완벽한 이론

1905년은 이른바 기적의 해 로 불린다. 스위스 특허청 직원이었던 아인슈타인이 느닷없이 노벨상급 논문 3편을 한꺼번에 발표한 해이기 때문이다. 그 중 한 논문이 바로 특수상대성이론 이다. 물리적 직관에 의한, 등속도 운동을 하는 물체에 적용시킨 이론이 바로 특수상대성이론으로, 우리가 잘 아는(그 의미에 대해서라기보다 그냥 많이 들어본) E=MC2이라는 식이 바로 이 이론을 대표한다고 한다. 그 후 아인슈타인은 이 특수한 상황에서만 적용되는 상대성이론을 일반적으로 적용시키기 위한 작업을 수행했고, 가속도가 작용하는 상황에서도 작용하는 일반상대성이론 을 발표했다. 그게 바로 1916년의 일이다(논문 작성은 1915년). 바로 중력에 관한 이론이라고 할 수 있는 이 일반상대성이론은 물리적 직관으로 유도한 특수상대성이론에 비해 수학에 의한 것이었다. 이 일반상대성이론으로부터 중력이 (크게) 작용하는 주변에서 빛이 휜다는 예측이 나왔고, 1919년 대서양의 프린시페섬에서 에딩턴이 개기일식 도중 그 현상을 발견함으로써 아인슈타인은 그야말로 세계적인 스타가 되었다. 그러니까 페드루 G. 페레이라의 『완벽한 이론: 일반상대성이론 100년사』라는 책의 제목은 그냥 상대성이론에 관해서가 아니라 바로 일반상대성이론 에 관해서 쓰고 있음을 말하는 것이다. 일반상대성이론이 처음 나오는 상황에서(물론 아인슈타인의 얘기다), 그 이론을 검증하는 과정(당연히 에딩턴의 얘기를 포함한다), 그리고 그 후 전개되는 서로 뒤집고 뒤집히는, 흥미진진한(!) 우주론에 관한 얘기가 바로 이 책의 줄거리라 할 수 있다. 일반상대성이론은 이 우주의 탄생과 진화를 설명하는 이론으로 발전하지만, 불변의 이론은 아니었다. 그리고 아인슈타인을 거의 무오류의 신적인 존재(특히 그의 이론으로)로 여기는 것이 대중이지만, 그건 사실과 다르다. 아인슈타인이 양자역학을 부인했다는 것은 잘 알려진 사실이지만, 일반상대성이론 자체에서도 아인슈타인의 이론은 재해석되고 수정되어 왔다. 아인슈타인은 자신의 이론에 우주 상수를 도입했고, 정상 우주(즉, 팽창하지 않는 우주)를 고집했다. 그 후 여러 증거에 의해 우주가 팽창한다는 밝혀지면서 우주 상수를 포기하게 된다(물론 다시 우주 상수가 필요해지는 단계가 되어 왔지만). 다른 물리학자들의 이론들도 마찬가지다. 우주를 다 이해할 수 있는 이론을 만들어낸 것으로 유명해진 물리학자의 이론은 당대와 후대의 다른 물리학자에 의해 비판받고 수정되는 상황이 수도 없이 전개된다. 과학은 진리를 탐구하는 방법이며 과정이라는 것을 일반상대성이론의 전개를 통해서도 알게 되는 것이다. 이 과학의 무대에는 참으로 다채롭고 국제적인 많은 인물들 이 등장한다. 영국 천문학자들, 러시아 기상학자, 벨기에 성직자, 뉴질랜드 수학자, 독일 군인, 인도 출신의 젊은 천재, 미국의 원자폭탄 전문가, 남아프리카 출신의 퀘이커 교도 등등 (325쪽) 심지어 일반상대성이론에 대한 대안 이론들도 나오고 있다. 일반상대성이론이 꼭 옳다고 볼 수 없다는 것이다. 일반상대성이론으로 모든 것을 설명할 수 없다는 데서 나오는 것으로 많은 물리학자들이 일반상대성이론을 고수하고 있고, 이를 통해서 우주를 설명할 수 있다고 보고 있지만, 그렇지 않다는 물리학자도 있는 것이다. 이를 보면 저자가 제목으로 정학 완벽한 이론 (The Perfect Theory)이라는 것은 일반상대성이론이 원래부터 그런 완벽한 이론이었다는 게 아니라, 한 세기 동안 천재들이 뛰어들어 서로 싸우고 협력하며 만들어 내온 이론이라는 뜻인 셈이다. 여전히 일반상대성이론은 난해하고 복잡하다. 아니 더 난해하고 복잡해졌는지 모른다. 페레이라는 그 난해하고 복잡한, 혹은 더 난해하고 복잡해진 일반상대성이론에 대해서 나름대로 친절하고 쉽게 설명하고 있지만, 여전히 나는 그게 왜 그걸 의미하는지 제대로 이해하지도 못하면서 책을 읽었다. 그러나 책이 흥미로운 것은 그 어려운 과학을 하는 사람도 역시 사람이라는 것을 책이 잘 보여주고 있기 때문이다. 그리고, 수식을 하나도 넣지 않고도 적어도 일반상대성이론이 무엇인지, 그것을 가지고 무엇을 할 수 있는지를 알려주고 있다.(2014. 5)
알베르트 아인슈타인이 1915년에 일반상대성이론을 처음 내놓은 이래로 물리학자들은 이 이론에 대한 탐구와 논쟁과 문제 제기를 줄곧 이어왔다. 그 과정에서 우주의 놀라운 비밀들이 여럿 밝혀졌고, 많은 사람들은 이 이론의 논쟁적인 방정식들 속에서 더 많은 놀라운 사실들이 아직도 숨어 있다고 믿는다. 상대성이론의 연구자는 히틀러 치하의 독일에서는 박해의 표적이 되었고, 스탈린 정권의 소련에서는 집요하게 괴롭힘을 당했으며, 1950년대 미국에서는 홀대를 당했다. 이런 역경에도 불구하고 일반상대성이론은 크게 활성화되어 시간의 기원과 우주에 존재하는 모든 별과 은하의 진화에 대한 우리의 이해에 핵심적인 통찰을 제공했다.

과학자들이 우주를 과거 어느 때보다 더 멀리까지, 더 선명하게 관찰할 수 있게 된 지금, 이 책은 일반상대성이론의 출발점과 현재와 미래를 보여줌으로써 이 이론이 왜 지금 더 중요한지 알려준다. 저자는 이 책의 마지막 패러그래프를 이렇게 끝맺고 있다. 21세기는 틀림없이 일반상대성이론의 세기가 될 것이며, 나는 아주 많은 것들이 막 발견되려는 때에 살아 있는 내가 행운아라고 느낀다. 아인슈타인이 일반상대성이론을 내놓은 지 100년이 다 되어가는 지금, 엄청난 일이 곧 일어날 것이다.

서문
1 사람이 자유낙하한다면
2 가장 값진 발견
3 옳은 수학, 형편없는 물리학
4 수축하는 별
5 완전히 돌았어
6 라디오 데이스
7 휠러리즘
8 특이점
9 통합의 슬픔
10 중력을 보았다
11 암흑 우주
12 시공의 끝
13 화려한 추정
14 엄청난 일이 곧 일어날 것이다
감사의 말
주
참고 문헌
인명 색인

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