‘아는 것이 힘이다!’라는 유명한 말을 남긴 것으로 알려진 베이컨은, 학문의 카테고리를 지금까지도 유효한 체계로 분류했다. 그는 자신의 저서 ＜학문의 진보＞에서 기억과 이성, 상상력을 각각 역사와 철학(과학), 예술로 분류했다. 그가 남긴 분류기준에 따라 아리스토텔레스 이래로 하나였던 학문들은 점차 세분화되기 시작했다. 그리하여 세 가지 분류 중 하나인 과학은 철저히 이성적이고 실증적인 논리에 따라 검증이 되어야만 하는 학문으로 여겨졌다. 만유인력을 발견한 뉴턴이 남긴 ‘나는 가설을 만들지 않는다’라는 말은 과학이 얼마나 냉철한 이성적 논리에 집착했는지를 보여주는 사례다.

  아인슈타인이 직접 집필한 본 서적 ＜상대성의 특수이론과 일반이론＞은 그와 같은 자세로 접근한다면, 절대로 이해할 수 없는 물리학이라고 말하고 싶다. 우리 주변에서 일어나는 일이 아닌, 빛의 속도를 가정해야하고, 우주의 천체들 사이에서 일어나는 일, 보이지 않는 힘, 한 번도 의심해보지 못한 차원의 왜곡 등 모든 것에 대해 상상력을 총동원해서 그의 이론을 그려나가야 한다. 경험해보거나 의심해보지 못한 것들이기에 상상을 하는 것 또한 쉽지 않지만, 아인슈타인은 서문에 ‘독자가 대학입학자격 시험을 칠 수 있는 정도의 교육 수준을 갖추었다고 전제한 가운데 씌어졌다’라고 아주 친절하게(?) 1916년 당시 고등교육을 이수한 정도의 사람이면 충분히 이해할 수 있다고 말한다. 지금 우리의 교육 수준을 본다면 1916년보다 한참을 상회하는 수준이라고 나는 생각한다. 그렇기에 아인슈타인의 말대로라면 나는 이 책을 쉽게 읽어나가야 하지만, 매 페이지마다 새겨진 활자들은 1톤처럼 무거워 넘기기가 다음 페이지로 넘기기가 너무나 힘겨웠다. 인류 역사상 최고의 천재로 손꼽히는 사람의 기준에서 나름 쉽게 풀어쓴 책이라고 보면 좋을 듯하다.

- 무너지는 시간의 절대성

  아인슈타인이 책을 서술하는 방식은 매우 논리적이다. 기존의 고전 역학에서 미처 발견하지 못했거나, 모순된 부분을 자신이 주창한 상대성 이론의 관점에서 조목조목 반박한다. 1부에서는 고정된 물체와 운동하는 물체의 주변에서 일어나는 사건들을 제시하며, 시간이 상대적으로 변한다는 것을 설명한다. 움직이고 있는 기차의 양쪽에서 번개가 동시에 내려친다고 가정(기차는 번개가 내려치는 순간 정확히 중간에 위치한다)할 때, 번개의 빛이 중간에 있는 기차를 향해 오는 시간은 차이가 난다. 기차가 두 번개 중 하나를 향해 빛에 가까운 속도로 움직이고 있다고 가정하자. 기차는 움직이는 중이기 때문에, 둘 중 하나의 번개를 향해서는 거리가 가까워지고 있고, 다른 하나를 향해서는 멀어진다. 그 사이에서 두 번개의 빛이 도달하는 시간은 분명히 차이가 난다. 그렇기에 기차 안에서 그것을 관찰하는 사람이 보면 양쪽에서 번개가 내려친 것은 절대로 ‘동시’가 아니다. 하지만, 기차 밖에서 고정된 채로 같은 사건을 관찰한 사람이 보면, 번개는 양쪽에서 동시에 내려친다. ‘동시의 상대성’이다. 어느 곳에 위치한 사람을 기준체로 잡느냐에 따라, 사건을 관측하는 시간이 상대적으로 변하는 것이다. 시간의 절대성이 처음으로 무너진 것이다.

  아인슈타인 이전에는 세계를 3차원으로 봤다. x, y, z로 모든 것을 설명할 수 있는 3차원의 공간. 하지만, 위에 설명했듯이 시간(t)의 항상성이 무너져버리고, x, y, z, t로 이루어진 4차원의 시공간으로 세계는 다시 설명된다.

- 중력에 의해 변형되는 공간

  이처럼 시간의 상대성을 발견하고 체계화 시킨 것이 ‘상대성의 특수이론’이다. 하지만, 특수이론이라는 말에서 느껴지듯이, 그 이론은 특수한 상황에서만 적용이 가능했다. 중력을 배제했을 때만 가능한 이론이었다. 아인슈타인은 중력의 문제를 해결하기 위해 끊임없이 과학적 상상에 빠져들어 연구를 했다. 빛은 중력의 영향을 받지 않는데, 왜 가속하는 물체의 중력장 안에서 빛은 휘어져서 들어오는지가 해결되지 않는 문제였다. 이 책에서 아인슈타인은 가설을 세웠다. 빛이 휘어져 들어오는 것은 중력장이 공간에 영향을 미치기 때문이라고. 실제로 이 책을 쓴 뒤 3년 뒤인 1919년 에딩턴이 일식이 일어날 때, 태양 뒤편의 별을 관측했고 태양의 중력장으로 인해 공간이 변형된다는 사실을 발견했다. 공간이 태양의 강력한 중력장에 의해 변형되어 있고, 그 변형된 공간 속을 지구를 비롯한 다른 행성들이 그 스스로도 공간을 변형시켜 공전하고 있음도 밝혀진 것이다. 사실 뉴턴은 만유인력을 발견하기는 했지만, 작동 원리를 알지는 못했다. 이것을 아인슈타인이 공간이 변형되어 행성들 사이에 공간이 굴곡지고, 그 정도에 따라 태양 주위를 공전한다는 사실을 밝혀낸 것이다.

  3부에 이르러서는 우주의 형태에 대해서 다루는데, 이 책을 쓸 당시의 아인슈타인은 우주가 불완전한 구형에 가까우며, 유한한 공간을 가진다고 말한다. 하지만, 약 15년 후에 허블이 우주가 팽창하는 근거를 발견하고 자신의 실수를 인정하는 일이 벌어지기도 한다.

- 인식론의 전환

  아인슈타인의 이론을 조금이라도 알기 위해, 본 서적 ＜상대성의 특수이론과 일반이론＞을 읽었다. 사실 상대성 이론에 대해 안다고 하더라도, 실생활에는 큰 변화가 없다. 인간의 감각으로는 절대로 느낄 수 없을 만큼 미미한 정도에 그치는 상대성의 원리가 우리 실생활에는 존재한다. 하지만, 이와 같은 거대한 이론을 앎으로써 우리의 인식은 크게 변할 수 있다. 이를 테면, 프로이트가 무의식의 영역을 발견하고 ‘이드’라 이름 붙이기 전에는 인간의 심리적 상태에 대해 종교적인 접근 밖에 이루어지지 못했다. 그러한 영역이 존재한다는 것에 대해 심지어 알지도 못했다. 하지만, 지금은 개인의 정신 건강과 심리적 상태에 대해 매우 높은 관심과 연구가 이루어지고, 실생활에서도 우리는 무의식이라는 단어를 꽤 많이 쓴다.

  상대성 이론도 그러한 것이다. 알든 모르든 우리는 살아왔다. 하지만, 시간이 항상성을 가진 것이 아니라는 것, 공간이 왜곡될 수 있다는 것, 우주에서의 거대하고 신비로운 일에 대해 관심을 가진 다는 것은 우리의 인식론을 크게 바꾸어 놓는다. 왜 ＜인터스텔라＞에서 블랙홀이 과거의 정보를 빛을 통해 흡수함으로써 그 속에 보존하고 있고, 쿠퍼는 과거의 머피와 모스부호를 통해 소통을 할 수 있는지를 이해할 수 있다는 것이. 우주의 밖에 또 다른 우주, 다중 우주가 존재한다는 것을 가정할 수 있다는 것이. 우주의 현상을 이해하고 인식하는 범위가 확장된다는 것이, 자기 내면의 우주를 이해하는 것만큼이나 즐거운 일이 될 것이니까. 세상은 아는 만큼 보인다고 한다. 더 많이 본다는 것은 분명히 유쾌한 즐거움을 가져다 줄 것이다.

주변 친구들을 보면 사회과학 도서나 철학, 경제 관련 도서는 별 부담감 없이 읽는데

자연과학 분야 도서는 왠지 이해하기 어려울 것 같다는 생각으로 기피하는 경우가 많다.

개인적으로 공학을 전공했지만 나조차도 학습을 위해서도 아니고 그냥 일상생활에서 읽을 책을 고르라고 하면 선뜻 과학분야 책은 손이 안가는게 사실이다.

헌데 대학 때 양자역학 공부에 너무 힘을 쏟느라 ^^;; 

상대적으로 소홀이 했던 상대성이론 관련 책을 읽고 싶다는 생각이 문득 들어서 구매했는데.....

호오....꽤 괜찮다.

특히 전공자가 아니라 공대 진학을 앞둔 고등학생이 수능을 마치고 미리 읽어두면

대학에 가서 고급 물리학이나 1학년 전공 필수 교과를 들을 때 필히 도움이 될만하다.

그러면서도 지겹지 않고 호기심을 자극하는 질문 던지기로 책장이 더디게 넘어가지도 않고,,,,

여러모로 추천할만 하다.

알버트 아인슈타인이 일반 독자들을 위해 쓴 상대성의 특수이론과 일반이론은 재미있는 책이다. 최근 중력파의 발견으로 인해 다시 주목받고 있는 아인슈타인에 대해 조금 더 다가갈 수 있는 내용으로 되어 있고 물리학에 관심있고 이해력이 있다면 어렵지 않게 읽을 수 있다. 

특수상대성 이론 발표에 이어 일반 상대성 이론까지 발표한 아인슈타인의 이론을 자세히 들어가보면  '중력파(重力波)' 가 있다. 빛까지 왜곡할 수 있는 질량의 별에서 발생하는 중력파는 지구나 태양 같은 질량 정도의 항성이나 행성에서는 발생하지 않는다. 상상할 수 없는 에너지를 발생하는 빅뱅이나 블랙홀, 무거운 중성자별 같은 질량의 천체의 주변에는 눈으로는 보이지는 않지만 시공간이 왜곡하는 곳에서 나온 중력파가 서서히 퍼져나간다. 

아인슈타인의 일반상대성이론에서 거론된 중력파는 무려 1,000여 명의 연구진이 참여한 '고급 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 과학 협력단'이  검출하는 데 성공하였다. 각각 태양의 36배, 29배의 질량을 가지고 있는 블랙홀 두개가 결합하여 태양보다 62배 무거운 블랙홀이 되었다. 중력파의 속도는 빛의 속도와 같다. 무려 13억 광년이라는 시간을 날아온 것을 잡아낸 것이다. 이것의 검출이 가능한 것은 엄청나게 미세한 진동도 잡아낼 수 있는 중력파 관측 설비 LIGO에 의해서이다. 무려 2억 9,200만 달러이니 한국돈으로 3,000억에 달한다. 

중력파를 어디에다가 쓸 수 있을까. 우선은 137억 년 전에 터진 빅뱅의 중력파를 잡아낼 수 있다면 우주 탄생의 비밀을 밝혀내고 천체 관측에도 이용할 수도 있다. 중력파는 2016년에야 잡아냈지만 전자기파는 1885년에 하인리히 루돌프 헤르츠가 발견해냈고 그 전자기파 기술은 지금 스마트폰 통신에 응용되어 사용되고 있다. 상대방과 전화를 하면서 앞에 있는 누군가와 이야기하고 있다면 바로 앞에 있는 사람보다 전화를 받는 상대방이 당신의 목소리를 더 먼저 듣는다. 전자기파의 속도는 빛의 속도로 움직이기 때문이다. 

태양의 질량을 계산해보면 현재 약 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000톤이고 하루에 7,000,000,000,000톤을 수소연료로 소모하고 있다. 이 정도 무게 가지고 유의미한 공간 왜곡은 일어나지 않는다. 따라서 중력파가 발생할 가능성도 적다. 그러나 공간과 시간을 찢어낼 정도로 무거운 중성자별이나 블랙홀의 주변에서는 물결 파동이 일어나듯이 천천히(솔직히 천천히는 아니다. 빛의 속도로 움직이니까) 퍼져나간다. 이때 광양자 잔존물이나 중성미자도 같이 빛의 속도로 움직인다. 

이를 100년 전에 발견한 아인슈타인은 어떤 의미에서는 천재이고 어떤 의미에서는 비범한 정도의 사람일지 모른다. 아인슈타인은 통찰력 부분에서는 타의 추종을 불허할 정도의 천재라고 볼 수 있지만 수학적으로는 평범함보다 조금 높은 수준이었다. 그에게 수학을 가르쳤던 헤르만 민코프스키는 이렇게 말하며 그의 수학 실력을 한탄해했다. 

"미묘한 이론을 제시한 아인슈타인의 발표는 수학적으로는 정말 짜증 날 정도였다. 나는 취리히에서 아인슈타인에게 수학을 가르쳤기 때문에 충분히 이렇게 말할 자격이 있다고 본다." 

지금은 누구인지도 모르는 마르셀 그로스만에게 아인슈타인은 수학적으로 도움을 요청하기도 했다. 그런 아인슈타인은 1919년 11월 10일 '뉴욕 타임스'에 아래와 같은 헤드라인으로 실리며 유명 인사가 되었다. 

빛이 하늘에서 빗겨나감 : 온 과학계가 일식 관찰 결과로 술렁거림

즉 직진만 하는 것이 당연하다는 빛이 무거운 질량의 별의 주변 왜곡에 의해 휘어지는 것이고 이는 아인슈타인이 일반상대성 이론을 발표하고 난 다음 해에 발표한 중력파에 대한 것도 같이 공식적으로 인정한 것이다. 다만 확인한 것이 2016년일 뿐이다. 처음에는 극소수의 사람들만이 아인슈타인의 이론을 이해했다. 그렇기에 탁월함에 대한 열망이 아인슈타인의 고유의 이미지로 자리 잡았다. 

한국교육계는 천재에 대한 기준을 이상하게 생각하고 있다. IQ가 높아서 수학적으로 계산을 잘하던가 일반인을 넘어선 암기력을 가진 사람을 천재의 기질을 가지고 있다고 착각한다. 천재는 계산이 빠르다던가 원주율을 소수점 이하 수백 자리까지 외우는 것 따위가 아니다.  

아인슈타인은 자신에게 쏟아지는 관심과 명성에 대해 이렇게 말했다. '상상력이 만든 재미있는 업적'

탁월함에 대한 열정과 성인이 되어서도 끊이지 않는 상상력이 비범한 발견을 이루어낸다.