 상대성이론 100년사 ➌[Knowledge] ‘휘어진 시공간’은 어떻게 증명한 걸까 ‘지붕에서 떨어지는 사람은 중력을 느낄 수 없다.’ 일반상대성이론의 출발점이 된 아인슈타인의 유명한 사고실험이다. 그는 중력효과와 가속도효과를 구분할 수 없으므로 중력과 가속도는 같다고 생각했다(등가원리). 이런 좋은 아이디어를 가지고 있으면서도 아인슈타인은 어떻게 중력을 이론으로 설명할지 한동안 전혀 감을 잡지 못했다. 중력을 나타내는 함수가 문제였다. 이제까지 중력을 나타낸다고 생각한 단순한 실수값 함수는 새로운 이론을 담기에 역부족이었다. 그에겐 새로운 수학이 필요했다. 돌파구는 대학 동창에게서 나왔다. 친구 마르셀 그로스만은 당시 모교인 스위스 취리히공대 수학과 교수로 있었다. 아인슈타인에겐 대학 시절에 배운 가우스의 곡면이론이 중요하리라는 직관이 있었지만, 가우스 이후의 미분기하학은 전혀 모르고 있었다. 미분기하학...
  • 상대성이론 100년사 ➎[Knowledge] 전쟁의 포성 속에서 우주의 비밀에 접근하다 1916년 6월 베를린에서 열린 왕립 프로이센 과학학술원 학술대회에 선 아인슈타인의 마음은 무거웠다. 일반상대성이론을 발전시키는 데 가장 중요한 역할을 했던 동료가 한 달 전 42살의 나이로 세상을 떠난 것이다. 아인슈타인은 천천히 추도사를 읽어내려 갔다. 카를 슈바르츠쉴트를 기리며. 1915년 11월, 세상에서 가장 아름다운 물리학 이론이라는 일반상대성이론이 세상에 모습을 드러냈다. 하지만 이 이론은 아직 시작단계에 머물러 있었다. 물리학 이론은 실제 세계를 설명할 수 있을 때야 비로소 의미를 갖는다. 뉴턴의 역학으로 행성의 운동을 설명하기 위해서는 뉴턴 방정식을 구체적인 상황에 적용해 풀어내야 한다. 이와 마찬가지로 일반상대성이론으로 현상을 설명하려면 중력장 방정식을 실제로 풀어내야 한다. 이 일을 처음 해낸 것은 아인슈타인이 아니었다. 아인슈타인보...
  • [수학뉴스] 수학만 허락한 시간여행 타임머신을 타고 시간여행을 떠날 수 있다면 언제로 가고 싶은가요? 앞으로는 시간여행이 가능해질지도 몰라요. 수학적으로는 얼마든지 가능하기 때문이에요. 3월 31일 데이비드 창 미국 메릴랜드대학교 교수팀은 시간여행의 이론적 근거를 중력물리학 학술지 ‘고전 및 양자중력’에 발표했어요. 연구팀은 무거운 별 때문에 주위의 행성이 직선이 아닌 곡선 궤도를 따라 도는 것처럼 중력으로 우주의 시간도 휘게 할 수 있다고 주장했어요. 시간을 도넛 모양의 ‘버블’로 만들면 이 기하학적 구조 안에서 움직이는 사람은 시간여행을 떠날 수 있다는 거예요. 버블의 바깥, 즉 시간이 한 방향으로 흐르는 지금의 우주에 사는 사람의 눈에는 버블 안에 있는 사람이 미래를 향해 가는 것처럼 보일 때도 있고 과거로 돌아가는 것처럼 보일 수도 있어요. 과거로 향하는...
  • 상대성이론 100년사 ➏[Knowledge] 내 이론은… 그런 뜻이 아니라고! 유료 일반상대성이론이 과학자와 대중에 받아들여지는 과정은 그리 순탄치만은 않았다. 실증과정은 어려웠고 대중은 이상한 오해를 했으며, 인종차별로 이론이 탄압받는 사태도 벌어졌다. 이런 우여곡절을 거친 뒤에야 비로소 이론은 자리를 잡았다. 일반상대성이론은 직관적으로 이해하기 매우 힘들다. 게다가 아인슈타인은 당시 물리학자들에게는 매우 낯설었던 비유클리드 기하학으로 세계를 설명했다. 많은 물리학자들이 이 해괴한 이론에 의심의 눈초리를 거두지 않고 있었다. 1919년 에딩턴이 관측에 성공했지만… 이런 상황이 크게 달라진 것은 유명한 1919년 일식 관측 덕분이었다. 일반상대성이론이 맞다면 태양 주변을 지나는 별빛도 곡선으로 움직여야 한다. 아인슈타인은 태양이 있을 때와 없을 때를 비교하면 1.6초(1초는 3600분의 1°)의 각만큼 차이가 나리라는 것까...