중력가속도-상대성이론 쉽게 이해하기(6)

우리는 중력을 중력가속도라고 부르기도 합니다. 중력가속도라는 말에 비밀이 들어있는데, 우리가 들고 있는 이 스마트폰엔 중력센서라 불리는 G센서가 들어이 있습니다. 이것은 과연 어떤 원리로 중력을 측정할까요? 이 센서의 역할은 초당 9.8m의 속도로 가속하는 방향을 감지하는 것인데요, 왜냐하면 지구의 중력은 9.8m/s 이기 때문입니다. 즉, 지구가 초당 9.8m의 속도로 계속 우리를 잡아당기고 있는 것이죠. 이 말은 우주의 무중력 상태에서 한 방향으로 9.8m/s로 계속 가속한다면 여러분의 스마트폰은 가속되는 반대방향을 땅바닥이라고 인식할 겁니다. 맞습니다. 중력이랑 가속도는 완전히 동일한 현상입니다. 예를 들어 버스가 출발할 때 뒤로 쏠리는 힘과 지구가 나를 잡아당기는 힘이 100% 동일한 현상이라는 겁니다. 아인슈타인은 특수상대성 이론을 발표하고 등속도 운동이 아닌 가속도 운동에서도 적용되는 상대성이론을 만드려고 고민했습니다. 

 

 

 

 

*시공간은 정말 휘어질까??

그러다가 문득 가속도가 무엇인가에대해 생각을 하게 됩니다. 가속하는 물체 위에 있다면 관성에 의해 뒤로 몸이 쏠리는 현상을 생각하게 됩니다. 우주공간에서 가속도를 내면 어떤 일이 일어날지 머릿속으로 상상했습니다. 그러자, 문득 떠오른 생각은 무중력 상태에서 적절한 속도로 가속을 한다면 '우리가 느끼는 느낌은 중력의 영향을 받아 땅바닥에 서있을 때와 같은 느낌 아닐까?'라는 생각을 하게 됩니다. 그렇다면 물리적으로 우리가 느끼는 중력이 가속도와 어떤 차이가 있는지 계속 생각해왔지만, 아무리 아인슈타인이 생각을 해봐도 차이점을 찾을 수가 없었던 것이죠. 그러니까 버스가 출발할 때 뒤로 몸이 쏠리는 힘과 중력이라는 힘의 차이점을 발견하지 못했다는 겁니다. 그렇다면 만유인력은 대체 왜 가속도를 생산할까? 아인슈타인은 이런 생각 끝에 자신이 인생에서 했던 가장 행복한 생각이라는 것을 합니다. 계속 이런 생각 끝에 아인슈타인은 뉴턴도 알아내지 못한 중력이 왜 생기는 것인지에 대해 찾아냈습니다. 아인슈타인은 이 머릿속으로 하는 생각을 두고 인생에서 가장 행복한 생각이었다고 묘사합니다.

 

 

 

아인슈타인은 시공간 위에 물질이 얹어져 있는 것이므로 얹어져있는 물질의 질량이 아주 크다면 그 영향으로 시공간이 늘어날 것이라고 생각했습니다. 만약 고무줄에다가 점을 찍어 놓고 늘리면 어떻게 될까요? 고무줄이 늘어나면서 찍힌 점의 위치가 변하는 것을 볼 수 있습니다. 이 고무줄이 우리가 살고 있는 시공간이라고 가정해봅시다. 여기서 중요한 것은 공간인 게 아니라 시간+공간입니다. 이런 물질로 인해 시공간이 고무줄처럼 늘어난 겁니다. 그리고, 이런 시공간이 휘어진 결과로 생긴 것이 중력이다!라고 생각한 겁니다. 우리 눈에 보이지는 않지만 우리를 지탱해주는 시공간 그 자체는 휘어지고 구부러진다는 이야기입니다. 그 시공간을 변형시킬 수 있는 것이 바로 질량 즉, 물질이라는 것이죠. 

 

 

 

*중력파의 발견

따라서 시공간이 휘어진다면 시공간 위에서 이동하는 빛 또한 휘어질거라고 생각하게 되죠. 애딩턴이라는 천문학자가 아인슈타인의 상대성이론을 증명하겠다고 나서는 일이 일어납니다. 그 원리는 상대성이론에 따르면 태양은 질량이 매우 크기 때문에 당연히 시공간이 많이 휘어지게 됩니다. 그러면 원래 태양 뒤에 있어야 하는 별이 태양 때문에 빛이 휘어져서 위치가 바뀌게 되면 시공간이 휘어졌다고 할 수 있었겠죠. 이게 바로 애딩턴은 의견이었습니다. 그런데, 태양은 너무 밝기 때문에 태양 뒤에 있는 별을 본다는 것은 사실 불가능이었습니다. 

 

 

 

태양 뒤에있는 별을 본다는 것은 대낮에 태양 근처를 망원경으로 살펴서 별을 찾는다는 것이죠. 이거를 해결할 방법을 애딩턴이 제시합니다. 1919년 달이 태양을 가리는 개기일식이 예정되었는데요, 관측한 시간은 10분도 안되지만 잠깐 사이에 달이 태양을 완전히 가리며 밤처럼 어두워지는 기회가 있었던 겁니다. 운 좋게 관측일에 날씨도 풀리고 성공적으로 관측할 수 있었습니다. 놀랍게도 애딩턴은 그 시간 태양 바로 뒤에 있어야 하는 별을 태양 옆에서 관측하게 됩니다. 이렇게 태양으로 인해 시공간이 휘어지고 그로 인해 빛도 휘어졌다는 겁니다. 결국 시공간은 물질로 인해 휘어지고 구부러진다는 게 밝혀지게 됩니다.

 

 

 

따라서 어떤 공간위로 갑자기 커다란 질량이 생기거나, 질량을 가진 물체가 서로 빠르게 공전할 때, 시공간도 이 영향으로 출렁일 거라고 아인슈타인은 생각하게 됩니다. 이로 인해 중력 파또 한 예견한 것이죠. 물론 중력파는 당시 기술로는 발견이 불가능했습니다. 그리고 지난번에 얘기한 것처럼 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표한 지 100년이 지난 16년 2월 11일 미국 국립과학재단(NSF)은 갑자기 아인슈타인이 반드시 있을 거라고 예언했던 중력파가 실존한다는 중대발표를 합니다. 아인슈타인은 100년 전에 이미 중력파를 정확히 예언한 것이고, 시간과 공간은 휘어진다는 사실을 우리에게 알려준 겁니다. 아인슈타인은 특수상대성이론으로 모든 물질은 공간상에서 빛보다 빠르게 움직일 수 없다는 사실을 증명하여 SF마니아들을 절망에 빠뜨렸었죠. 다음 편에는 블랙홀과 웜홀에 관한 이야기를 해보겠습니다. 기대해주세요!!