아인슈타인의 일반 상대성 이론-중력과 시공간

아인슈타인의 일반 상대성 이론-중력과 시공간

아인슈타인이 상대성 이론을 내놓으면서 시간과 공간이 융합하는 4차원 세계가 처음 제창되었다. 일반 상대성 이론으로 알 수 있는 것은 중력은 시공간을 일그러지게 한다는 것과 중력이 강할수록 시간은 느리게 간다는 것이다. 

 

일반 상대성 이론은 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 발표하고 10년이 지난 후 1915년에 발표되었다. 특수 상대성 이론이 등속 하는 특수한 상황에서 적용되는 이론이라면 일반 상대성 이론은 가속 상황에서 적용되는 이론이다.

 

지구 상의 모든 물체는 지구 중심으로 끌리는 중력이라는 힘을 받고 있다. 높은 곳에서 물체를 떨어뜨리면 지구 중심을 향해 점점 더 빠른 속도로 떨어진다. 가속 운동이 일어나는 것이다. 이것을 자유낙하운동이라고 한다. 자유낙하운동을 일으키는 힘은 중력이다. 중력 때문에 가속 운동이 일어난 것이다. 아인슈타인은 중력과 가속도는 같다고 생각했다. 이것이 일반 상대성 이론에서 중요한 내용이다.

 

중력은 공간과 시간에 어떤 영향을 미칠까? 아인슈타인은 중력이 물체를 끌어당기는 것은 공간이 휘어져 있기 때문이라고 생각했다. 얇고 평평한 고무막에 무거운 쇠구슬을 놓으면 쇠구슬의 무게에 눌려 고무막이 휘어진다. 이 고무막의 가장자리 부분에서 작은 쇠구슬을 놓으면 큰 쇠구슬 쪽으로 굴러갈 것이다. 중력이 작용한다는 것이 바로 이러한 모습이라고 아인슈타인은 생각했다. 큰 쇠구슬 쪽으로 작은 쇠구슬이 끌려가는 것은 중력 때문에 시공간이 휘어졌기 때문이다. 즉, 중력은 공간을 일그러지게 한다. 공간이 일그러진다면 시간은 어떻게 될까? 중력 때문에 공간이 일그러지면 빛이 지나가는 길도 일그러지고, 그렇게 된다면 시간은 느려지게 된다. 이것은 중력이 빛도 휘게 한다는 것을 설명한다.

 

실제로 이러한 생각은 1919년 영국의 천문학자 아서 에딩턴이 개기일식 때 태양 뒤쪽에 있는 별에서 오는 빛이 태양의 중력으로 시공간이 휘어진다는 사실을 관측함으로써 일반 상대성 이론이 맞다는 것이 증명되었다. 중력이 큰 곳이라면 시공간이 더 크게 일그러지고 빛도 더 크게 휘어질 것이다. 블랙홀이 있는 곳이라면 중력이 너무나 커서 빛조차 빠져나오지 못할 것이며 시간도 멈춰있는 것처럼 보일 것이다. 블랙홀은 강력한 중력으로 모든 것을 빨아들이는 시공간 영역이기 때문이다.

 

일반 상대성 이론의 핵심은 중력이 시공간을 일그러지게 한다는 것이다. 아인슈타인은 시공간이 일그러지는 것은 연못에 돌을 던졌을 때 물결이 일어나듯이 질량을 가진 물체가 시공간이 있게 되면 시공간이 출렁인다고 생각했다. 이것을 중력파라고 한다. 하지만 아인슈타인은 중력파의 효과가 너무나  작아 실제로 관측되는 일은 결코 없을 것이라고 예측했다. 또한 중력이 엄청 큰 블랙홀도 이론상으로나 존재할 것으로 생각했다.

 

그러나 2016년 미국의 레이저 간섭계 중력파 관측소에서 중력파를 검출하는 데 성공했다고 발표했다. 1974년 미국의 물리학자 러셀 앨런 헐스와 조셉 후턴 테일로 주니어가 중성자별 쌍성을 관측하여 중력파가 존재한다는 간접적인 증거를 보여 1993년 노벨 물리학상을 수상했다. 

 

그리고 최근 2019년 4월 10일 인류 역사상 최초로 블랙홀을 관측하고 촬영한 영상이 공개되었다. 200여 명의 국제 공동 연구진이 세계 6개 대륙에 있는 8개 전파 망원경을 조합한 거대 망원경으로 촬영한 것이다. 블랙홀 촬영은 2019년 과학계를 뒤흔든 올해의 과학 연구 성과로 뽑히기도 했다. 아인슈타인의 예측과 달리 과학자들이 중력파를 관측하고, 블랙홀까지 관측되어 촬영되면서 일반 상대성 이론의 위상은 더 확고해졌다.

 

일반 상대성 이론은 특수 상대성 이론과 달리 일반적인 우주의 모습을 설명하고 있다. 물체가 있으면 중력이 있고 중력은 시공간을 일그러지게 한다. 일그러진 시공간을 지나는 빛은 휘어지고 시간은 느려진다. 상대성 이론은 시간과 공간의 관계, 질량과 에너지의 관계, 중력과 가속도의 관계, 그리고 빛의 특성을 밝혀내면서 사람들의 생각의 틀을 바꾸는 패러다임의 전환을 가져왔다. 앞으로도 과학 분야뿐만 아니라 다양한 분야에서 상대성 이론이 계속 영향을 미칠 것이다.