박홍균의 원리한자 / 포켓속의 미국 / 상대성이론

상대성이론

0. 글을 들어가며

■ 아빠! 저는 지금 겨우 고등학교 2학년이며, 대학을 가더라도 공학이나 자연과학이 아닌 인문학 쪽을 전공하게 될 거라고 생각해요. 그런 제가 왜 상대성이론에 대해 알아야 할 필요가 있나요?

상대성이야기를 네게 들려주기 전에, 먼저 왜 상대성이론을 알아야하는지 이야기부터 해 보자구나.

사람들은 세상을 살아가면서 많은 것을 보고 겪게 되지. 네가 자라나면서 보아온 세상도 충분히 흥미롭고 새로웠겠지만, 아인슈타인의 상대성이론은 지금까지 네가 살아오면서 보아온 세상과는 완전히 새로운 세상을 보여준단다. 그리고 이 이야기를 하려는 동기도 그런 세상을 너에게도 보여주고 싶은 것이란다. 우리가 사는 삶이 한번 뿐이라면, 우리가 사는 세상에 완전히 새로운 세상이 있다는 사실을 모르고 살아간다는 것이 너무 억울하지 않겠니?

너는 공학이나 자연과학을 전공하지 않고, 네 말처럼 인문학 쪽을 전공하기 때문에, 과학자들이나 알면 되는 상대성이론을 알 필요가 전혀 없을 거라고 생각할 수 있겠지만, 나는 그렇게 생각하지 않는단다.

지금까지는 너는 견문을 넓히기 위해 여행을 했었고, 또 앞으로도 하게 되겠지. 여행을 하면서 새로운 세상을 만나면서 재미도 느끼고 많은 것을 배우겠지. 그리고 이런 지식들이 네가 공부를 하거나 살아가는데 많은 도움이 될거야. 만약 새로운 것을 배우기 위해 여행을 한다면, 아인슈타인의 상대성이론이야 말로 가장 멋진 여행이 되리라는 것을 확신한다.

■ 상대성이론이 완전히 새로운 세상이라고요? 도대체 상대성이론이 무엇이길래 새로운 세상이라고 이야기하는 건가요?

상대성이론의 결론에 대해 미리 조금만 이야기해보자. 상대성이론이 나오기 전의 모든 과학자나 철학자들은, 시간과 공간과 질량은 절대 변하지 않는 절대적 존재로 여겼지. 하지만, 아인슈타인은 시간과 공간과 질량이 관측자에 따라 변하는 상대적인 것이라 여겼단다. 예를 들어 움직이는 물체에서는 시간이 느리게 가고, 움직이는 방향으로의 길이가 짧아지며, 질량은 증가한다는 것이야.

■ 움직이는 물체의 시간이 느리게 간다고요? 절대 그럴리가 없어요. 말도 안돼요. 분명 아인슈타인이 뭘 잘못 알고 그런 이야기를 하는 거겠죠.

아인슈타인이 잘못 알고 있다면, 아인슈타인이 역사상 가장 유명한 과학자가 절대 될 수 없었겠지. 아인슈타인은 우리가 절대적인 진리라고 믿는 것이 틀리다는 것을 알려주었단다. 다시 말해, 아인슈타인은 우리의 뒷통수를 치면서, "네가 알고 있는 세상이 사실은 네가 알고 있는 것과 완전히 다르단다."고 이야기하고 있지.

■ 물론 저는, 시간이 느리게간다는 이야기를 절대로 믿지 못하겠지만, 만약 아인슈타인의 말이 사실이라면 우리가 알고 있는 지식 중 어디까지가 사실이고 어디까지가 사실이 아닌가요?

네가 학교에서 배우는 과목 중 절대적 진리이라고 생각하는 것들이 있지. 수학과 과학이 바로 그런 것이란다. 국어나 사회, 윤리와 같은 인문학은 사실상 절대적 진리가 무엇인지 알 수 없단다.

쉽게 이해하기 위해 윤리 문제를 하나 예를 들어보자. 1909년 중국 만주 하얼빈에서 안중근 의사는 이토 히로부미를 저격하였다. 살인을 한 안중근은 과연 좋은 사람일까? 나쁜 사람일까? 그리고 총에 맞은 이토 히로부미는?

우리나라를 강제로 빼앗아갔던 이토 히로부미를 저격하였던 안중근 의사를 우리나라에서는 영웅으로 추앙하지만, 일본에서는 살인자나 테러리스트로 취급한단다. 하지만 일본에서 이토 히로부미는 우리나라의 세종대왕 만큼이나 추앙한단다. 우리나라의 지폐에 세종대왕 초상화가 그려져 있듯이, 일본의 지폐에는 이토 히로부미의 초상화가 그려져 있단다. 일본에서는 일본의 근대화를 이끌어 지금과 같은 강대국이 되게 한 인물로 추앙받지만, 한국을 비롯한 아시아에서는 제국주의에 의한 아시아 침략과 조선 식민지화를 주도한 원흉으로 지목된단다.

이와 같이 인문학에서는, 누구나 수긍하는 하나의 답이 없단다. 어떤 의미에서, 진리라고 부를 수 있는 것이 하나도 없다고 이야기할 수 있지. 하지만 수학이나 과학은 이성적이고 합리적인 사고를 하는 사람이라면, 한국인이든 일본인이든 누구나 수긍을 하면서 옳다고 이야기하지. 따라서 수학적 명제나 과학 시간에 배우는 물리 법칙은 절대적 진리라고 할 수 있지.

과학적이고 실증적인 방법으로 진리를 탐구하려는 시작은, 고대 그리스에서 철학(philosophy)이라고 하는 학문에서 본격적으로 시작되었단다. 당시에는 수학이나 물리학이라는 학문은 별도로 없었고, 철학의 일부분으로 취급되었단다. 중세로 접어들면서 이러한 철학의 발전은 멈추게 되었단다. 역사 시간에 배웠겠지만, 서양 중세 시대를 흔히들 역사의 암흑기라고 부르지. 중세 시대에는 정치, 사회, 문화, 학문, 도덕 등 모든 것의 중심에 종교가 있었단다. 모든 학문은 신이나 성경을 연구하는 것이었으며, 하느님의 말씀이 법적 판단이나 과학적 판단의 기준이 되었단다.

예를 들어, 왜 해가 동쪽에서 뜨는지 혹은 왜 비가 오는지 물으면, 하느님의 뜻이기 때문이고, 전염병에 걸려 죽는 이유도 하느님의 뜻이기 때문이지. 모든 것이 하느님의 뜻이기 때문에 새로운 학문이 나올 수가 없었단다. 그 때의 학문은 오직 하나, 신학뿐이었단다. 즉 신에 대해서 연구하고, 신의 뜻이 무엇인지 연구하는 것이지. 당연히 과학은 발전하지 않았겠지.

하지만, 오랜 중세 암흑기가 서서히 막을 내리면서 르네상스(Renaissance) 라는 역사 시기가 도래하면서 근대사가 시작되었단다. 당시 유럽 사회는 과학의 발달로 신의 영역이었던 자연계의 법칙들이 속속 밝혀지면서 신의 자리까지 넘보게 되었단다. 예전에는 비가 오는 것도 신의 뜻이고 혜성이 나타나는 것도 신의 뜻이라 생각했지만, 이제는 과학적으로 설명이 가능하게 되었지. 또 전염병에 생기면 왜 전염병에 생기는지 원인을 설명할 수 있고, 따라서 치료법도 나오게 되었지. 과학을 이용하면 언제 일식이나 월식이 오는지, 혜성이 언제 다시 나타날지에 대한 예언도 가능하게 되었지.

과학의 시대는 다른 말로 이성의 시대라고 할 수 있단다. 이 시대는 종교가 이야기하는 무조건적인 믿음보다 이성에 의한 과학적 연구가 우주와 자연을 이해하는데 더 합리적이라고 생각하였지. 이제 전지전능했던 신은 자리에서 물러나고 합리적인 자연 과학이 그 자리를 앉는 시대가 도래하였단다.

프랑스의 수학자, 물리학자, 천문학자이자 '프랑스의 뉴턴'이라고 불렸던 라플라스(Laplace, 1749~1827년)는 나폴레옹에게 이런 말을 했단다.

"우주를 설명할 때 신이라는 가설은 필요하지 않습니다."

이후, 17세기에서 19세기에 이르기까지 과학은 폭발적으로 발전하게 된단다. 인류 역사를 두고 보면, 이 짧은 기간에 우리가 누리고 있는 과학 문명의 대부분이 이루어졌지. 특히 물리학에서는 뉴턴 이후 새로운 이론이 탄생되지 않았고, 뉴턴의 운동 법칙만으로 전 우주의 운동을 모두 예측할 수 있다고 믿게 되었단다. 19세기 말에 이르러서는 이제 모든 인간들은 수학이나 과학으로 우주의 진리를 알 수 있게 되었다고 생각했고, 우주에서 더 이상 발견될 자연의 절대적 진리는 없다고 생각했지.

하지만 20세기 초 아인슈타인이 상대성이론을 발표하면서, 우리가 지금까지 알고 있던 수학적 명제나 물리 법칙들이 모두 틀렸다는 것이 드러났단다.

■ 수학 시간과 물리 시간에 배운 명제나 공식이 모두 틀렸다고요? 그렇다면 무엇이 틀렸는지 구체적으로 몇가지만 이야기해 주세요.

아인슈타의 상대성이론에 따르면, 네가 물리 시간에 배운 질량불변의 법칙이나 에너지 보존의 법칙이 모두 무효화가 되었단다. 아인슈타인 이전에 최고의 물리학자였던 뉴턴의 만유 인력 법칙도 더 이상 절대적인 법칙이 아니란다. 질량이나 시간이 움직이는 속도에 따라 변한다면, 물리 시간에 배운 모든 운동 법칙도 틀렸단다.

수학을 예를 들어 보자. 우리가 살고 있는 우주 어디에도 삼각형의 내각의 합은 180도가 되는 곳이 없단다. 유클리드의 평행선 공리도 더 이상 성립되지 않게 되지.

[그림] 아인슈타인은 우리가 절대적인 진리라고 믿었던 많은 사실들을 틀렸다고 이야기하고 있단다.

■ 잠깐만요! 질량불변의 법칙이나 에너지 보존의 법칙, 그리고 만유인력 법칙이 틀렸다고요? 그리고 삼각형의 내각의 합이 180도가 아니라고요? 아인슈타인의 상대성이론이 맞다면, 우린 학교에서 틀린 지식을 배우고 있다는 이야기가 되나요?

그래! 학교 수학시간이나 물리시간에 배운 것은 더 이상 절대적 진리가 아니고, 근사한 진리에 불과하단다. 예를 들어, 네 몸이나 돌덩어리에서 열(에너지)이 나오면, 네 몸이나 돌덩어리의 질량은 줄어든단다. 이때 줄어드는 질량이 너무 적어 우리의 감각기관으로는 전혀 느낄 수가 없었기 때문에 질량은 절대 변하지 않는다고 이야기한 것이야. 흡사 현미경이 없던 시절에 세균이나 바이러스가 이 세상에 존재하지 않는다고 생각한 것과 똑같지.

만약 물체에서 엄청난 열(에너지)이 나온다면, 눈에 보일 정도로 질량이 많이 줄어든단다. 그런 예가 원자폭탄이나 원자력 발전소란다. 원자폭탄이나 원자력 발전소 내의 우라늄에서는 많은 열(에너지)가 나오는 대신, 눈에 보일 정도의 질량이 줄어든단다. 반대로 네 몸이나 돌덩어리가 열을 흡수하면 질량이 늘어난단다.

아인슈타인의 상대성이론에 따르면, 우리가 살고 있는 우주는 중력으로 인해 휘어져 있기 때문에, 이런 휘어진 공간에서의 삼각형(세개의 직선으로 둘러싸인 도형)의 내각의 합은 180도가 아닐 뿐 더러, 유클리드의 평행선 공리도 성립하지 않는다는 것이지. 그렇지만 우리가 살고 있는 공간의 휘어진 정도가 아주 작아 학교에서 배운 공리를 그대로 사용해도 큰 문제는 없단다. 하지만 블랙홀 주변과 같이 중력이 아주 큰 공간에서는 전혀 쓸모가 없단다.

■ 아빠, 됐거든요. 저는 물리도 싫고, 아인슈타인도 싫고, 무슨 말인지 하나도 모르는 저런 이야기는 더욱 싫어요. 더욱이 나는 물리나 수학이란 단어만 들어도 몸서리가 쳐져!

하지만, 안심해라. 아인슈타인의 상대성이론을 이해하기 위해, 네가 상상하듯이, 칠판에 빼곡히 적힌 복잡한 수학이나 물리 공식 같은 것을 알 필요는 전혀 없단다. 기껏해야 네가 중학교 수학 시간에 배운 피타고라스 정리와 과학 시간에 배운 뉴턴의 운동법칙만 이해하는 정도의 상식만 있으면 된단다. 혹시 뉴턴의 운동법칙을 모른다고 해도 상관이 없단다. 내가 다시 한번 쉽게 설명해 줄 테니까. 하지만 상대성이론은 발표될 당시 전세계에서 몇 명만이 이해하였단다.

■ 아빠 말은 앞뒤가 맞지 않잖아요. 중학교 때 배운 피타고라스 정리와 뉴턴의 운동법칙을 알면 아인슈타인의 상대성이론을 이해할 수 있다고 했는데도 불구하고, 100년 전이기는 하지만 당시의 과학자들이 피타고라스 정리와 뉴턴의 운동법칙을 몰랐을 리도 없을 텐데... 왜 그 사람들은 이해를 못했나요?

이 질문에 대한 가장 적절한 답변은, 바로 자신들이 지금까지 절대적이라고 믿었던 진리가, 진리가 아니라는 사실이 너무나 충격적이었기 때문이라고 밖에 답변을 할 수 없구나. 만약 "지금까지 절대적이라고 믿고 있는 진리가, 진리가 아니었다"는 사실을 쉽게 받아 들인다면, 아인슈타인의 상대성이론은 분명히 5분이면 이해가 된다고 확신한다. 5분이라는 이야기를 못 믿겠다고... 나중에 보면 알겠지만, 아인슈타인의 상대성이론이 너무나 간단해서 아마 허탈감마저 들 거라고 아빠는 장담한다.

내가 상대성이론에 대해 이야기하면서 너에게 진정으로 하고 싶은 이야기는, "우리가 알고 있다는 것은 무엇이며, 우리가 알 수 있는 것이 무엇이며, 우리가 알고 있는 사실이 절대 진리인가? 또, 알게 되는 과정에서 우리의 이성의 역할은 무엇인지? "에 대한 답변이란다. 철학에서는 이런 질문들을 인식론이라고 하지.

그리고 이런 질문에 대한 답변이 있어야만, 네가 살아가면서 부딪히게 되는 여러가지 질문들(인문학에 대한 질문이든, 인생에 관한 질문이든)에 대한 답변도 할 수 있겠지.

아인슈타인의 상대성이론은 과학에도 많은 영향을 미쳤지만, 인문학인 철학에도 많은 영향을 미쳤단다. 사실 근대(近代)까지만 하더라도 서양에서는 과학과 철학은 하나의 학문이었단다. 철학이 세상의 모든 진리를 탐구하는 학문이기 때문에, 자연의 진리를 탐구하는 과학도 철학의 일부였단다. 이후 과학이 발달하면서 철학에서 분리되었단다. 따라서 상대성원리에서 철학적인 이야기를 하는 것은 전혀 새삼스러운게 아니란다. 아인슈타인은 "철학은 과학으로 부터 결론을 얻어야 한다"고 이야기했단다. 아마 네가 이 글을 끝까지 읽어 보면, 이 말의 뜻을 이해하게 될 것이라고 확신한다.

한누리
(sb31010)

와 이렇게 정리 잘되어있는건 첨보네요 ㄷㄷ
(2013-04-20 오전 2:14:35)

김원
(zcocos1)

방장 및 저자 = 천재x천재
(2013-07-04 오후 4:06:26)

노태경
(dentrtk)

대단 하십니다, 박홍균 님
(2014-02-26 오전 11:46:22)

최용민
(william153)

이름만 들었던 미지의 세계로 여행을 떠나는 긴장감이 있군요
(2014-05-27 오전 10:33:10)

김두신
(tempid66)

아,,,, 시작부터 상당히 기대가 됩니다. 철학과 과학은 상보적이어야 하며 실험실에서 증명되지 못하고 있는 이론은 증명시까지 철학적 해석으로 타협(?)해야 한다고 봅니다.
(2014-11-08 오전 10:19:08)

배홍기
(kudotcom)

상대성이론 을 이해할려고 검색.... 가입했습니다... 배경지식이 엄청 필요하군요 어려운이론을 접근할수있도록 힘써주셔서 감사드립니다..꾸벅
(2015-07-23 오전 10:17:55)

김기춘
(susan622)

와우 머리속에 쏙쏙 들어오게 하셨네요.. 저는 과학에 관심이 많았던 사람중 한 사람입니다..
(2015-08-12 오후 7:32:42)

이현승
(neo2e)

서양 미술사에 대한 관심으로 부터 세계사에 대한 여러 책을 읽고 있는데 우리가 알고 있는 절대 진리라는 것은 과학문명의 발전으로 마치 변증법처럼 변해 간다는 느낌을 지울 수 없습니다. 기회가 되시면 한 번 인공지능에 대한 개인적인 얘기를 풀어주셨으면 합니다.
(2017-04-17 오후 12:38:47)

조준영
(liger0327)

상대성 이론 안에서도 에너지(=질량)은 보존됩니다.
(2017-09-15 오후 8:26:10)

조준영
(liger0327)

또한, 돌덩이가 우라늄이어서 방사성 동위원소 붕괴를 하는게 아니라면 열이 난다고 질량이 줄지는 않습니다. 상기 글에서 예를 든 것은 복사의 개념입니다.(주는것 받는것 모두 동일) 전자기파의 형태로 전파되는 복사에너지를 받거나 내놓을 땐 애당 물질의 질량이 줄어드는 것이 아니라, 온도(=열에너지)가 변하는 것입니다. 온도는 물체의 운동에너지로 치환하여 표현이 가능한 물질을 이루는 분자(혹은 원자)의 진동입니다. (실제로는 조금 다릅니다만, 제 지식의 범위를 넘어가 이렇게 표현했습니다.) 온도가 올라가고 내려가는 것은 이 진동이 강해지거나 약해지는 것이지 물질의 질량이 변하는 것은 아닙니다.
(2017-09-15 오후 8:32:15)

조준영
(liger0327)

추가로, 원자력 발전과 핵폭탄은 실제로 질량이 에너지로 변환 된 것이 맞습니다. 다만, 모든 에너지의 교환이 다 질량의 변화를 수반하는 것은 아닙니다.
(2017-09-15 오후 8:34:59)

박홍균
(hkpark)

조준영씨의 의견 감사합니다만, "7-2. 방정식 E = mc² 구하기"를 한번 읽어 보시길 바랍니다.
(2017-12-08 오전 10:40:25)

김연하
(yakim1)

아무것도 모르는 상대성 원리에 대해 공부하고 싶네요.
(2019-03-02 오전 11:20:41)