* 과학의 모든 길은 아인슈타인으로 통한다

이 책을 읽지 않고 아인슈타인을 안다고 말하지 말라
100여 년이 지난 지금까지 아인슈타인에게 주목할 수밖에 없는 이유
현대 과학의 모든 수수께끼의 열쇠는 아인슈타인이 쥐고 있다

아인슈타인(1879~1955)은 모든 시대를 통틀어 가장 위대한 과학자들 가운데 한 사람으로, 과학에 대한 심대한 기여를 통해 아이작 뉴턴과 쌍벽을 이룰 정도로 우뚝 솟아 있다. <타임>지가 세기의 인물로 그를 뽑은 것은 놀랄 일이 아니며, 많은 역사가들은 지난 천 년 동안 가장 큰 영향력을 발휘한 100명 안에 그를 포함시켰다.

이러한 그의 역사적 지위를 생각해 보면 그의 삶을 재조명해 보려는 데 대한 몇 가지 이유를 찾을 수 있다. 첫째 그의 이론은 심오하며 몇십 년 전에 예견한 것들이 아직도 뉴스의 헤드라인을 장식한다. 따라서 이런 이론들의 뿌리를 이해하려는 노력은 매우 중요하다. 1920년대에는 꿈도 꾸지 못했던 새 세대의 장비를 이용하여(인공위성, 레이저, 슈퍼컴퓨터, 나노기술, 중력파검출기 등) 원자의 내부로부터 우주의 끝자락까지 탐사할 수 있게 됨에 따라 다른 과학자들이 아인슈타인의 예측들로 노벨상을 타고 있다. 심지어 그가 식탁에 흘린 부스러기들조차 과학의 새 지평을 열고 있다. 예를 들어 1993년의 노벨상은 인접한 두 중성자별의 운동을 분석하여 아인슈타인이 1916년에 예언한 중력파를 간접적으로 확인한 두 물리학자들에게 주어졌다. 또한 2001년의 노벨상은 보스-아인슈타인응축상의 존재를 확인한 세 물리학자들에게 주어졌는데. 이는 절대영도 부근에서 물질들이 보여 주는 새로운 상태로, 아인슈타인이 1924년에 예언했다.

다른 예측들에 대한 입증도 진행 중이다. 블랙홀은 한때 아인슈타인의 괴이한 귀결의 하나로 여겨졌지만 지금은 허블우주망원경과 광대열전파망원경을 통해 확인되었을 뿐 아니라 천문학자들이 외계의 보이지 않는 물체를 측정하는 핵심적 방법이 되었다.
나아가 아인슈타인의 ‘실수’까지도 우주에 대한 우리의 지식에 심오한 기여를 한 것으로 인식되고 있다. 2001년에 천문학자들은 아인슈타인의 최대 실수로 여겨졌던 ‘우주상수’가 실제로는 우주에서 가장 많은 에너지를 품고 있으며 궁극적으로 우주 자신의 운명을 결정지을 것이라는 데 대한 믿을 만한 증거를 찾아냈다. 따라서 실험적 측면에서 보자면 아인슈타인의 예측을 입증하는 증거들이 쌓여 감에 따라 그가 남긴 유산의 르네상스가 펼쳐지고 있는 셈이다.

또한 물리학자들은 그의 유산, 특히 그 가운데에서도 사고 과정을 재평가하고 있다. 최근에 나온 전기들은 그가 펼친 이론의 원천에 대한 실마리를 얻기 위해 그의 사생활을 세밀히 점검했지만, 물리학자들은 그의 이론이 불가사의한 수학보다는 단순하고도 우아한 물리학적 그림에 근거를 두고 있다는 점에 갈수록 주목하게 되었다. 아인슈타인은 가끔씩 어떤 새 이론이 어린이도 이해할 수 있는 간단한 물리적 이미지에 근거하지 않는다면 쓸모가 없을 것이라고 말하곤 했다.

그러므로 이 책에서는 아인슈타인의 과학적 상상력의 산물인 그림들을 정식의 구성 원리로 삼아 이를 중심으로 그의 사고 과정과 가장 위대한 업적들을 서술한다.

* 빛줄기와 함께 달리기

우리가 어디에 있는지,
아인슈타인이 우리를 위해 어떤 일을 했는지,
그리고 우리가 어디로 가고 있는지를 말해 줄 아인슈타인에 대한 최고의 책

“물리학의 모든 이론은 …어린이도 알 수 있을 정도로 간명하게 제시되어야 한다.”
-알베르트 아인슈타인

아인슈타인의 이론에 담긴 의미는 방대하지만, 아인슈타인은 달리는 기차, 떨어지는 엘리베이터, 로켓, 움직이는 시계 등의 단순한 그림을 통해 이를 생각해 냈다. 실제로 우주를 뒤흔드는 상대론의 암시는 이와 같은 두 가지의 단순한 그림에서 나왔다. 첫 그림은 “빛과 나란히 달리면서 이를 쳐다보면 어찌 보일까?”라는 것으로 16살 때부터 그의 생각을 붙들었다. 정지한 빛의 파동에 담긴 역설은 마침내 상대론과 함께 별들의 비밀을 파헤친 유명한 식 E=mc²을 이끌어 냈다.

만일 이대로 마냥 떨어진다면 어떻게 될까? 아인슈타인은 베른특허국의 의자에 기대앉은 자신의 모습으로부터 두 번째 그림을 얻어 냈다. 언뜻 우스꽝스러운 이 이미지로부터 그는 뉴턴의 미스터리와 같은 ‘중력’을 극복하며 시간과 공간이 휘어져 있다는 아이디어를 끌어 냈다. 나아가 이 그림은 우리를 블랙홀과 빅뱅까지 안내한다.

제1부에서는 아인슈타인이 16살에 처음 품었던 그림을 사용한다. 이때 그는 빛과 나란히 달리면서 빛을 보면 어떻게 보일 것인지를 상상했는데, 이 그림에 대한 영감은 그가 읽은 어린이 책에서 나왔던 것으로 보인다. 이처럼 빛과 경주를 펼칠 때 무슨 일이 일어날지를 시각화함으로써 아인슈타인은 당시의 두 위대한 이론, 곧 뉴턴의 역학 이론과 맥스웰의 전자기장 이론 사이의 핵심적 모순을 분리해 냈다. 이 모순을 해소하는 과정에서 그는 위의 두 위대한 이론들 가운데 하나는 반드시 무너져야 함을 깨달았는데, 그것은 뉴턴의 이론으로 밝혀졌다. 어떤 의미로 볼 때 (궁극적으로 핵에너지와 별들의 비밀까지 드러내게 된) 특수상대성이론의 모든 것은 이 그림 속에 들어 있다.

●“아무래도 좋습니다. 어차피 어디서든 성공하지 못할 테니까요”

또한 카쿠는 아인슈타인의 어린 시절부터 차분히 조명하면서 그가 위대한 천재가 되기까지 겪었던 어려움과 여러 가지 인간적인 모습을 담았다. 100년 이상이 지난 지금까지 우리 교육 현실에도 여전히 남아 있는 교사의 강압적인 태도와 암기 위주의 단답형 교육도 아인슈타인의 숨통을 조이는 것이었다.

아인슈타인은 취리히 공대 재학 시절에도 권위를 무시하는 태도 때문에 교수들에게 반감을 샀다. 그래서 졸업 후에도 다른 친구들과 같이 조교가 되지 못하고 개인지도 할 학생들은 모집하는 구인 광고를 내거나 거리의 악사가 될 것을 상상하기도 하며 어렵게 생활을 해 나갔다. 이 당시 친구에게 보낸 편지에는 “위가 있다는 사실만으로 누구나 밥벌이에 나설 운명에 빠졌다”라고 내뱉으며 “나는 친척들에게 짐밖에 되지 못한다. …분명 차라리 살지 않느니만 못하다”라고 썼다. 여러 직업을 전전하면서 꿈을 키워 갔던 아인슈타인의 모습은 대학 졸업 후 취직하지 못해 절망하는 우리 청년들의 모습과 닮아 있다. 결국 몇 년 후에 그는 친구의 도움으로 베른특허국에 취직해 5년 동안 말단 공무원으로 근무하면서 그의 위대한 발견의 대부분을 생각해 냈다.

● 휘어진 시공간

제2부에서는 다른 그림을 소개한다. 아인슈타인은 행성이 태양을 중심으로 그 주변에 휘어져서 펼쳐져 있는 공간면 위를 굴러다닌다고 상상했으며, 이것은 중력이 공간과 시간의 만곡에서 유래한다는 아이디어의 시각화였다. 뉴턴의 힘을 부드러운 면의 만곡으로 대체함으로써 아인슈타인은 중력에 대해 완전히 새롭고도 혁신적인 그림을 내놓았다. 이 틀 안에서 뉴턴의 ‘힘’이란 것은 공간 자체의 만곡에서 유래하는 환영에 지나지 않는다. 이 단순한 그림의 귀결로 우리는 블랙홀과 빅뱅은 물론 우주 자체의 궁극적 운명까지도 생각해 볼 수 있게 되었다.

나아가 아인슈타인의 방정식은 허블법칙을 가장 간단하게 유도해 내는 것으로 보였다. 우주가 팽창하고 있는 풍선이라고 생각해 보자. 이 풍선 위에 많은 점들을 찍으면 이것들은 서로 멀어져 가는 은하를 나타내게 된다. 그 점 가운데 하나에 앉아 있는 개미의 입장에서 보면 다른 모든 점들이 그로부터 멀어져 간다. 더욱이 허블법칙이 말하는 것처럼 개미로부터 멀리 떨어진 점일수록 더 빠르게 멀어져 간다. 이 상황에서 아인슈타인의 방정식은 고대로부터 내려오는 의문들에 새로운 통찰을 줄 수 있다. 과연 우주에 끝은 있는가? 우주의 끝에 벽이 있다면 그 벽 너머에는 또 무엇이 있을까? -제2부 둘째 그림: 휘어진 시공간, 제6장 빅뱅과 블랙홀 중에서

● 아인슈타인은 일반상대성이론의 창설자,
양자론의 대부, 그리고 이 둘을 통합하는 데도 기여

제3부에서는 그가 ‘통일장이론’을 낳게 할 그림을 얻지 못한 것에 대한 이야기가 나온다. 만일 이런 그림을 얻었다면 아인슈타인은 물질과 에너지에 관한 2천 년에 이르는 탐사에 찬란한 성과를 올려놓을 수 있었을 것이다. 하지만 이쯤에서 아인슈타인의 직관은 비틀거리기 시작했는데, 당시에는 원자핵과 아원자입자들을 지배하는 힘들에 대해 알려진 게 거의 없었기 때문이었다.

이 통일장이론과 그의 30년에 걸친 ‘만물의 이론’은 비록 최근에야 알려지게 되었지만, 결코 완전한 실패는 아니었다. 그때 다른 사람들은 이를 바보짓이라고 여겼다. 물리학자이자 아인슈타인 전기 작가 에이브러햄 파이스는 “그는 생애의 남은 30년 동안에도 연구를 계속했다. 하지만 대신 낚시를 다녔다면 그의 명성은 늘지는 않았더라도 줄지도 않았을 것이다”라고 탄식했다. 달리 말하면 그가 물리학을 1955년이 아니라 1925년에 떠났다면 그의 유산은 오히려 더 컸을 것이라는 뜻이다.

그러나 지난 십여 년 사이, ‘초끈이론’이나 ‘M-이론’이란 불리는 것들이 나타나 통일장이론이 물리학계의 중심 무대를 차지하게 됨에 따라 물리학자들은 아인슈타인이 만년에 했던 연구와 그의 유산들을 재평가하기 시작했다. 이제 만물의 이론을 얻기 위한 경주는 젊고 야망에 찬 과학자들 세대 모두의 궁극적인 목표가 되었다. 한때 나이 든 물리학자들이 마지막에 묻힐 곳으로 여겨졌던 ‘통합’이 지금은 이론물리학의 지배적 주제이다.

천재가 천재에 대해 쓰다

이 시대 과학계 최고의 지성 미치오 카쿠가 주목한 아인슈타인
"미치오 카쿠는 아인슈타인의 천재성을 시인의 감성으로 그려 냈다.”
-조지 윌, <워싱턴 포스트>

『초공간』과 『평행우주』를 쓴 선구적 물리학자 미치오 카쿠는 『아인슈타인의 우주』에서 아인슈타인의 삶과 업적을 엮어 가며 아인슈타인이 보았던 대로의 우주를 그려 냄으로써 그의 사색에 다가설 특별한 길을 닦았다.

아인슈타인은 역사상 가장 위대하고 가장 사랑받는 과학자로 여겨지지만 그의 업적과 유산은 흔히 잘못 이해되고 있다. 밀도 높은 과학적 개념을 일상의 언어로 풀어내는 카쿠의 능력과 통찰 덕분에 『아인슈타인의 우주』는 그의 삶과 사상을 음미할 놀라운 새 길이 되었다. 자연계의 모든 힘을 통합하려는 노력에 대한 아인슈타인의 실패는 그가 세 번째 그림을 얻지 못했다는 데에서 유래한다. 하지만 카쿠는 아인슈타인의 후반의 삶에서 품었던 수많은 생각들이 한때는 올바른 물리학이 아니라고 배척을 당하면서도 결국 과학적 탐구의 풍성한 새 영역을 열고, 새 기술을 낳으며, 몇몇 노벨상을 획득하도록 했다는 사실을 설득력 있게 풀어 나간다. 심지어 그의 정신은 오늘날 이론물리학의 중심 무대를 차지한 끈이론에도 살아남아 있다.