노벨상 딱 한 개?, 알베르트 아인슈타인(10)

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아인슈타인(10)

<뉴턴과 아인슈타인의 비교>

뉴턴과 아인슈타인은 항상 비교가 된다.

물리학 수업에서 뉴턴 물리학은 아인슈타인 물리학의 특수한 경우라고 해석되기도 한다. 느리게 움직이는 물체는 뉴턴의 법칙을 따르고 광속에 가까운 물체는 아인슈타인의 법칙을 따른다는 것이다.

라틴어로 된  1687년판  자연철학의 수학적 원리 의 뉴턴의 제1,2 법칙

큰 틀에서 이 설명은 틀린 것은 아니지만 뉴턴과 아인슈타인의 차이점은 뉴턴과 고전 물리학에서는 공간과 시간이 절대적임에 반하여 아인슈타인은 그렇지 않다고 설명했다는 점이다. 고전 물리학에 따르면 어딘가에 모든 운동 측정의 기준이 되는 ‘아르키메데스의 점’이 존재하며 어딘가에 보편적인 시간을 알리는 표준적인 시계추가 존재하고 질량과 에너지는 상호 변환할 수 없으며 물체들은 빛보다 빠르게 움직일 수도 있다.

아르키메데스의 초상

그러나 아인슈타인은 이들과 절대적으로 다른 결론에 도달했다. 그러므로 뉴턴의 공식 F = ma와 아인슈타인의 공식 E=mc²에 똑같이 m(질량)이 등장하지만 두 사람의 물리학에서 질량의 개념이 전혀 다르다는 사실을 간과해서는 안 된다.

그런데 고전 물리학은 일반적으로 뉴턴의 물리학을 뜻하는데 정확하게 말하면 고전물리학은 갈릴레오 갈릴레이로 거슬러 올라간다. 또한 전자기 복사에 관한 맥스웰의 연구도 고전 물리학에 포함된다. 따라서 고전 물리학은 양자론이 등장하면서 세계를 뒤흔들어놓은 20세기 이전의 과학을 지칭한다고 볼 수 있다.

페르미 감마선 우주망원경

근래 뉴턴의 고전 물리학에 아인슈타인의 강펀치가 다시 날아들었다. 미국 항공우주국(NASA)의 ‘페르미 감마선 우주망원경’이 73억 광년의 거리를 날아온 감마선 빛을 관측한 후 빛 속도가 에너지나 파장과 관련 없이 항상 일정하다고 보았던 아인슈타인의 이론이 여전히 유효하다고 밝혔다. 아인슈타인의 이론은 근본적으로 광속불변의 법칙에 의지한다. 그런데 근래의 물리학자들이 양자론과 상대성이론을 통합한 ‘만물의 이론’을 만들면서 미시의 양자세계에선 시공간의 진공에서 ‘양자요동’이 일어나며 고에너지와 만날 때 상호작용을 일으키기 때문에 빛의 에너지가 클수록 빛 속도가 느려진다는 예측을 내놓았다.

만물의 이론(모든 것의 이론)

이것을 간단하게 설명하면 ‘바다를 멀리서 보면 평탄하지만 가까이 보면 물거품을 일으키며 요동하는 것처럼 양자세계에서도 시공간이 요동한다는 것이다'. 즉 아인슈타인 이론에선 에너지와 파장에 관계없이 빛 속도가 일정하지만, 양자중력이론에선 빛 속도가 양자요동의 영향을 받는다는 것이다.

이 가설은 뉴턴의 이론을 아인슈타인이 교정해 준 것처럼 아인슈타인이론도 교정될 수 있음을 의미했는데 결론은 아인슈타인의 광속불변의 법칙은 여전히 유효하다는 설명이다. 페르미 감마선 우주망원경에 의한 측정에 의하면 73억 광년 떨어진 곳에서 두 중성자별의 충돌로 생긴 엄청난 에너지의 감마선 입자들을 포착했다. 포착된 감마선 입자 하나는 다른 것에 비해 무려 100만 배 가량 큰 에너지를 지니고 있으므로 아인슈타인에 도전한 새로운 양자중력이론에 의하면 두 입자의 도착 시각이 최소한 몇 분 정도 달라야 했다. 하지만 결과는 0.9초 차이에 불과했다. 김상표 교수는 무려 73억 광년이나 날아오는 동안에 빛이 불과 0.9초 차이만을 나타냈다면 이는 사실상 에너지 차이가 빛 속도에 영향을 끼친다는 양자이론의 일부 예측이 틀렸음을 뜻한다고 설명했다. 또 한 번 아인슈타인의 이론이 난공불락의 영역이 된 것이다.

 

<6개의 노벨상>

그의 이론은 곧바로 물리학자들의 주목을 끌어 1908년부터 계속 노벨 물리학상 후보자로 추천되었다. 그러나 당시 스웨덴의 물리학계는 실험에 의한 검증을 강조했기 때문에 절대적인 확증 없이 상대성 이론으로 노벨상을 수여할 수 없다는 주장을 견지하였다.

상대성 이론은 그때까지 인간이 품고 있던 시간과 공간의 개념을 근본적으로 수정해야 하는 대변혁을 강요했고 엄청난 파장을 야기했지만 그의 상대성 이론을 검증하기란 쉬운 일이 아니었다.

아인슈타인은 1910년부터 1922년까지 1911년과 1915년을 제외하고는 노벨상 추천을 받았지만 계속 탈락하였다. 아인슈타인이 계속 탈락하자 학자들도 노벨상 위원회에 곱지 않은 시선을 보내기 시작했다. 아인슈타인을 제외하고 노벨상을 받을 수 있는 과학자가 과연 누구냐는 지적까지 있었다. 드디어 노벨상 심사위원회에서도 아인슈타인에게 노벨상을 수여하는 것을 적극 검토하기 시작했다. 1919년에는 1905년에 아인슈타인이 발표해서 분자가 실재로 존재한다는 것을 최초로 직접 증명한 브라운 운동에 관한 논문으로 상을 주자는 논의도 있었지만 탈락하였다. 1919년에는 중력에 의해 빛의 경로가 휜다는 유명한 실험으로 아인슈타인의 이론이 정확하다고 확인되었지만 1920년 심사위원회 역시 상대성이론으로 노벨상을 수여하는 것을 거부하였다.

1921년 광전효과 이론 노벨 물리학상 수상

1920년도 노벨상 수상자 명단에서도 아인슈타인의 이름이 제외되자 노벨상 자체에 대한 권위마저 실추될 정도였다. 결국 노벨상 심사위원회에서 계속 그의 수상을 미룰 수 없었다. 드디어 1921년 심사위원회에서는 1915년 미국의 밀리컨(Robert Andrews Millikan)에 의해 실험적으로 검증이 완료된 아인슈타인의 광전효과를 수상 대상 연구로 선정하였다.

그렇다고 해서 광전효과가 결코 상대성이론에 뒤떨어지는 것은 아니다.

아인슈타인이 워낙 여러 가지 독창적인 이론을 도출했기 때문에 그의 이론으로 몇 개의 노벨상을 받았겠느냐에 많은 사람들이 궁금해 하는 것은 사실이다.

루돌프 뫼스바우어(1929~2011)

학자들은 아인슈타인이 장수했다면 1961년 뫼스바우어(Rudolf Ludwig Mössbauer)와 함께 상대성 이론, 1964년에는 메이저와 레이저에 대한 기초 이론으로 타운즈 박사와 함께 노벨물리학상을 수상했으며 2005년에도 노벨상을 공동수상했을 것으로 생각한다. 2005년도의 노벨상 수상작은 「양자광학적 결맞음 이론으로 현대 양자광학의 토대 마련과 광 주파수 및 빗 기술로 정밀분광학 발전에 기여」인데 간단하게 말하여 현재 우리들의 실생활에 깊이 침투해 있는 내비게이션(GPS)의 기초원리다. GPS는 아인슈타인의 상대성 이론이 옳다는 것을 확실하게 확인시킨 것으로 내비게이션에서 생기는 오차를 아인슈타인의 상대성원리로 정확하게 교정시킨다.

찰스 하드 타운스(1915~2015)

그런데 2017년 노벨상은 아인슈타인이 100년 전 예측한 중력파를 2015년 실험적으로 검증한 과학자들에게 돌아갔으며 2020년은 아인슈타인이 도출했음에도 싫어했다는 블랙홀을 연구한 펜로저스 박사 등이 받았다. 2017년과 2020년에 아인슈타인이 제시한 이론들이 노벨상을 받은 것은 과학기술의 발달로 인해 과거에는 불가능하다고 생각한 검증이 실제로 이루어졌기 때문이다.

1879년생인 아인슈타인이 2020년까지 살았다면 6개의 노벨상을 받았을 것이라는 가정이 적합하지 않다는 지적은 있지만 여하튼 아인슈타인이 노벨상을 못 받은 것은 그의 이론이 워낙 앞서므로 당대에 검증이 불가능했기 때문이다. 너무 탁월한 재주를 갖고 있는 사람이 손해 본다는 것은 영재과학자에게도 예외는 아니라는 뜻이다.

 

<아인슈타인보다 먼저 도출된 로렌츠의 상대성이론>

1873년 맥스웰이 전자기장의 이론을 완성하여 전자기파의 존재를 예언하고, 전자기파와 빛이 같은 성질의 것임을 지지한 후 ‘에테르’가 존재할 것으로 예측했지만 마이클슨-몰리의 엄중한 실험에 의해 에테르는 우주 공간에 존재하지 않았다.

마이컬슨-몰리 실험의 데이터

마이클슨-몰리의 측정 결과는 많은 물리학자들로부터 비난을 받았고 심지어는 결과를 부정당하기도 했다. 그들의 에테르 검출 실패를 설명하기 위해 아일랜드의 물리학자 피츠제럴드(George Francis Fitzgerald)는 운동하는 물체는 그것의 절대 운동의 방향으로 길이가 줄어든다고 제안했다.

조지 프랜시스 피츠제럴드(1851~1901)

그는 지구 운동과 같은 방향으로 광속을 측정하면, 측정치는 측정 기구의 수축으로 상쇄되어 지구 운동의 수직 방향으로 측정된 광속의 측정치와 같아진다는 것이다. 그에 따르면 초속 11.265킬로미터로 달리는 물체는 그 운동 방향으로 10억 분의 2만큼 수축한다. 초속 11.265킬로미터면 오늘날 가장 빠른 로케트가 낼 수 있는 속도이다. 다시 말하자면 에테르가 존재해도 마이클슨-몰리의 측정 방법으로는 에테르를 검출할 수 없다는 것이다.

헨드릭 안톤 로런츠(1853~1928)

네덜란드의 헨드릭 안톤 로렌츠(Hendrik Antoon Lorentz)는 피츠제랄드의 원리를 토대로 하여 더욱 놀라운 이론을 발표했다. 물체가 절대 운동의 방향으로 수축할 뿐만 아니라 그 질량도 증가해야 함을 수학적으로 밝힌 것이다. 즉 로렌츠는 ‘움직이고 있으면 그만큼 전자기 법칙 자체가 변화하고, 그 효과에 의하여 원자 사이의 전기적인 결합 방식의 힘이 변화하여 물체가 정말로 수축한다'는 것으로 이를 ’로렌츠의 상대성이론‘이라고 한다.

1킬로그램의 물체가 광속의 반으로 움직이면 질량이 1.15킬로그램으로 늘어나고, 광속의 3/4 속력으로 운동하면 1.5킬로그램, 광속으로 달린다면 질량은 무한대가 된다는 것이다. 그는 무한대의 질량은 존재할 수 없으므로 물체의 속도는 광속보다 더 빨라질 수 없다고 생각했다. 피츠제랄드의 길이 수축과 로렌츠의 질량 증가 효과는 서로 밀접하게 관련되어 있으므로 '로렌츠-피츠제럴드 방정식'이라고 하는데 질량과 속력 사이의 관계는 다음과 같이 주어진다.

 

m = mo/(1-v2/c2)1/2

 

mo는 물체의 정지질량, m은 물체가 관찰자의 기준계에 대하여 속력 V로 움직이고 있을 때 관찰자가 측정하는 질량이다. 속력이 광속의 절반이면 m=1.15 mo 이다. 그러나 v=c, 즉 광속으로 달린다면 mo = 0 = 무한대가 된다.

1900년경 독일의 물리학자 카우프만은 로렌츠-피츠제럴드 방정식이 예측한대로 전자의 속도가 증가함에 따라, 전자의 질량도 증가한다는 실험 결과를 얻었다. 그 이후에도 로렌츠-피츠제럴드의 예측이 거의 완벽하다는 실험 결과가 계속 이어졌다. 로렌츠의 이론은 그를 당대 최고의 물리학자로 부상시켰으며 로렌츠는 이 연구로 1902년 제 2회 노벨 물리학상을 받았다.

그런데 잘 알려진 아인슈타인의 상대성 이론도 ‘빠른 속도로 달리면 시간이 느려진다와 빠른 속도로 가면 질량이 증가한다’로 대변된다. 그러므로 로렌츠의 이론과 아인슈타인의 상대성이론에서 사용한 식과 똑같다. 왜냐하면 아인슈타인의 상대성이론은 바로 로렌츠와 피츠제랄드가 제안한 기본 이론에서 유도된 것이기 때문이다.

여기에서 ‘상대성이론’이라는 단어는 아인슈타인의 논문을 처음으로 인정해준 플랑크에 의해서다. 그는 아인슈타인의 논문이 발표된 지 3년 후인 1908년 아인슈타인의 주장을 통칭하기 위해 ‘상대성이론’이라는 이름을 붙여주었다.

여기에서 다소 의문이 제기된다. 한마디로 아인슈타인의 상대성이론 원전은 로렌츠 박사다. 엄밀한 의미에서 아인슈타인의 상대성이론은 로렌츠가 이미 도출했으므로 아인슈타인은 로렌츠의 상대성이론을 표절한 셈이다.

그럼에도 현대인들이 상대성이론이라면 아인슈타인을 거론하는 것은 이들 간에 차이가 있기 때문이다. 로렌츠의 상대성이론은 에테르가 존재한다는 것을 전제로 유도한 것인 반면 아인슈타인은 에테르가 존재하지 않는다는 것을 기본으로 하여 설명했다. 이는 똑같은 식을 도출하는데 정한 대전제에 차이가 있기 때문이다.

로렌츠 박사의 공식은 에테르가 존재한다는 것을 전제로 정지한 관측자의 입장에서 보는, 운동하는 대전 입자에 한해서 기술한 것이다. 이에 반해 아인슈타인은 에테르가 존재하지 않는다는 것을 전제로 두 사람의 식을 보다 확대 해석해서 운동하는 관측자가 보는 모든 물체에 대해 설명했다.

로렌츠 방정식은 일반인들에게 커다란 충격을 주지 않았는데도 불구하고 아인슈타인의 이론이 충격적이었던 것은 아인슈타인은 운동하는 모든 물체의 속력이 증가하면 길이가 수축하고 질량이 늘어날 뿐만 아니라 시간의 흐름도 느려진다고 주장했기 때문이다. 아인슈타인의 우주 개념은 시간과 공간을 뒤섞은 것으로 시간과 공간이 그 자체만으로는 무의미하며, 시간은 한 차원을 차지하는 4차원이라는 것이다.

결국 아인슈타인은 로렌츠-피츠제럴드의 식을 자신이 구상하는 우주의 기본 틀에 적용하는데 성공하였고 로렌츠-피츠제럴드는 자신들이 유도한 공식의 중요성조차 전혀 이해하지 못했다. 로렌츠는 자신이 세계를 놀라게 할 이론 즉 ‘상대성이론’을 만들었음에도 그것을 보다 한 차원 높은 경지로 발전시키는데 실패한 반면에 아인슈타인은 로렌츠의 방정식이 갖고 있는 핵심을 알아차리고 정확하게 지적한 것이다.

이것이 아인슈타인이 일반 과학자들에 비해 돋보이는 점이다. 물론 아인슈타인이 스스로 로렌츠가 없었다면 자신의 상대성이론은 탄생하지 않았을 것이라고 말한 적도 있고 놀랍게도 로렌츠는 아인슈타인보다 훨씬 전에 자신이 도출한 상대성이론으로 노벨상을 받았다. 로렌츠가 제자인 제이만(Pieter Zeeman)과 함께 1902년 노벨 물리학상을 수상하여 크게 섭섭하지는 않았겠지만 과학자들은 자신이 발견한 것의 의미와 중요성을 꿰뚫고 있어야 한다는 것을 다시금 확인시켜준다.

피터르 제이만(1865~1943)

사실 아인슈타인이 발표한 논문은 시기적으로도 적절했다. 로렌츠가 이미 상대성이론이라는 큰 틀을 제시했으므로 장 페랭(Jean Perrin, 1870∼1942) 과 같은 다른 물리학자들이 근간 아인슈타인과 동일한 논문을 발표했을 것으로 생각하기 때문이다. 특히 로렌츠도 이미 상대성이란 개념을 도출한 상태이므로 자신의 부족함을 인식하고 아인슈타인과 같은 이론을 제시했을 것으로 추정한다. 그런데 당시 주력 연구계와는 전혀 다른 특허청 직원인 아인슈타인이 그런 논문을 제출했다는 것은 놀라운 일이 아닐 수 없다.

장 바티스트 페랭(1870~1942)

이런 발상의 전환을 물구나무서기로 보았다고 말하기도 한다. 똑같은 사안을 보아도 발상의 전환이 가능하다는 것을 의미한다. 물구나무서기를 한다고 해서 없는 것이 갑자기 나타나는 것이 아니라 서서 보았을 때 감지하지 못한 것을 볼 수 있다는 뜻이다. 똑같은 상대성이론, 똑같은 수학식임에도 불구하고 아인슈타인의 물구나무서기가 돋보이는 이유다.

특허청 직원이 어떻게 물리학 분야의 논문을 5편이나 동시에 발표할 수 있었는지에 의문을 표시하는 사람들이 많이 있는데 그것은 당대의 특허청 업무와도 관련이 있다. 사실 아인슈타인은 모교인 스위스연방공과대학의 조교 선발에 탈락(품행이 좋지 못하다는 평가가 원인이라는 설도 있음)하여 친구의 도움으로 특허청에 취직하여 30살에 그만둘 때까지 7년 동안 특허 신청에 관한 적격 여부 심사 업무를 담당했다.

당시에 특허 신청이 그다지 많지 않으므로 바쁜 직장이 아니었지만 스위스의 특허 심사가 다른나라와 다소 다르다는 점이 아인슈타인에게 큰 도움이 되었다. 대부분의 나라에서 특허 심사 기준은 ‘지금까지 다른 것’에 두고 있지만 스위스에서는 ‘뛰어난 것’에 주안점을 두었다. 그러므로 스위스에서는 특허를 신청해도 그 내용이 이전보다 뛰어나지 않으면 받아들여지지 않았다.

아인슈타인은 특허 심사라는 단조로운 지적 노동을 통해 독창적인 이론 형성이 ‘무엇이 중요하고, 무엇이 가치 없는 것인가’를 판단하는 직관과 통찰력을 자신도 모르는 사이에 익힌 것이다. 1905년, 26살이었을 때 특수상대성이론, 광양자설, 브라운 운동을 발표하여 기적의 해로 알려질 당시 세 분야는 당시 세계의 물리학계에서 가장 주목받았던 연구 분야였다.

한마디로 아인슈타인은 특허청에서 당대 최고 수준의 중요 관심사만 집중 연구할 수 있는 유리한 위치에 있었다. 이것은 남다른 직관을 갖고 있는 특허청 공무원이었기에 가능했는데 즉 ‘업무량이 적었다’는 사실이다. 늦게 출발한 사람이 성공하기 위해서는 연구 분야를 잘 선택하여 그것을 향하여 집중적으로 노력해야하는데 이러한 조건은 오늘날에도 통용됨은 물론이다. 생각하고 최첨단의 정보를 철저하게 음미하면서 한 마리의 토끼를 끝가지 쫓아가 잡는 것이 중요한데 바로 아인슈타인이 그걸 선용하여 세기의 과학자로 부각한 것이다. 아인슈타인은 사망하기전 다음 명언을 남겼다.

 

‘지식보다 중요한 것은 상상력이다.’