d라이브러리 2013년 07월 과학동아

일반인이 가장 잘 아는 힘은 중력이다. 절벽에서 뛰어내리면 아래로 떨어진다는 것은 누구나 안다. 걷다가 갑자기 공중으로 떠오르지 않는다는 것도 알고 있다. 이처럼 본능적으로 우리는 중력, 즉 당기는 성질에 대해 이해하고 있다. 그러나 물리학자들에게 물어보면 중력이 가장 이해하기 어려운 힘이라고 답을 할 것이다. 왜 그럴까.

뉴턴의 중력이론은 약 100년 전쯤 어떤 관찰자가 재더라도 빛의 속도가 일정하다는 실험 결과가 나오면서부터 힘을 잃었다. 이러한 실험 결과를 심각하게 받아들여 물리 법칙에 적용한 사람이 바로 아인슈타인이다. 그때 만든 이론이 1905년 발표한 특수상대성이론이다. 10여 년 뒤에는 중력이 있는 경우까지 확장해 일반상대성이론(중력이론)을 만들었다. 시간과 공간은 물체 또는 에너지에 의해 휜다. 그리고 그 휨에 의해 시공간 속에서 운동하는 다른 물체의 궤적이 만들어진다는 것이다. 그러나 일반상대성이론도 원자 이하 크기의 미시 세계에서는 힘을 잃는다.

한편, 20세기 초 나온 양자역학은 물체의 운동에 불확정성이 있다는 또 다른 실험 결과를 설명하기 위해 나타난 이론이다. 주로 기본입자,
원자핵, 원자, 분자 등 미시 세계에 적용된다. 그러나 반대로 양자역학을 중력이 있는 경우에 적용하면 아주 큰 어려움에 봉착하게 된다.

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Part 3. 상대성이론과 양자역학 묶는 끈