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제랄드 가브리엘스와 하버드대학의 한 연구팀은 아인슈타인의 일반상대성 원리를 증명하는 조심스러운 실험을 실시했다.

상대성 원리는 지난 1916년에 처음으로 발표됐는데 이를 뒷받침 할만한 그 어떠한 증거도 없었으므로 당시로선 대단한 상상력이 만든 업적일 뿐이었다. 그저 아인슈타인 혼자 우주가 그렇게 움직인다고 생각할 뿐인 것 같았다.

그 이후 1919년 개기일식중 태양 주변 별들의 위치를 살피는 실험을 진행했을 때 과학자들은 태양의 중력이 빛을 끌어당겨 광선을 곡선으로 만듦에 따라 별들의 위치도 약간 어긋나 보인다는 것을 관찰했다. 이 정상위치에서의 어긋남이야말로 아인슈타인이 예측하였던 것이다.

아인슈타인은 "만약 별들이 어긋나 보이지 않았다면 어떻게 생각했겠느냐?"는 질문을 받았다. 그의 답은 "내 이론은 옳기 때문에 실수하신 하느님을 안타까이 여겼을 것이다"였다.

상대성 원리의 근본적인 토대중의 하나는 모든 물체는 질량과 무관하게 똑같은 속도로 떨어진다는 것이다(만약 공기의 저항같은 것이 무시될 수 있다면). 진공상태에서는 포탄이나 새의 깃털이나 같은 속도로 떨어진다. 이는 등가의 원리라고 불린다.

등가의 원리는 4세기전 갈릴레오에 의해 매우 조악한 방식으로 처음 확인됐으며 그 이후 점점 더 정밀한 실험으로 입증되어왔다.

그러나 등가의 원리가 완전치 못하다는 하나의 상황이 존재한다. 모든 물질의 입자에는 반입자(反粒子)가 있다. 전자에는 양전자가 있고 양성자에는 반양성자가 있듯이 말이다. 반입자들은 반물질을 형성한다.

그렇다면 의문이 생긴다. 반물질도 물질과 같은 속도로 떨어지는가, 아니면 약간 다른 식으로 중력에 반응하는가?

반물질의 발견후에 아인슈타인은 만약 그의 일반상대성원리가 사실이라면 반물질도 일반 물질과 같은 속도로 떨어질 것이라고 예견했다.

그러나 이 역시 아인슈타인의 직관에 불과했던 것이 이의 가부를 입증할 증거가 없었던 때문이다. 그와 같은 증거를 수집할 수 있는 방법 또한 여의치 않았다.

알다시피 중력, 혹은 인력은 우리가 아는 모든 힘중에서 가장 약한 것이다. 우리는 인력의 존재를 거대한 천체들과 연관시켜 잘 알고 있다. 예를 들어 지구는 각 입자들의 조그마한 인력이 모아져 하나의 지구로 뭉쳐지는 거대한 힘을 발휘한다. 그러나 우리가 개개의 입자들이나 소수의 입자 덩어리를 생각할 땐 인력은 너무 미미해서 측정할 수 없을 뿐만 아니라 그러한 입자들을 실험하는 연구원들은 그러한 인력의 존재를 무시해 버리게 된다.

우리가 반물질의 개개 입자들이나 소수의 입자덩어리를 연구할 때도 우리는 직접 인력의 효과를 측정할 수 없다. 때문에 과학자들은 간접 실험을 수행할 수밖에 없는 것이다. 가령 양성자와 반양성자가 정확하게 같은 질량을 갖고 있음을 보여줄 수 있다면 그들은 같은 방법으로 서로를 끌어당김이 분명해진다. 그러나 어떻게 그들이 대충도 아니고 아주 정확하게 같은 질량을 가지고 있다고 말할 수 있을까?

이 질문은 바로 가브리엘스와 그의 연구팀이 답하고자 했던 것이다. 그들은 양성자와 반양성자들을 자장(磁場)에 선회시켜 1초당 몇바퀴나 회전하는가를 측정하였다. 회전수는 그들의 질량과 관계있는데 두 종류의 입자들의 회전수는100,000,000분의 4의 오차로 똑같았다.

바로 이 결과로부터 아인슈타인이 또다시 옳았음을 추론할 수 있고 반물질은 물질 그 자체와 똑같이 인력에 반응한다는 사실을 인정할 수 있었다.(아인슈타인의 놀라운 직관에 1점을 더 주자.)

시애틀에 위치한 워싱턴대학의 에릭 아델버거와 그의 연구팀은 전혀 다른 실험을 하였다. 그들은 인력보다 약한 소위 '제5의힘' 의 존재여부를 판단할 수 있는 측정방법에 관심이 있었다. 그러한 힘은 지금까지 확인되지 않았다.

그러나 그와 같은 실험을 하는 도중에 그들은 만약 반물질이 물질과 다른 방법으로 떨어진다면 측정가능한 어떠한 효과가 있으리라고 결론지었다. 그러나 그러한 효과는 발견되지 않았으며 아델버거가 반물질 아닌 물질만 실험대상으로 삼았음에도 불구하고 그는 반물질에도 등가의 원리가 적용된다는 결론을 내릴 수 있었다.

등가속도로 물질과 반물질이 떨어지는 방법에 이제 과학자들은 만족할까?

아니, 그렇지는 않다.

위와 같은 실험은 모두 간접적 실험이었다. 직접실험은 자력에의 반응을 필요로 하거나 제5의 힘을 찾을 수 있어야 한다. 과학자들이 확인하고 싶은 점은 반물질의 입자들이 실제로 떨어지고 실제로 인력에 반응하는 가이다. 그래야만 그들은 확신을 갖게될 것이다.

그러나 80년 가까이 아인슈타인은 단 한번도 틀리다고 입증된 적이 없으며, 나 역시 앞로도 그러한 일은 없으리라고 생각하는 바이다.

Gerald Gabrielse and a team at Harvard University have performed a delicate experiment that backs up Einstein's general theorys of relativity.

This theory was first announced in 1916 and it was an amazing feat of imagination, for it had virtually no evidence in its favor. It just seemed to Einstein that that must be how the universe worked.

Thus, when they did perform an experiment in 1919, nothing the position of stars near the sun during a total eclipse, they got certain displacements because the sun's gravitation pulled at and curved the beam of light. The displacements agreed with what Einstein had predicted.

Einstein was asked, "How would you have felt if the displacements did not agree?"

Einstein answered, "I would have been sorry for the Lord God, for the theory is right."

One of the fundamental bases of the theory is the suggestion that all objects, regardless of their mass, fall at the same speed(if such things as air resistance are disregarded). In a vacuum, a cannonball and a feather drop at the same rate. This is called the principle of equivalence.

This was first shown in a very crude way by Galileo four centuries ago, and since then, it has been proved by experiments that have been progressively more accurate.

There is just one way in which the principle of equivalence is, as yet, incomplete. Every particle of matter has an antiparticle. For the electron, the antiparticle is the positron, for the proton, and the antiparticle is the antiproton, and so on. The antiparticles make up antimatter.

The question is : Does antimatter fall in the same way matter does, or does it respond to gravity in a somewhat different fashion?

After antimatter was discovered, Einstein pointed out that if the general theory of relativity was true, then antimatter would have to fall in the same way matter did.

This, however, was just another one of Einstein's instincts, for there was no evidence either way. Nor was it very easy to collect evidence.

Gravitation, you see, is by far the weakest of all the forces we know. We're very aware of its existence in connection with huge astronomic bodies. In a body such as Earth, the tiny gravitational forces for each particle add up until in the Earth as a whole, the force is enormous. If we're dealing with single particles, however, or very small groups of them, gravitation is so weak that it can't be measured, and people who work with such particles ignore the gravitational effect altogether.

Since we only get antimatter as single particles or tiny groups, we cannot really measure the effect of gravity on them directly. Scientists are forced to perform indirect experiments.

For instance, if protons and antiprotons can be shown to have precisely the same masses, then they must be pulled at by gravity in an equal fashion. How can one tell if they have the same masses not approximately, but exactly?

This is where Gabrielse and his team came in. They had both protons and antiprotons whirled about by magnetic fields and they measured how many whirls they made in a second. The number of whirls depended on their mass and it turned out that the masses of the two types of particles were the same to within four parts in 100,000,000.

From this it could be deduced that Einstein was right again and that antimatter reacted to gravity precisely as matter itself did.(Score another for Einstein's instincts.)

Eric G. Adelberger and his team at the University of Washington in Seattle, worked a different kind of experiment altogether. They has been interested in making measurements that would indicate the presence or the absence of a "fifth force," like gravitation, but even weaker. No such fifth force has showed up.

However, in carrying out their experiments, they decided that if antimatter fell in a way different from matter, there would be certain effects in their experiment they could detect. Such effects were not detected, and even though Adelberger worked only with matter and not with antimatter, he nevertheless came to the conclusion that the principle of equivalence held for antimatter.

Are scientists satisfied now with the matter of equivalence and with the way in which antimatter falls?

Not quite.

The experiments are indirect. The direct measurements involve a response to magnetism, or to the search of the fifth force. What scientists would like to see would be the particles of antimatter actually falling, actually responding to gravity. Then they would be certain. And yet Einstein, in nearly 80 years, has never been proven wrong, and I don't think he will be in this respect, either.
(C) 1991, Los Angeles Times Syndicate