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연재 기사

특집 동화처럼 읽는 이상한 나라의 아인슈타인-1

어린이과학동아 2005.07.01 13호

꽃들과 나무들이 황금색으로 찬란하게 빛나는 오후, 앨리스는 지루하게 하품을 하고 있어 요. 뭔가 재미있는 일이 없을까? 풀잎이 바스락거리는 소리에 놀란 앨리스가 고개를 돌리니 하얀 토끼 한 마리가 허둥지둥 달려가고 있는 게 아니겠어요? 토끼는“바쁘다, 바빠”라고 중얼거리며 주머니 속의 시계를 꺼내다가 앨리스와 눈이 마주쳤어요. “그래. 너라면 가능하겠어. 나와 함께 떠나자! 우리에게 주어진 시간은 겨우 12시간이야! 그 시간 동안만 아인슈타인을 만날 수 있단 말이야. 서둘러!”앨리스는 이제껏 말하는 토끼를 본 적이 없어요. 하지만 지금 그 사실에 의문을 품게 되면 마치 꿈처럼 모든 것들이 사라질 것만 같아 그냥 토끼를 따라 이상한 나라로 떠나기로 했어요. 아인슈타인을 직접 만날 수 있다는 기대로 앨리스의 가슴은 쿵쾅쿵쾅 뛰었답니다.


토끼를 따라 낮은 터널을 지나 끝없이 솟아 있는 계단을 오르고 올라서 도착한 곳에는 시간의 문이 있었어요. 그 문을 열자 처음에는 너무 어두워서 아무 것도 보이지 않았지만 점차 주위는 밝아지기 시작했답니다. 저길 보세요. 아인슈타인이 바이올린을 켜고 있어요.

아인슈타인은 음악을 좋아했던 어머니의 영향으로 어려서부터 바이올린을 배웠답니다. 처음에는 딱딱한 연습이 무척이나 싫었지만, 열세 살 때 우연히 연주하게 된 모차르트의 음악은 바이올린을 평생의 친구로 만들어 주었어요. 훗날 아인슈타인은 자신이 물리학자가 되지 않았다면 음악가가 됐을 거라고 말했지요. 음악을 사랑하는 과학자 아인슈타인은 모차르트의 소나타를 켜며 음악만큼이나 비밀과 수수께끼로 가득한 시간과 공간을 꿈꾸었는지도 모릅니다.

| 천체가 공간을 휘게 한다 |
이상한 나라에는 재미있는 일들이 가득해요. 속도가 빨라지면 질량이 커지고, 중력이 매우 클 때는 시간이 늦어지거나 공간이 휘며 블랙홀이 생겨요. 현실에서는 잘 느낄 수 없는 상
대성이론을 실험하기 위해 앨리스는 아인슈타인의 방으로 몰래 숨어 들어갔어요. 아주 무거운 공을 침대에 놓으면 매트리스가 움푹 가라앉습니다. 이제 작은 구슬을 굴려 보세요. 구슬
은 활처럼 휘어서 굴러가거나 무거운공을 따라 원을 그립니다. 바로 이런 방식으로 우주에서 각각의 천체 주변의 휘어진 공간을 상상해 볼 수 있겠지요?
일반적으로 빛은 똑바로 그리고 항상 일정한 속도로 나아간다고 알고 있어요. 그러나 이 법칙은 중력이 작을 때만 성립해요. 태양이나 중성자별, 블랙홀의 주변은 중력이 매우 강해서 주위 공간이 휘어져 있는데, 휘어진 공간을 통과하는 빛 또한 휘어지는 거예요. 이처럼 빛과 중력에 관한 비밀을 풀어 낸 것이 바로‘일반상대성이론’이랍니다.


앨리스는 꽃들이 속삭이듯 달콤한 목소리를 좇아 발걸음을 옮겼어요.
“오, 밀레바! 나의 귀여운 병아리! 당신을 생각하지 않고는 더 이상 살고 싶지 않아.”
사랑에 빠진 아인슈타인이 밀레바에게 정성스럽게 편지를 쓰고 있어요. 아인슈타인보다 나이가 많고 건강하지 못하다는 이유로 어머니가 둘의 결혼을 반대하고 있거든요.
1896년 취리히 연방공대에 입학한 아인슈타인은 인생의 동반자가 될 사람을 만나게 되는데 바로 밀레바예요. 세르비아의 부유한 가정에서 태어난 밀레바는 스위스로 유학을 온 뛰어난 학생이었지요. 당시 공대에는 여학생이 드물었는데, 밀레바는 수학과 물리학 분야에서 장래가 촉망되는 젊은 과학도였답니다. 둘은 함께 공부를 하며 가까워졌고 서로에게 큰 의지가 되어 주었어요. 앨리스가 아인슈타인에게 속삭였어요.
“빨리 프러포즈 하세요. 꽃이 시들기 전에!”
앨리스의 목소리를 들은 걸까요? 아인슈타인은 결국 밀레바와 행복한 결혼식을 올렸어요. 그 당시 아인슈타인의 마음을 움직이는 것은 공부와‘사랑하는 인형, 밀레바’뿐이었거든요. 밀레바는 훗날 뛰어난 수학적 재능을 이용해 아인슈타인이 상대성 이론을 정립하는 데 큰 영향을 주었답니다.

| 쌍둥이역설 |
두 명의 쌍둥이 형제를 상상해 볼까요? 형은 빛의 속도와 가까운 속도로 나는 우주선을 타고 멀리 떨어진 별을 향해 우주여행을 떠났어요. 이런 속도로 우주여행을 하면 시간이 느리게 가기 때문에 그가 지구에 돌아왔을 때 고작 몇 개월 정도의 나이를 먹었을 뿐이에요. 그러나 지구에서의 시간은 훨씬 빨리 지나갔지요. 동생은 그 사이에 노인이 되었답니다.
아인슈타인은 빛에 가까운 속도로 움직이면 시간이 천천히 흐르게 된다는 사실을 밝혀 냈어요. 그것이 바로‘특수상대성이론’이지요.


빛의 속도로 빛을 쫓아가면 어떻게 될까? 어떤 모양으로 보일까? 쫓아가는 속도를 높이면 빛의 속도는 더 느려 보일까? 그 속도가 빛의 속도와 같아진다면 빛은 움직이지 않고 멈춰 있는 것처럼 보이게 될까? 아인슈타인의 머릿속은 온통 이런 생각들로 가득 차 있었어요. 왜 하필이면 빛일까요? 빛의 속도보다 빠른 것은 없을까요? 앨리스도 아인슈타인과 함께 고민에 빠졌어요. 그 때 놀라운 일이 벌어지게 시작했습니다. 앨리스의 몸이 점점 작아지더니 아인슈타인의 생각 속으로 빨려 들어가기 시작했거든요. “어차피 여긴 이상한 나라잖아. 놀랄 필요 없어.”라고 앨리스는 생각했어요. 우주 공간을 날고 있어요.
“와, 하늘을 자유롭게 날고 있잖아!”
아인슈타인은 우주에서 가장 빠른 속도를 갖는 것은 빛이며 빛의 속도는 변하지 않는다고 생각했어요. 그리고 뉴턴의 절대시간과 절대공간 대신에 상대적인 시간과 공간이 결합된 4차원의 시공간을 만들었지요. 시간의 상대성은‘쌍둥이역설’을 통해서 알 수 있어요. 여행을 하고 있는 우주선의 길이를 지구에 있는 사람이 재면 지구에서 출발할 때의 길이보다 짧아져요. 또한 물체의 속도가 빛의 속도만큼 빨라지면 에너지가 점점 증가하면서 결국 물체의 질량이 늘어나게 된답니다.
“그래! 맞아. 에너지와 질량은 같은 거라구!”
아인슈타인과 앨리스가 거의 동시에 소리쳤어요. 앨리스의 목소리는 조금 떨렸어요.
“이런 역사적인 순간에 내가 아인슈타인의 머릿속에 있다니 정말 영광인걸.”
이처럼 아인슈타인은 사고실험을 통해서 눈에 보이지 않는 빛과 우주의 세계를 여행할 수 있었답니다.

댓글1

  • U01S 2012-02-26 19:06

    0 0

    와우

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