"모두가 알지만, 누구도 모르는 상대성이론의 모든 것!"

《상대성이란 무엇인가》의 카피 문구다. 이보다 더 핵심을 찌르는 문구는 없을 것이다. 아인슈타인 그리고 상대성이론(일반 상대성 이론과 특수 상대성 이론)을 들어보지 않은 사람은 없을 것이다. 하지만 그 이론을 설명할 수 있는 사람은 몇 명이나 될까. 나 역시 지극히 평범한 문과생으로, 상대성이론에 대해서 어렴풋 알고 있지만, 너무 어렴풋 알고 있어 어디 가서 알고 있다고 말하기 부끄러운 수준이었다. 《초공간》을 읽고 난 후 궁금증이 생겨서 알버트 아인슈타인의 '상대성 이론'에 대해 더 알아보고 싶어졌다. 그래서 《상대성이란 무엇인가》를 읽었다.

상대성이론은 시간과 공간에 관한 관념, 이론들과 긴밀히 관련된다. 따라서 나는 시간과 공간에 대해 우리가 품고 있는 관념의 기원을 간단히 살펴보면서 이 강의를 시작할 것이다.

《상대성이란 무엇인가》는 총 4개의 장으로 이루어져 있다. 1장 "상대성이론 이전의 시간과 공간"은 상대성 이론을 도출하기 전 뉴턴의 시공간 개념을 토대로 볼 때 설명할 수 없는 한계 및 상대성 이론을 도출하기 위한 토대를 밝힌다. 이후 2장 "특수 상대성 이론"에서는 수학적으로 상대성 이론을 구축하는 기초적 원리라고 할 수 있는 상대성 원리와 특수 상대성 이론에 대하여 설명한다. 3장과 4장은 "일반 상대성 이론"으로, 알버트 아인슈타인이 20세기를 대표할 뿐만 아니라, 뉴턴을 능가하는 물리학자로 발 돋움 할 수 있었던 이론의 실마리를 제언한 장이다. 1, 2장을 통해서 차근차근 상대성 원리와 이를 증명해나가는 수학적 규칙을 하나로 응축해 설명한 장이라고 할 수 있다. 

그는 차근차근 상대성 이론이 왜 지금 우리가 살고 있는 세계와 우주를 설명할 수 있는 이론인지 말한다. 하지만, 읽다 보면 그는 우리가 살고 있는 세계를 잘 설명하는 이론을 말했지만 자신의 이론을 많은 사람들에게 잘 설명한 사람은 아닌 것 같다. 혹은 그가 말하고자 하는 이론이 세계를 살아가는 사람들 모두가 이해하기에는 많은 지식이 필요했는지도 모른다. 그도 그럴 것이 상대성 이론은 단순히 수학적 원리와 법칙, 물리학적 이해 외에도 시간과 공간에 대한 그의 지적 통찰과 철학적 깊이가 함께 어우러져 있기 때문이다. 난생처음 보는 수식과 공식도 어려웠지만 나를 힘들게 한 것은 철학 책을 읽는 듯 문장에 담긴 의미의 맥락을 짚어내는 것이었다. 예를 들어 "이상의 논의를 돼새겨보면 시간과 공간의 데이터는 한낱 환상이 아닌 물리적 실질성을 가진다.", "우리의 방정식에 따르면, 매우 약할지라도 관성질량은 관성의 상대성이라는 뜻에서 확실히 서로 영향을 미치기 때문이다."라는 표현은 단어 하나하나의 의미는 가늠할 수 있지만, 그 의미와 나열된 수식 간의 상관관계 그리고 그 자체를 통해 말하고자 하는 바를 읽어내는 건 쉽지 않은 과정이었다. 아인슈타인이 당시 엄청난 셀러브리티로 많은 사람들이 그의 강의를 듣고 싶어 했고, 그가 말하는 주장에 귀 기울였다고 하지만, 과연 그를 쫓은 팬들 가운데 몇 명이나 그의 말을 이해했을까. 많은 사람은 그의 이야기를 다 이해하지 못했을 것 같다. 

16살 아인슈타인은 "만일 내가 광속으로 빛과 나란히 달리면서 빛을 바라본다면 빛은 어떻게 보일까?"라는 의문을 가졌다고 한다. 이 작은 의문이 약 400년간 지속되었던 뉴턴의 시공간을 뒤엎고 자신만의 이론적 토대를 만들게 되었다. "시간과 공간은 말랑말랑하고 신축적인 고무와 같은 것으로, 광원이나 관측자의 운동과 무관하게 광속이 일정하게 유지되도록 스스로 변화한다"라는 점을 밝혔고, 그 결과 "움직임이 있는 조건 하에서 움직이고 있는 물체의 경우, 그 물체 자체의 길이는 짧아지고 시간을 느려진다"라고 말했다. 하지만 이렇게 밝혀낸 특수 상대성 이론은 실제 우리 삶 속에서 관측한다는 건 불가능에 가까운 일이었다. 또한 뉴턴의 중력에 대한 설명과 자신이 주장하는 특수 상대성 이론이 호응하지 않는 문제가 있었다. 그는 10년에 걸쳐 자신의 논리적 모순을 해결하고자 노력했다. 그 과정에서 그는 수학적으로 자신의 이론을 체계화하는데 성공했고 그 결과물이 일반 상대성 이론이다. 물리학자에게는 경이로울 만큼 탄성을 자아내는 수식이라고 하지만, 나에겐 모르는 글자가 난무해 그럼처럼 넘길 수밖에 없었다. 

내가 그의 글에서 의미 있다고 생각한 것은 그가 한 권의 책으로 자신의 이론을 집대성하기까지 그가 들인 시간과 새로운 학문에 대한 진취적인 도전이다. 그는 기존의 이론에 대하여 의심했고, 그 의심을 단순하게 음모론 수준에서 끝내지 않고, 이론적으로 설명하고자 노력했다. 또 자신이 가지고 있는 이론적 한계에 대하여 스스로 인정하고, 이를 설명할 수 있는 이론을 10년에 걸쳐서 완성했다. 그 결과 아인슈타인은 중력을 발견한 뉴턴도 설명하지 못한 중력이 우리의 공간에서 작용하는 방식에 대해 도전해 "독자들의 숙고에 맡긴다"라고 했던 뉴턴의 말에 "숙고를 마치고 난 이렇게 설명한다."라고 그의 세계관을 뛰어넘는 발견을 한다. 그렇기에 많은 물리학자들이 뉴턴과 아인슈타인을 두고 가장 뛰어난 물리학자를 고르지 못하는 게 아닐까. 

부록인 "상대론적 비대칭장론"에서 그는 이렇게 말한다. 

D. 우리는 실체가 왜 결코 연속적인 장으로 표현될 수 없는지에 대해 합당한 이유들을 내놓을 수 있다. 양자 현상들에 따르면 유한한 에너지를 가진 유한한 계는 유한한 개수의 양자수로 완전히 표현될 수 있다는 게 분명한 것처럼 보인다. 하지만 이는 연속체이론과 부합하지 않는 듯하며, 따라서 우리는 필연적으로 실체를 순수한 대수적 이론으로 표현하려는 시도를 하게 된다. 하지만 그런 이론의 토대를 어찌 얻을지 아는 사람은 아직까지 아무도 없다.