여러분이 과학 분야를 잘 모른다고 해도 아인슈타인이라는 이름은 자주 들어봤을 것입니다. 아인슈타인은 근대 과학의 하나의 현상이라고 볼 수 있습니다. 아인슈타인 이전에는 뉴턴 과학의 시대였습니다. 우주의 모든 것이 뉴턴 물리학으로 모든 것을 설명할 수 있다고 자신했었습니다. 더 이상의 물리 이론은 필요없다는 식의 분위기가 팽배했었습니다. 하지만 1905년 스위스 특허청에서 일하던 26살의 젊은 청년의 '특수상대성이론'으로 현대물리학은 대격변을 겪게 됩니다.
상대성이론이란?
아인슈타인은 특수상대성이론을 먼저 발표하고 10년 후 일반상대성이론을 발표했습니다. 일반상대성이론은 특수상대성이론의 확장판 같은 것입니다. 상대성이론에 대해 간략히 설명하겠습니다.
특수상대성이론은 광속이 모든 관성계의 관찰자에 대해 동일하다는 원칙에 근거해서 시간과 공간 사이의 관계를 기술하는 이론입니다. 움직이는 물체의 관성계와 그걸 관찰하는 관찰자의 관성계는 서로 다른 시간과 공간을 가지게 됩니다. 예를 들어, 빛의 속도와 가까운 우주선이 있다고 할 때 이 우주선을 바라보는 사람은 날아가는 우주선의 길이가 짧아지고(길이수축) 우주선안의 시계는 천천히 흐르는 것처럼 보입니다.(시간지연) 특수상대성이론은 이런 시간의 상대성, 공간의 상대성을 다룬 이론입니다.
일반상대성이론은 모든 가속계에서도 같은 물리 법칙이 성립한다는 확장된 상대성 원리와 관성력과 중력이 동등하다는 등가의 원리를 바탕으로 한 이론입니다. 관성력에 의한 효과와 중력에 의한 효과는 근본적으로 동일하므로 관성력과 중력을 구별할 수 없다는 등가원리를 담고 있습니다. 또한, 중력에 의해 공간이 휘어짐을 밝혀냈습니다. 그 공간의 형태에 따라 빛도 휘어지는 중력 렌즈 효과를 찾아낸 이론입니다. 이 외에도 블랙홀의 존재를 예측한 이론이기도 합니다.
이 상대성 이론은 시간과 공간에 대한 개념을 이전과는 완전히 다르게 받아들이게 만들었습니다. 뉴턴이 말하는 절대적인 시간과 절대적인 공간은 존재하지 않는다는 것을 알게 된 것입니다.
이 상대성이론은 단순히 우주를 표현하는 것에서만 그치는 것은 아니었습니다. 상대성이론은 우리의 실생활에서 쉽게 만나볼 수 있습니다. 상대성이론이 적용된 제품들이 어떤 것들이 있는지 알아보겠습니다.
상대성이론을 적용한 GPS 시스템
가장 자주 언급되는 것으로는 GPS와 GPS를 이용한 모든 제품들(휴대폰, 내비게이션 등)이 있습니다. GPS는 위성과 수신기로 이루어져 있습니다. 내비게이션에 있는 GPS 수신기는 위성으로부터 시각과 위치정보를 빛의 속도로 받습니다. 그런데 GPS위성은 빠른 속도로 이동하는 관성계입니다. 특수상대성이론에 의해 GPS 위성의 시계는 지상의 수신기보다 시간이 느리게 흐릅니다. 이 느려진 시간 때문에 제대로 거리를 측정할 수 없게 됩니다. 단 0.00001초만 틀려도 위치가 수 킬로미터나 차이가 나게 됩니다.
또한 GPS 위성과 지상 수신기의 중력이 서로 다릅니다. 위성이 지구중심으로부터 조금 더 떨어져 있으므로 지상보다 중력이 작습니다. '중력이 약할수록 시간이 빨리 흐른다'는 일반상대성이론에 따라 GPS 위성의 시계는 지상 수신기의 시간과 달리 흐릅니다.(이에 대한 예시는 영화 '인터스텔라'에서 밀러 행성으로 들어간 사람과 행성 밖에 있는 사람의 시간 흐름이 다른 것을 볼 수 있습니다.)
<영화 '인터스텔라'에서 밀러행성 장면>
이런 시간의 오차 때문에 GPS는 시간을 보정해줘야 합니다. 이 보정값은 상대성이론을 토대로 우리 핸드폰에 또는 내비게이션에 반영되어 있습니다.
마무리
상대성이론은 지금도 우주와 중력을 아주 잘 설명하는 이론 중 하나입니다. 시공간이라는 개념도 만들어 냈습니다. 또한, 거대한 우주의 모습을 가장 정확히 그려내고 있다고 봐도 과언이 아닙니다. 우리 핸드폰 안에도 이 상대성이론이 살아 숨쉬고 있고 행성들의 움직임, 빛의 움직임도 상대성이론을 따르고 있습니다. 아인슈타인의 이론은 내비게이션 GPS에서 볼 수 있듯이 매우 정확합니다. 여러분이 가진 내비게이션이 실제 위치와 거의 동일한 위치를 표시한다는 것을 보면 상대성이론이 얼마나 정확도를 가진 이론인지 아실 수 있을 것입니다.
<영화 '인터스텔라'에서 보여준 블랙홀의 중력렌즈 현상>
