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상대성이론

4-10. 상대성이론의 결말 - 시간과 공간, 물질과 에너지의 통합

자! 오늘은 아인슈타인의 상대성이론에서 나왔던 시간과 공간, 물질(질량)과 에너지의 관계에 대해 종합적으로 정리해보자.

상대성이론의 주연 배우인 빛(전자기파)이 파동의 일종이라는 것은 이젠 너도 알겠지. 자연계에 있는 모든 파동(예를 들면 파도나 소리)은 멀리 퍼져나가는 성질이 있는데, 파동이 멀리 퍼져 나기기 위해서는 매질이라고 하는 물질이 있어야 한단다. 예를 들어 소리가 퍼져나가기 위해서는 공기가 있어야 하고, 파도가 퍼져 나가려면 물이 있어야 하는데, 공기와 물은 모두 물질이란다. 이런 물질이 없는 진공 속에서는 소리나 파도가 퍼져 나갈 수 없단다.

또 다른 파동의 성질 중에 하나는, 에너지를 전달한다는 것이란다. 예를 들어, 우리가 말을 하면 주변의 공기가 진동하고, 이러한 공기의 진동은 귀의 고막을 진동시켜 소리가 들리도록 만든단다. 즉 고막을 진동시키는 에너지는 공기의 진동(파동)에서 나왔다고 볼 수 있지.

전자기파도 소리와 마찬가지로 에너지를 전달한단다. 예를 들어, 방송국 안테나에서 발사된 전자기파는, TV나 라디오에 달려 있는 안테나 내의 전자를 진동시켜 전류를 일으킨단다.

[사진] 전자레인지 오븐(microwave oven). 전자기파의 일종인 마이크로파(microwave)로 에너지를 전달하여 음식물을 데운단다.

태양은 1초에 4백만 톤의 질량을 태워 나오는 빛(전자기파)을 전 우주로 날려 보낸단다. 그 중 극히 일부는 지구에 도달하여, 식물을 성장시키고, 바닷물을 증발시키며, 네 피부를 태우기도 한단다. 즉, 태양 빛(전자기파)도 에너지를 가지고 있다는 증거이지.

전자기파가 파동이라는 사실을 처음으로 알아 낸 맥스웰은, 모든 파동이 그렇듯이, 전자기파도 매질을 통해 전파된다고 생각하였단다. 그리고 그러한 매질을 에테르(Ether)라고 불렀고, 전자기파가 퍼져 있는 공간을 전자기장(電磁氣場)이라고 불렀다.

앞에서도 이야기했듯이, 에테르의 존재에 대해 많은 과학자들이 논쟁을 하였는데, 아인슈타인이 특수상대성이론을 발표하면서 에테르가 없다는 결론을 내렸단다. 즉 전자기파는, 기존의 파동과는 달리, 아무런 매질도 없는 진공 속에서도 퍼져 나갈 수 있다는 것이지.

"에테르가 있느냐? 없느냐?"하는 문제는 사실 별 것 아닌 문제라고 할 수 있지만, 에테르가 없어도 전자기파가 퍼져 나갈 수 있다는 사실은, 지금까지 우리가 알고 있었던 물질과 공간의 개념은 완전히 바꾸어 놓았단다.

당시 사람들은 물질만이 에너지를 가질 수 있다고 생각하였단다. 예를 들어, 전기 에너지, 열 에너지, 화학 에너지, 핵 에너지, 운동 에너지 등은 모두 물질에서 나온단다. 파동도 마찬가지란다. 파도가 가지는 에너지는 물(물질)이 상하 진동을 하는 운동 에너지이고, 소리가 가지는 에너지는 공기(물질)가 진동하는 운동 에너지이지. 하지만 에테르(물질)가 없다면, 전자기파는 어떻게 에너지를 전달할까?

에테르가 없다면 전자기장 스스로가 에너지를 가질 수 밖에 없겠지. 그런데 이 이야기는 아주 중요한 의미를 가진단다. 만약 물질 만이 에너지를 가질 수 있다면, 전자기파는 기존의 물질과는 다른 형태의 물질이라고 생각할 수 있기 때문이지. 그리고 이런 생각은 아인슈타인의 특수상대성이론에서 사실로 밝혀졌단다.

아인슈타인은 '질량을 가진 물질에서 전자기파가 방출되면 질량이 감소한다'는 사실에서, '질량을 가진 물질은 에너지를 가진 전자기파로 변환될 수 있다'는 사실을 발견하였고, 그러한 사실을 E = mc²로 표현했었지.

에너지 = 물질(질량)

비유를 하자면, 손으로 만질 수 있는 얼음(고체)이 만질 수 없는 수증기(기체)로 변할 수 있듯이, 만질 수 있는 물질(질량)이 만질 수 없는 전자기장(에너지)으로 변할 수 있다는 이야기가 되지. 다시 말해, 얼음과 수증기는 같은 것인데 형태만 다르듯이, '물질과 전자기장(에너지)도 같은 것인데 형태만 다르다'는 이야기가 되지. 이제, "전자기장은 기존의 물질과는 다른 형태의 물질이다"는 이야기가 이해되니?

그렇다면 만질 수 없는 물질, 즉 만질 수는 없지만 에너지를 가지고 있는 물질은 전자기장만 있을까? 일반상대성이론에서 말했듯이 중력이 미치는 공간(휘어진 공간)도 에너지를 가지고 있단다, 그리고 이런 공간을 중력장이라고 하지.

그렇다면, 이제 우주는 '만질 수 있는 물질'과 '만질 수는 없지만 에너지를 가지고 있는 물질(전자기장과 중력장)'로 이루어져 있다고 할 수 있지. 전자기장과 중력장의 영향은 우주 끝까지 미치기 때문에(물론 우주 끝까지 가면, 힘의 크기는 거의 0에 가까워지겠지만), 우리가 지금까지 아무 것도 없다고 생각하여 진공(眞空) - 진짜(眞)로 비어있다(空)는 뜻이란다 - 이라 불렀던 우주의 빈 공간도 사실은 물질로 가득 차 있단다.

[그림] 예전에는 우주에 물질과 빈공간이 있다고 생각했으나, 사실은 물질로 가득 차 있단다.

지금까지 우리는, 눈에 보이고 만지거나 느낄 수 있는 물질(나무, 물, 공기 등)만 물질이라고 생각했지만, 전자기장이나 중력장과 같은 에너지도 형태가 다른 물질이라고 생각하면, 우주 공간에는 빈 곳이 없이 물질로 가득 차 있다는 뜻이 되지.

더 나아가, 일반상대성이론에 따르면 질량이 있는 물질 주변의 공간이 휘어진다고 했는데, 이는 곧 물질과 공간은 별개가 아니라 하나의 연속체라고 볼 수 있단다. 이 이야기를 등식으로 표현하면 다음과 같겠지.

공간 = 물질

이제 아인슈타인의 스승인 민코프스키가 이야기한 '시간은 공간과 같은 물리량이다'는 것을 등식으로 표현하면 다음과 같아지겠지.

시간 = 공간

이제 위의 식을 모두 모아 보자.

시간 = 공간 = 물질 = 에너지

이것이 아인슈타인의 상대성이론의 결말이란다. 결말이 정말 충격적이지 않니?
아마 네가 앞쪽의 글을 읽지 않고 이 결말만 본다면, 내가 허황된 이상한 이야기나 하는 사람으로 보일지 모르겠구나.

[그림] 일반상대성 이론은 중력이 있는 시공간은 에너지, 더 나아가 물질과 동일하다고 이야기하고 있단다.

하지만 아인슈타인은 여기서 그치지 않고, 더욱 허황된(?) 이야기를 한단다. 물질이 없으면 시공간은 아예 존재하지 않는다고 하지. 시공간이 곧 물질이라면, 너무나 당연한 이야기가 아니니? 더 나아가, 시공간에서 물질을 들어내면 빈 시공간만 남는 것이 아니라 시공간(시간과 공간) 자체가 사라진다고 이야기하지.

만약 네가 계속 과거로 가면 우주가 탄생되는 시점(빅뱅)에 도달하겠지. 우주가 탄생되면서 물질이 생기고 시공간(시간과 공간)도 함께 생겨났다는 것이지. 즉 우주가 생기기 전에는 공간은 물론 시간도 없었다는 이야기가 되지. 시간이 없었다는 것이 이해가 되지 않는다고? 네가 계속 남쪽으로 가면 마지막에 남극에 도달하겠지. 그럼 남극에서 더 남쪽으로 가면 무엇이 있겠니?

[그림] 네가 남쪽으로 계속 가서 남극에 도달하면 더 이상 남쪽으로 갈 수 없듯이, 과거로 계속 돌아가 우주가 탄생되는 시점(빅뱅)에 도달하면 더 이상 과거로 갈 수 없단다.

지구의 남극에서는 더 이상 남쪽으로 갈 수 없듯이, 우주가 생긴 시점에서 더 이상 과거로 갈 수 없단다. 또 아인슈타인의 말에 의하면, 지구의 아무 지점에서나 똑바로 앞으로만 가면 제 자리로 돌아오듯이, 우주의 아무 지점에서나 똑바로 앞으로만 가면 언젠가는 다시 제자리로 돌아온단다. 지구의 표면이 휘어진 2차원 공간이듯이, 우주도 휘어진 4차원 공간이기 때문이지.

이와 같이, 상대성이론은 우리에게 우주의 탄생과 존재의 비밀을 보여주는 열쇠를 주었단다.

현정
(jhyun589)

고맙습니다 감동입니다 ^!^
(2015-11-05 오후 4:59:13)

이현승
(neo2e)

덕분에 시간의 역사라는 책을 다시 읽을 수 있게 되었습니다.
(2017-05-09 오후 1:13:18)

스페이스
(maxjix)

와...지금까지 공간에 대한 엄청난 갈증을 해결하였습니다. ㅜㅠ 감동입니다. 어느 다큐, 어느 책보다 너무나 쉽고 명쾌하게 설명하네요. ㅜㅠ
(2019-04-07 오후 1:40:35)