[유레카] 일반상대성이론 100년 / 이근영

올해는 유엔이 정한 ‘세계 빛의 해’이다. 1000년 전인 1015년 이슬람의 알하이삼이 <광학의 서>를 발간했고, 200년 전인 1815년 프랑스의 프레넬이 빛의 파동성을 증명했으며, 150년 전인 1865년 영국의 맥스웰이 빛이 전자기파의 일종이라고 예측했다.

무엇보다 ‘빛의 해’가 빛나는 것은 아인슈타인이 1915년 11월18일 일반상대성이론 논문을 발표한 지 100년이어서다. 그는 1905년 특수상대성이론을 발표했다. 투박하게 요약하면 물리법칙은 어디서든 같고 또 빛의 속도는 일정하기 때문에 변할 수 있는 건 물리량밖에 없다는 이론이다. 가령 내가 등속운동을 하는 비행기 안에서 나란히 가는 빛을 보면 빛의 속도가 비행기 속도만큼 줄어드는 것이 아니라 여전히 똑같이 초속 30만㎞라는 것이다. 그러려면 비행기 안의 시간이나 거리가 줄어야 한다. 직관으로는 이해하기 어려운 일이다. 하지만 물리학자들은 이를 ‘믿는다’. 개인 경험에 바탕한 종교적 믿음과 다른 것은 이들은 보편타당한 증거로 ‘간증’을 한다는 점이다.

특수상대성이론의 아인슈타인 논문 원제목은 ‘움직이는 물체의 전기역학에 대하여’이다. 이 논문에 ‘상대성’이라는 별명을 붙인 것은 현대 물리학의 대부인 막스 플랑크이다. 특수상대성이론은 등속운동처럼 ‘특수한 경우’에 해당하는 이론인 반면 일반상대성이론은 모든 우주에 적용되는 가속운동에 관한 일반론이다.

중력에 대한 해석도 달라졌다. 뉴턴역학에서는 지구가 태양을 도는 것을 둘 사이에 작용하는 중력으로 설명하지만, 아인슈타인은 태양의 질량에 의해 휘어진 공간 때문에 똑바로 진행하는 지구의 운동이 태양을 돈다고 해석했다. 중력에 빛도 휜다는 예견도 했다. 이를 이용한 게 중력렌즈다. 한국천문연구원은 최근 중력렌즈를 이용해 외계행성을 탐색하는 시스템(KMTnet)을 완성해 본격 가동에 들어갔다.

이근영 선임기자 [e-mail]