[지식보관소] 우주공간이 휘어진 증거 - 상대성이론 쉽게 이해하기6

 

 

혹시 앉아서 버스를 타고 가다가

왠지 모를 편안함에 깊게 잠든 적 있나요?

아마 버스에서는 이상하게 잠이 잘 올 텐데요

그거는 그냥 피곤해서 그런 거고요.

 

사실 하고 싶은 얘기는 이게 아니라

아인슈타인은 여러분을 편안하게 만든 버스에서 느낀 그 가속력에서

중력의 비밀을 찾아냈다는 겁니다.

 

이 내용을 모르시는 분 중에

타인이 형처럼 똑똑한 분이 있다면

버스에서 느끼는 힘과 중력의 공통점을 찾으셨을 텐데요.

잠시 생각할 기회를 드리겠습니다.

 

사실 우리는 중력을 중력가속도라고 부르죠.

중력가속도, 이 말의 비밀이 있는데

지금 여러분이 들고 있는 그 스마트폰에

중력 센서라고 불리는 G센서가 들어 있습니다.

 

이 G센서는 어떤 원리로 중력을 측정할까요?

방법이야 여러 가지가 있겠지만

이 센서의 역할은 초당 9.8m의 속도로 가속하는 방향을 감지하는 건데요.

왜냐하면 지구의 중력은 9.8m/s입니다.

즉 지구가 초당 9.8m가 움직이는 속도로 계속 우리를 잡아당기고 있는 거죠.

 

이 말은 우주의 무중력 상태에서 한 방향으로 9.8m/s로 계속 가속을 한다면

여러분의 스마트폰은 가속되는 방향의 반대 방향을 땅바닥이라고 인식할 겁니다.

중력이랑 가속도는 완전히 동일한 현상입니다.

 

제가 한 이 예시를 듣고서

‘이거는 인간이 만든 중력 센서의 기술적인 한계가 아니냐?’

‘좀 더 기술이 발달하면 구분할 수 있는 거 아니냐?’

뭐 이렇게 말할 수도 있지만

그럴 일 없습니다.

중력과 가속도는 완전 100%, 한 치의 오차도 없이 동일한 현상이기 때문이죠.

 

그러니까 버스가 출발할 때 우리 몸이 뒤로 이렇게 쏠리는 힘과

지구가 나를 잡아당기는 힘이

100% 완전히 한 치의 오차도 없이 동일한 현상이라는 겁니다.

 

아인슈타인은 특수상대성이론을 발표하고

등속도 운동이 아닌 가속도 운동에서도 적용되는

상대성이론을 만들려고 고민했습니다.

 

그러다가 문득 가속도는 대체 뭐지?

뭐 이런 생각을 하게 되는데요.

그리고 이런 생각을 하면서 가속하는 물체 위에 있다면

관성에 의해서 몸이 뒤로 쏠리는 현상에 대해 생각하게 되죠.

 

우주공간에서 가속도를 내면

어떤 일이 일어날지 머릿속으로 상상했습니다.

그러자 문득 떠오른 생각은

무중력 상태에서 적절한 속도로 계속 가속을 한다면

우리가 느끼는 느낌은 중력의 영향을 받아서

땅바닥에 서 있을 때와 똑같은 느낌이 아닐까?

이런 생각을 하게 됩니다.

 

그렇다면 물리적으로 우리가 느끼는 중력이

가속도와 무슨 차이가 있는지 계속 생각해 봤지만,

아무리 타인이형이 생각을 해도 차이점을 찾을 수가 없었던 거죠.

 

그러니까 버스가 출발할 때 몸이 뒤로 쏠리는 힘이랑

중력이라는 힘의 차이점을 발견하지 못했다는 겁니다.

 

그렇다면 대체 왜 만유인력은 가속도를 생산하는 걸까?

타인이형은 이런 생각 끝에

자신이 인생에서 했던 가장 행복한 생각이라는 걸 하게 됩니다.

계속 이러한 생각 끝에 아인슈타인은

뉴턴도 알아내지 못했던

중력이 왜 생기는지에 대한 그 원인을 찾아냈는데요.

잘못 들은 게 아닙니다.

중력이 왜 생기는지 원인, 원인을 찾아냈어요.

 

타인이형은 나중에 이걸 두고

자신의 인생에서 가장 행복한 생각이었다고 묘사합니다.

아인슈타인이 인생에서 가장 행복한 생각이었다고 할 정도면

우리 기준에서는 겁나 소름 돋는 생각이니까

갈아입을 팬티를 준비하시고요.

 

타인이형은 시공간 위에 물질이 얹혀 있는 것이므로

얹혀 있는 물질의 질량이 아주 크다면

그 영향으로 시공간이 늘어날 것이라고 생각했습니다.

 

만약 고무줄에다가 점을 찍어놓고 잡아당기면 어떻게 될까요?

고무줄이 늘어나면서 찍힌 점의 위치가 이동하는 걸 볼 수 있을 겁니다.

 

이 고무줄이 우리가 살고 있는 시공간이라고 가정해 봅시다.

여기서 중요한 건 공간인 게 아니라 시간+공간인 겁니다.

이런 물질로 인해 이렇게 시공간이 고무줄처럼 늘어난 겁니다.

그리고 이렇게 시공간이 휘어진 결과로 생긴 것이 중력이다,

이렇게 생각한 거죠.

 

그렇습니다.

우리 눈에는 보이지는 않지만

우리를 지탱해 주는 시공간, 그 자체는 휘어지고 구부러진다는 겁니다.

그 시공간을 변형시킬 수 있는 것이 바로 질량

즉 물질이라는 것이죠.

이거 소름이죠.

 

따라서 시공간이 휘어진다면

그 시공간 위에서 이동하는 빛 또한 휘어질 거라고 생각하게 되죠.

‘이건 그냥 뭐 타인이형의 뇌피셜이네.

저거를 어떻게 증명 해?’ 라고 생각하신 분이 있을 텐데요.

그 당시에도 많은 과학자들이 그렇게 생각했어요.

 

그런데 에딩턴이라는 천문학자가

아인슈타인의 상대성이론을 증명하겠다고 나서게 됩니다.

그 원리는 상대성이론에 따르면

태양은 질량이 매우 크기 때문에 당연히 시공간이 많이 휘어지게 될 겁니다.

그러면 원래 태양 뒤에 있어야 하는 별이

태양 때문에 빛이 휘어져서 위치가 바뀌게 되면

시공간이 휘어졌다고 할 수 있겠죠

이게 바로 에딩턴의 생각이었습니다.

 

그런데 태양은 밝기가 너무 밝기 때문에

태양 뒤에 있는 별을 본다는 건 사실 불가능했습니다.

 

생각해 볼까요?

태양 뒤에 있는 별을 본다는 건

대낮에 태양 근처를 망원경으로 살펴서 그 별을 찾는다는 거죠.

이거를 해결할 아이디어를 에딩턴이 제시합니다.

 

1919년 달이 태양을 완전히 가리는 계기 의식이 예정되어 있었는데요.

관측할 시간은 10분도 안 되지만

잠깐 사이에 달이 태양을 완전히 가려서

밤처럼 어두워지는 기회가 있었던 겁니다.

운 좋게 관측일 당일 날씨도 따라줘서 성공적으로 관측할 수 있었고

놀랍게도 에딩턴은

그 시간에 태양 바로 뒤에 있어야 하는 별을

태양 바로 옆에서 관측하게 됩니다.

이거 소름인데

이렇게 태양으로 인해 시공간이 휘어지고

그로 인해 빛도 휘어졌다는 겁니다.

 

결국 시공간은 물질로 인해 휘어지고

구부러진다는 게 밝혀진 거죠.

 

따라서 어떤 공간 위로 갑자기 커다란 질량이 생기거나

질량을 가진 물체가 서로 빠르게 공존할 때

시공간도 이 영향으로 출렁일 거라고 아인슈타인은 생각하게 됩니다.

이게 바로 중력파도 예언한 거죠.

물론 중력파는 당시 기술로는 발견이 불가능했습니다.

 

그리고 지난번에 얘기한 것처럼

아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표한 지 100년이 지난

2016년 2월 11일 미국 국립과학재단 NSF는

갑자기 아인슈타인이 반드시 있을 거라고 예언했던 중력파가

실존한다는 중대 발표를 하죠.

 

아인슈타인은 100년 전에 이미 중력파를 정확하게 예언한 거고

시간과 공간은 휘어진다는 사실을 우리한테 알려준 겁니다.

 

그러니까 SF소설이나 영화에서 등장하는 웜홀이나

그 시공간을 변경시켜서 우주선을 이동시키는 워프 드라이브의 개념은

아인슈타인의 일반상대성이론에서 가져온 거죠.

 

그래서 타인이형은 특수상대성이론으로

모든 물질은 시공간에서 빛보다 빠르게 움직일 수 없다는 사실을 증명해서

SF매니아들을 절망에 빠뜨리고서

다시 그 대신에 시공간으로 휘어지니까 다른 방법이 있을 수도 있지 않을까라고

병 주고 약을 준 거나 마찬가지인데요.

 

그럼, 말 나온 김에

다음번에는 블랙홀과 웜홀에 대한 흥미진진한 얘기를 좀 해볼까요?