물리학자 아인슈타인을 얼마나 알고 있을까. 글쎄 ‘상대성 이론’을 만든 과학자 정도 일 것이다. 상대성 이론이 무엇인 줄도 모르고 말이다. 사실 너무 어려운 이론이라고 생각하다보니 어떤 이론이었는지 찾아볼 생각조차 하지 않았다. 하지만 우주 왕복선 발사, 원자력 이용과 우주론의 이해 등에 기여한 그의 이론을 조금은 알고 가야 하지 않을까 싶다. 그러려면 정말 쉽게 설명한 책이 필요하다. 특히 수식이 없는 책이라면 환영이다.

도서 ＜아인슈타인의 생각＞은 바로 그런 책이다. 이 책은 먼저 상대성 이론이 탄생하기전의 물리학의 역사를 다뤘다. 코페르니쿠스와 갈릴레오 갈릴레이나 뉴턴과 같은 인물들이 만든 물리학을 간단히 설명하고 있는데 지동설을 주장한 갈릴레오 갈릴레이가 아인슈타인보다 먼저 상대성이라는 형태로 물리학 법칙을 생각했다는 사실은 꽤 신선했다. 그리고 아인슈타인의 일생과 함께 상대성 이론에 대한 이야기가 이어지는데 상대성 이론과 그 이론의 검증과정까지 전혀 수식은 존재하지 않은 채 간결하게 설명하고 있다.

상대성이론이란 게 그저 하나의 이론인줄 알았는데 ‘특수상대성이론’과 ‘일반상대성이론’을 합쳐 부른 용어인 줄 이 책을 통해 알게 되었다. 그리고 각 이론들의 연구를 거듭한 결과 엄청난 발견을 하게 되었다는 사실에 깜짝 놀랐다. 예를 들면, 특수상대성이론에서 물질과 에너지관계에서 질량이 에너지의 잠재적인 형태라는 결론(물질은 질량에 광속의 제곱을 곱한 값만큼의 질량 에너지를 잠재적으로 가지고 있다)은 인류가 원자폭탄으로 거대한 열량 에너지가 방출된 최초의 모습을 목격하게 되었다는 것이다. 히로시마에 투하된 원자폭탄은 약 1Kg의 우라늄으로 핵분열을 일으켜 발생한 에너지다. 또한 일반상대성이론에서 중력장의 효과가 시공간의 휨으로 나타난다는 이론은 시공간의 휘어짐이 물체의 운동에 영향을 미친다는 이야기다. 이는 타원 운동을 하는 행성의 궤도가 조금씩 이동하는 ‘근일점 이동’현상을 설명하게 되었다. 특히 수성의 공전 궤도가 100년 43초가량 틀어지는 이유를 증명했다. 이러한 일반 상대성 이론은 중성자별과 블랙홀을 비롯한 천체의 현상을 설명하는데 필요한 이론이 되었으며 현재의 천체관측기술의 진보와 우주론의 형성에 기여를 하고 있다.

물리와 수학을 좋아했던 아인슈타인은 청소년 시절부터 ‘빛을 빛의 속도로 따라가면 어떻게 될까’라는 문제에 골몰했다고 한다. 이 문제가 훗날 상대성 이론으로 정립될지 누가 알았을까. 이 책을 읽고 이런 생각이 들었다. 아인슈타인이 만든 이론은 무척 대단하지만 그 결과보다는 그 결과물을 얻기 까지 시도한 것이 무엇이었냐는 것이다. 바로 자연에 직접 질문하는 행동이었다. 그리고 실험을 통해 구체적으로 입증하려는 노력이었다. 이런 실행력들이 쌓여서 위대한 업적을 남긴 게 아닐까 생각한다. 아인슈타인의 상대성 이론의 명제는 단순하고 간결했다. 그 당시 그런 생각을 할 수 있었다는 것이 상식을 뛰어넘었다는 것일 뿐이다. 아인슈타인만이 생각해 낼 수밖에 없었던 이유를 상대성 이론과 함께 이 책은 잘 담아 놓았다.

"학습을 방해한 유일한 훼방꾼은 내가 받은 교육이다."라고 말했던 아인슈타인을 떠올릴 때마다, 그는 어떻게 해서 남들이 생각하지 못한 것을 자유자재로 생각하는 천재가 되었는지 궁금했다. 날 때부터 천재성을 보이는 아이들은 많다. 영재교육을 통해 천재로 자랄 수 있도록 애를 써보지만, 성인이 되어서는 평범하게 사는 경우가 대부분이다. 기존의 교육에 적응하지 못하고, 제대로 된 교육을 받지도 않았던 아인슈타인이 천재가 될 수 있었던 이유를 알고 싶었다.

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아인슈타인은 많이 읽는 것보다 '생각'하는 것을 강조했다. 읽기만 하고 뇌를 적게 쓰면 생각을 게을리하게 된다고 말했다. 도대체 어떤 생각을 해야 아인슈타인처럼 생각할 수 있을까. 책의 제목을 보자마자 구미가 당겼다. 이제 와서 천재가 될 욕심을 부리는 것은 아니고, 아인슈타인만큼은 아니어도 지금보다 뇌를 더 활용하고 싶다는 욕구를 채우기 위해서였다. 이 책을 통해 그동안 말로만 들어왔던 '상대성 이론'을 자세히 알고 싶기도 했다. 혹시 아이가 '엄마, 상대성 이론이 뭐야?'라는 질문을 했을 때 당황하지 않고 알려주고 싶었다.

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우리 주위에서 발견할 수 있는 상대성 이론의 법칙은 물체의 속도가 빛의 속도에 가까워지거나, 강한 중력에 의해 물체의 속도가 빛의 속도에 가까워질 때 나타난다. 그러려면 빛의 속도가 얼마나 빠른지 이해해야 한다. 빛의 속도는 초속 30만 km이다. 아무리 쌩쌩 달리는 고속철도나 비행기, 제트기보다도 빠른 속도다. 빛은 지구가 공전하는 속도보다 1만 배 빠르다. 빛이 토성까지 도착하려면 1시간 30분이 걸리지만, 우주선을 타고 갈 경우 3년 2개월이 걸린다.

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지구상에 빛보다 빠른 것은 없지만 비슷한 속도를 가진 것은 있다. 바로 전기를 전달하는 전자 입자의 속도가 그렇다. 전기가 쓰이는 곳은 여러 가지다. 우리가 보는 텔레비전 화면, X선 촬영기, 암 치료용 방사선 발생 장치가 있다. 방사선 발생 장치에서는 빛의 속도의 10분의 1이나 절반 정도로 가속된다. 빛의 속도는 눈 깜짝할 새보다 빠른 것이 맞지만 유한하다. 우리가 밤하늘에서 보는 별은 현재의 모습이 아니라 몇 광년의 시간에 거쳐 보이는 것이다.

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상대성 이론의 효과가 나타나는 현상으로 몇 가지가 있다. 첫째, 시간이 느려진다. 산 정상에 있는 시계와 산 아래에 있는 시계를 보면 산 정상에 있는 시계가 더 빨리 간다. 둘째, 길이가 줄어든다. 움직이는 물체는 원래 길이보다 작아 보인다. 셋째, 질량이 늘어난다. 가속도가 붙으면 점점 빨라지고 물체의 에너지가 높아진다. 질량과 에너지는 동등하다. 넷째, 공간이 휘어진다. 우리가 사는 공간은 3차원이다. 2차원에서의 삼각형 내각의 합은 180도이지만, 3차원의 삼각형 내각의 합은 180도를 웃돌게 된다. 쉽게 생각해서 평면이 아닌 구 위해 삼각형을 그렸다고 생각하면 된다.