우주의 구조-시간과 공간, 그 근원을 찾아서

The Fabric of the Cosmos by Brian Greene  승산

 

우주의 구조

공간과 시간의 구조에 대해 설명하려고 하는가 보다.

브라이언의 이야기를 풀어나가는 솜씨가 유별나게 쉬우면서도 이해가 잘 간다.

 

뉴턴의 물통돌리기 실험에서부터 상대성이론까지 연결되는 나무줄기가 굵직하면서 곧바르다.

뉴턴의 물통실험에서 절대공간개념을 주장한다. 그리고 이에 반박하는 라이프니쯔와 그를 이은 에스테르 마하의 주장으로 이야기는 이어진다. 아무 것도 없는 절대 무 공간에서는 회전과 무회전을 구별할 수 없다는 마하의 생각에 저자도 같은 생각을 가지고 있다.아인쉬타인도 뉴턴의 절대공간개념보다 마하의 견해에 동의한다.(그럼 절대무공간에서는 회전에 의한 원심력의 작용도 없다는 말인가?) 테르에 대한 이야기, 그리고 이를 검출하기 위한 시도들의 실패, 맥스웰의 방정식에서 보여주는 빛의 속도, 맥스웰은 이 빛의 속도는 무엇에 대한 속도인지에 대한 언급이 없다. 마이컬슨과 몰리나의 빛의 속도 측정에서는 광원의 움직임이 어떠하더라도 빛의 속도가 동일함을 보여준다. 오랫동안 빛의 성질에 대해 고민해 왔던 아인쉬타인, 어릴 때부터 생각하기를, 만약에 빛의 속도로 달린다면 빛은 어떻게 보일 것인가? 고전물리학에 의하면, 이러한 경우 빛은 정지상태에 있는 것으로 보일 것이다. 하지만 맥스웰의 방정식은 그것을 부인한다. 또한 빛의 속도를 측정한 실험에서는 빛의 속도가 일정함을 보여준다. 여기서 특수 상대성이론이 출발하게 되는데...

 

브라이언의 특수상대성이론 설명은 아주 우아하고 이해가 쉽다. 그의 설명의 핵심은 이것이다. 우주의 모든 물체는 시공간에서 빛의 속도로 운동하고 있다.  y축은 시간의 방향, x축은 공간의 방향으로 상정된 시공간 좌표계를 생각해 본다. 정지한 물체는 시간의 방향으로 광속운동을 한다. 물체가 x축 방향으로 공간운동을 시작하면 y축방향의 시간방향의 속도가 줄어든다. 물체가 x축방향으로 공간운동을 광속으로 운동하면, y축 시간방향으로는 속도가 0 이된다. 정말 멋지고 단순한 설명이 아닌가? 이로써 시간의 절대성은 사라지고, 시간의 수축이 발생하는 것이다.

 

특수상대성이론의 핵심사항중 한가지는 등속운동을 하는 물체에 대한 이론이란 것이다. 아인쉬타인은 일반상대성이론을 통해 가속운동을 하는 물체에도 적용되는 이론을 만들어 낸다. 일반상대성이론의 핵심은 등가원리이다. 중력과 가속운동은 구별할 수 없다. 그리고 중력에 의해서 시공간이 휘어진다는 사실을 알아낸다. 이 휘어진 시공간을 운동하는 광자 즉 빛의 흐름도 휘어진다. 브라이언은 시공간 단면도를 이용하여, 공간의 휘어지는 현상을 설명한다. 등속운동을 하는 관측자들의 시공간 단면들은 서로에 대해 일정한 각도로 기울어져 있다. 한 관측자에 의해 동시라고 판명되었던 사건들이 다른 관측자에 의해서는 동시로 인정되지 않는 상황이 발생한다. 하지만 둘 다 옳다. 모든 시공간 단면을 합치면 동일한 시공간을 형성하게 되는것이다. 하지만 가속운동을 하는 관측자의 시공간은 평면이 아닌 휘어진 면으로 구성된다. 질문 하나,

x축으로 등속 운동을 하고 있는 기차의 양 끝에 이치와 스크래치가 총을 겨누고 있다. 기차의 객차 정중간, 이치와 스크래치의 정중간에서 빛이 발생하고, 이 빛을 감지한 이치와 스크래치가 동시에 총을 발사하여 두 총알이 객차의 중간에서 부딪힌다. 기차에 타고 있던 심판관은 이 총알이 정중앙에서 충돌하였음을 증언한다. 하지만 기차밖 플랫폼에서 이것을 관찰하고 있던 제 2의 심판관은 어떻게 판단할까? 기차가 진행하는 방향으로 서 있는 이치의 눈에 빛이 먼저 도달한다. 이치는 스크래치보다 먼저 총을 발사한다. 그리고 조금 있다 스크래치가 총을 발사한다. 그러면 이 총알은 어디에서 충돌하게 되는가? 이치의 총알이 정중앙에서 혼자서 박살이 나고, 뒤이어 스크래치의 총알이 객차의 중앙에서 박살이 나는 장면을 보게될까?  아니면, 이치의 총알이 정중앙을 통과하고 나서 스크래치의 총알과 충돌을 하게 될까?