박홍균의 원리한자 / 포켓속의 미국 / 상대성이론

상대성이론

4-5. 일반상대성이론을 최초로 확인시켜준 휘어진 별빛

아인슈타인은 1913년에 스위스 취리히 주립대학 교수직을 그만두고, 그가 태어나고 자랐던 독일의 베를린 대학교수로 옮아갔단다. 베를린 대학에 가서도 일반상대성이론이 그의 머리를 차지하고 있었지.

1914년 초에 아인슈타인은 독일의 천문학자이자 베를린 천문대의 연구원이었던 프로인들리히(Freundlich, 1885~1964년)와 함께 지구보다 백만 배나 큰 태양 근처를 지나는 빛의 경로를 측정하여 자신의 이론을 증명하려고 했단다.

아인슈타인은 태양이 없는 밤하늘의 별들의 사진을 찍어 놓고, 태양이 이 별들 옆을 지나갈 때 이 별들의 사진을 찍어 비교해 보면 태양에 의해 빛이 얼마나 휘어졌는지를 알 수 있다고 생각했지. 하지만 태양은 너무 밝아 주변에 있는 별들의 사진을 찍을 수 없기 때문에 달이 태양을 완전히 가리는 일식 때까지 기다려야만 했지.

[그림] 별의 실제 위치와 일식 때 관측한 별의 겉보기 위치

[그림] 일반상대성이론에 따라 질량을 가진 물체 주변을 지나가는 빛

프로인들리히는 1914년 8월 21일에 러시아에서 일어날 일식 때 태양 부근의 별들을 촬영하기 위해 7월 19일 러시아로 출발했단다. 그러나 불행히도 7월 28일 1차 세계대전이 터져 그는 간첩 혐의로 러시아의 포로가 되었단다. 이후 포로 교환을 통해 프로인들리히는 독일로 돌아왔지만 관측은 실패했지.

이 사건이 일어난 다음 해인 1915년, 아인슈타인은 일반상대성이론을 발표했지. 하지만 공간이 휘어지고, 빛이 휘어진 공간을 따라 지나간다는 발상에 대해 그리 큰 반응이 없었단다. 더욱이 이론을 증명할 만한 실험을 할 수 없었기 때문에 말 그대로 이론에 불과했지.

1918년 말 독일의 항복으로 1차 세계대전이 끝이 나고, 이듬해 봄에 영국의 천문학자 에딩턴(Eddington, 1882-1944년)이 아인슈타인이 그렇게 고대하던 사진을 찍었단다.

케임브리지 천체연구소 소장이자 퀘이크 교도였던 에딩턴은 종교적인 이유로 군에 입대하기를 거부하여 수용소에 갈 수밖에 없는 입장이 되었단다. 그러자 천문학자였던 프랭크 다이슨이 에딩턴을 군에 보내는 대신 1919년 3월 29일에 있을 일식을 관측하는 임무를 맡기자고 정부에 제안하여 허락을 받았단다.

1919년 3월 8일에 에딩턴과 그의 관측팀은 리버풀을 출발했다. 에딩턴은 만약에 대비하기 위해 관측팀을 두 그룹으로 나누어 한 그룹은 브라질의 소브랄로 향하게 했고 에딩턴이 이끄는 두 번째 그룹은 서부 아프리카의 적도 기아나 해변으로부터 조금 떨어져 있는 프린시페 섬으로 향했단다. 일식이 있던 날 두 곳 모두의 날씨가 좋지 않았지만 구름이 없는 아주 짧은 순간에 태양 주위의 별들 사진 몇 장을 찍는데 성공했지.

[그림] 1919년 11월 22일자 런던 뉴스에 실린 기사. 같은 날 뉴욕 타임즈에서는 '아인슈타인 이론의 승리(Einstein theory triumphs)'라고 실렸단다.

위의 그림은 1919년 11월 22일자 런던 뉴스에 실린 기사로, 에딩턴이 일식 때 측정한 내용을 그림으로 잘 설명해 주고 있지. 그림 맨 위에 있는 2개의 별 중 왼쪽은 실제 별의 위치(태양이 없을 때 보이는 위치)이고 오른쪽은 관찰된 별의 겉보기 위치(태양이 있을 때 보이는 위치)란다.

원 안에 있는 조그마한 화살표는 태양의 중심으로 별의 위치가 바깥 쪽으로 이동한 정도를 보여주고 있고, 네모 안의 지도는 일식을 볼 수 있는 지역을 표시한 지도란다. 브라질의 동쪽 해안에 소브랄과, 아프리카의 서쪽 해안에 프린시페 섬이 조그마한 점으로 표시되어 있지.

그림 맨 아래는 브라질의 소브랄에서 별빛을 사진기에 담는 모습이란다. 그리고 오른쪽 아래의 네모 안은 일식이 일어나는 태양을 찍은 사진이란다.

에딩턴은 영국으로 돌아와 자신이 찍은 사진을 분석하였고, 아인슈타인에게 태양을 스치는 별빛이 2000분의 1 도로 휘어서 움직인다고 계산한 값이 맞는다는 사실을 알고는 아인슈타인에게 전보를 보냈지. 아인슈타인은 이 전보를 받고 이렇게 말했다고 전해지지.

"그런 거 나는 놀랍지도 않아. 그렇지 않았다면 하느님이 애석해했을 테니까."

아인슈타인이 일반상대성이론을 발표할 때까지만 하더라도, 지금처럼 세계적으로 유명한 사람은 아니었단다. 유럽의 일부 대학의 일부 학자들에게만 알려진 사람이었지. 그런데 이 사건으로 인해 아인슈타인은 세계적인 인물이 되었고, 상대성이론도 함께 유명해졌지.

그런 배경에는, 독일과 영국이 4년이 넘는 피비린내 나는 전쟁을 막 끝내자, 영국의 천문학자들이, 적국인 독일의 물리학자 이론을 증명했다는 사실이 사람들의 관심을 끌었고 이런 사실이 전세계에 퍼져 나갔지. 당시의 분위기는 과학이 민족주의를 넘어 세계 평화에 공헌할 수 있다는 것이었지.

[사진] 아인슈타인과 에딩턴의 만남

물론 그때의 이상주의는 헛된 환상일 뿐이라는 것이 밝혀졌지. 1920년부터 아인슈타인은 유태인 차별 운동의 표적이 되었고, 프랑스에서는 아인슈타인이 독일인이란 이유로 비난을 받았지. 결국 아인슈타인은 독일시민권을 박탈당하고 독일에서 쫓겨났지. 그리고 히틀러는 다시 유럽에 전쟁을 가져왔지.

일반상대성이론을 실험으로 증명한 에딩턴은 어릴 때부터 신동으로 불릴 정도로 뛰어난 인재였단다. 1차 세계대전 중 아인슈타인의 일반상대성이론을 처음 보고는 그걸 이해하기 위해 텐서를 비롯한 비유클리드 기하학을 공부하였고, 이후 런던 물리학회에 상대성이론을 해설한 보고서를 제출하였단다.

에딩턴이 아이슈타인의 이론을 실험으로 증명한 후 기자가 찾아와 인터뷰를 하면서, "상대성 이론은 이 세상에서 단 3 명밖에 이해하지 못한다고 하던데요?"라고 물었단다. 그만큼 상대성 이론이 어렵다는 이야기였지. 이때 에딩턴은 "음... 저하고 아인슈타인 둘뿐일 텐데... 세 번째 사람은 누구지요?" 하고 진지하게 되물었다는 일화가 전해진단다.

PS) 아인슈타인은 빛이 휘어지는 것을 관찰하기 위해 일식을 기다렸지만, 지금은 중력 렌즈(gravitational lens)라는 현상으로 빛이 휘어지는 것을 관찰 할 수 있단다.

[그림] 중력 렌즈의 원리

그림을 보면, 멀리 있는 별에서 나온 빛이 지구까지 오는 도중 거대한 질량을 가진 천체(은하나 은하단)에 가려져 보이지 않아야 하지만, 천체 주변을 지나는 빛이 중력장의 영향을 받아 굴절되어 보이게 된단다. 지구에서 보면 별에서 나오는 빛이 천체 주변에 원을 그리면서 보이게 되지. 그러한 원을 아인슈타인의 링(Einstein's ring)이라 부른단다.

[사진] 아인슈타인의 링(Einstein's ring)

지구, 별, 천체가 일직선을 이루면 완전한 원으로 보이지만, 직선에서 벗어나면 원호로 보이기도 한단다.

최근에는 중력 렌즈를 연구하면서 새로운 사실을 발견하게 되었단다. 빛의 휘어짐이 일반상대성이론으로 계산하였을 때보다 더 많이 휘어진다는 것이지. 이 이야기에서 유추할 수 있는 것은, 중력 렌즈 역활을 하는 은하나 은하단의 질량이, 천문학자들이 관찰하여 계산한 질량보다 몇 배나 크다는 것이지.

이러한 현상에 대해 여러가지 재미있는 이론이 나오고 있단다.

현재, 가장 널리 받아들이고 있는 이론 중 하나는, 은하나 은하단 내에 암흑 물질(dark matter)이라고 하는 눈에 보이지 않는 물질이 있다고 하는 것이란다. 또 다른 이론 중의 하나는 아인슈타인의 일반상대성이론이 틀릴 가능성에 대해서도 이야기하고 있단다. 심지어 어떤 사람들은, 사람이 죽고 난 다음 가는 세상이 있기때문이라고 주장하기도 한단다. 물론 이 말은 과학적 근거가 전혀 없단다.

현재 과학자들은 암흑 물질의 존재를 입증하기 위해 많은 노력을 하고 있단다.

배호태
(sgd9900)

읽고는 있는데... 상당히 난해해서 머리가 아픕니다....그래도 끝까지 갑니다.
(2015-03-16 오후 5:36:15)

이현승
(neo2e)

저도 끝가지 갑니다..
(2017-05-06 오전 11:52:49)