[동아사이언스] 아인슈타인의 일반상대성이론

 아인슈타인의 사고실험, 에딩턴의 중력렌즈 관측… 집단이 완성한 상대성 이론

[일반상대성이론 100주년] 일반상대성이론을 완성한 과학자는 누구?

| 입력 2015년 11월 24일 16:32 | 최종편집 2015년 11월 24일 16:32

1915년, 아인슈타인은 일반상대성이론을 3쪽 짜리 짧은 논문에 담아 발표했지만 사실 자신이 발표한 논문에 담긴 방정식이 얼마나 무한한 가능성을 가지고 있는지는 알지 못했습니다. 아인슈타인의 발견 뒤로 수많은 과학자들이 관련 연구를 진행했기 때문에 오늘날의 ‘상대성이론=아인슈타인’과 같은 공식이 생겨난 것이지요. 아인슈타인을 좀더 완벽하게(?) 만들어준 과학자들을 소개해볼까 합니다.

 

☞[과학동아 2015년 1월호] 특집 일반상대성이론 100

 

① 일반상대론방정식을 푼 칼 슈바르츠실트
슈바르츠실트는 천문대에서 일한 덕분에 다양한 좌표계를 이해하고 있었습니다. 그래서 아인슈타인이 직교좌표계로 계산했던 일반상대론방정식을 구면좌표계로 변환해 금세 풀어냈지요. 직교좌표계는 일반 사람들이 흔히 생각하는 가로, 세로, 높이로 이루어진 좌표계지만 구면좌표계는 거리와 방향, 각도로 이루어지는 공간좌표입니다. 공간에 대한 방정식을 풀 때는 더 유용하게 사용할 수 있지요.

 

② 우주 팽창을 제안한 알렉상드르 프리드만
프리드만든 일반상대론방정식을 형태적인 부분에 응용해 생각해냈습니다. 일반상대론방정식이 시공간에 대한 방정식이라면, 어떤 기하학적인 형태를 나타낸 것이라고 생각한 거지요. 곡률이 0이면 변하지 않는 평평한 공간이지만 음이거나 양일 경우 공간이 변할 수 있다는 가능성을 제시했지요. 다만 프리드만은 수학자였기 때문에 실제 우주의 모습이 어떤지는 알지 못했습니다.

 

③ 상대성이론을 직접 증명한 아서 에딩턴
에딩턴의 최대 업적은 상대성이론의 증거인 중력렌즈를 직접 관측해낸 것입니다. 일식 때 태양 주변의 별을 관측한 결과, 별의 위치가 본래 위치와 다르게 어그러져 있다는 것을 발견했거든요. 이 위치가 어그러진 것은 태양으로 인해 공간이 휘어, 빛도 공간을 따라 휘었기 때문입니다. 에딩턴은 아인슈타인 다음으로 일반상대성이론을 잘 이해하고 있는 사람으로도 유명했습니다.

 

④ 우주 팽창을 발견한 에드윈 허블
지구 바깥에는 세계에서 가장 유명한 천체망원경인 ‘허블우주망원경’이 있습니다. 이 망원경은 우주 팽창을 발견한 과학자, 에드윈 허블의 이름을 딴 것이지요. 1929년, 허블은 지구에서 멀리 떨어져있는 은하 46개가 발산하는 파장이 본래 파장보다 붉은색 쪽으로 치우친 것을 발견하게 됩니다. 이를 ‘적색편이’라고 하는데, 보통 천체가 지구에서 멀어질 때 이 현상이 일어납니다.

 

허블은 각 은하와 지구사이의 거리가 적색편이 정도와 관련이 있다는 것을 알아차리고, 이토록 여러 은하가 규칙적으로 적색편이를 보인다면 우주 공간이 변하는 것이라고 결론을 내립니다. 즉, 각 은하가 일관적으로 지구와 멀어지고 있다면 은하가 개개별로 움직이기 보다는 우주 공간 자체가 커지면서 거리가 벌어지는 것이라고 본 것이지요.

 

위대한 발견을 한 이들 뿐만 아니라 수많은 과학자들은 상대성 이론의 영향을 받았습니다. 원자폭탄의 아버지라고 불리는 로버트 오펜하이머, 블랙홀과 웜홀의 이름을 지어준 존 휠러, 엄청나게 어려운 책(기자는 여전히 이 책을 제대로 이해하지 못하고 있습니다), ‘시간의 역사’의 저자이자, 블랙홀이 에너지를 발생하면서 사라질 수 있다는 이론을 주장한 스티븐 호킹…. 100년 전 아인슈타인의 머릿속에서 등장한 이 이론은 수많은 과학자들에게 영향을 미쳤고, 연구 주제를 던졌으며, 새로운 이론을 만들 수 있도록 했답니다.

오가희 기자 .