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[궁금한S] 우주의 시공간이 휘어진다? 일반 상대성 이론

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 아인슈타인이 주장한 일반상대성이론은 중력을 설명하는 가장 강력한 이론인데요.

세상의 모든 것은 상대적이라는 개념을 가져오며 뉴턴역학을 깨트리는 계기가 되었습니다. 현대 중력이론의 시초가 된 일반상대성이론은 무엇인지 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다.

궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

1687년, 아이작 뉴턴 경에 의해 모든 만물은 서로를 끌어당긴다는 법칙인 만유인력의 법칙을 알아냈습니다. 우리가 지구에 설 수 있도록, 그리고 물건을 떨어트릴 수 있도록 지구가 만들어내는 힘은 달에도 똑같이 작용하고 있고, 또한 태양계 전체에도 작용하고 있다는 것이죠.

그로부터 정확히 228년 뒤인 1915년, 패기 넘치는 과학자에 의해 기존에 있던 이 만유인력이라는 현상이 의심을 받게 됩니다. '만유인력은 정말 존재하는가?' 젊은 과학자인 아인슈타인은 떨어지는 현상에 의해 고민합니다. 아인슈타인의 이 고민을 궁금한 S 스타일로 함께 들여다보도록 하겠습니다.

저희는 지금 우주의 어느 한 공간에 있습니다. 우주선의 내부에서는 외부의 모습이 하나도 보이지 않지만, 바깥에서는 내부를 훤히 들여다볼 수 있는 정지한 우주선이 하나 있다고 가정해보도록 할게요.

이 우주선에 타고 있는 S와 사과 한 개가 있군요. 우주선이 갑자기 위쪽으로 가속하며 움직이기 시작합니다.

이 상황을 바깥에서 지켜보면 어떨까요? 우주선이 정지하고 있는 S와 사과를 위로 밀어 올리는 것처럼 보이겠죠. 그렇다면 우주선 내부에선 어떨까요? 바깥 상황을 전혀 볼 수 없는 S와 사과는 우주선이 가속하고 있는지조차 알 수 없습니다.

이러한 이유로 내부에 있는 S와 사과는 우주선의 아래 방향으로 힘을 받는 것처럼 느낍니다. 이러한 가상의 힘을 우리는 관성력이라고 부릅니다. 이 시점에서 여러분에게 질문 하나를 드리도록 할게요.

이번에는 여러분이 이 우주선에 타고 있습니다. 우주선을 타고 있는 여러분은 갑자기 우주선의 아래 방향으로 힘을 받고 있음을 느끼고 있습니다.

자, 이제 골라보세요. 여러분은 지금 보이는 A와 B의 상황 중 어느 상황에 놓여있는 것이라고 생각하시나요? 쉽게 고를 수 없으시죠? 정답은 무엇일까요?

정답은 A일 수도 있고, B일 수도 있다 입니다.

어리둥절할 여러분들을 위해 바로 설명해보도록 하겠습니다. 우주선 내부 안에서 바깥을 볼 수 없는 환경이라면 이 우주선이 가속하고 있는지, 아니면 중력에 의해서 아래로 중력의 힘을 받는지에 대해서 전혀 알 방법이 없습니다. 다시 말해서 A와 B의 상황은 바깥을 관찰하지 않는다면 절대 구별할 수 없는 상황이라는 뜻이죠.

아인슈타인은 바로 여기에 착안하여 가속에 의해 발생하는 힘인 관성력과 질량에 의해 떨어지는 힘인 만유인력, 다시 말해 중력은 구별할 방법이 없다는 것을 떠올리게 되는데요. 이러한 아이디어를 등가원리라고 합니다. 중력과 관성력은 전혀 구별할 수 없는 동일한 현상이라고 생각하는 것이죠.

이번에는 우주선에 빛이 한 줄기 들어올 수 있는 구멍을 만들어놓고, 바깥으로 들어오는 빛을 빛알 모형으로 가정하고 설명하겠습니다. 이 우주선이 앞으로 지속해서 가속하고 있다면, 우주선에 들어오는 빛알은 제아무리 빛의 속도로 빠르게 들어올지라도 벽면에 찍힐 때까지 걸리는 시간만큼 우주선이 앞으로 나아가게 되어 처음 뚫어놓은 구멍의 높이보다 약간 아래쪽에 도달하게 될 것입니다. 이 상황을 우주선의 내부에서 본다면 우리는 빛알이 아래로 휘어지는 궤적을 따라 날아간다는 것을 확인할 수 있습니다.

그렇습니다.빛이 우주선의 가속에 의해 아래로 휘어진 것입니다. 여기서 아인슈타인은 이렇게 생각합니다. 우주선의 가속에 의해 만들어지는 관성력과 중력에 의해 만들어진 힘이 구별할 수 없는 동일한 것이라는 등가원리로 생각해본다면 중력이 작용하는 공간에 빛이 진행하게 될 경우 우주선의 가속 때문에 빛이 휘어졌던 것처럼 중력의 방향으로 빛이 휘어지지 않을까? 이를 우리는 중력이 빛을 휘게 만든다는 의미인 중력렌즈 효과라고 부릅니다. 이는 영국의 실험물리학자 에딩턴이 시행했던 태양의 개기일식을 이용하는 창의적이고 놀라운 방법을 통해 입증됩니다. 태양의 뒤쪽으로 보이는 별을 관측해 태양이 없는 밤하늘과 비교했을 때 그 위치의 차이가 발생하게 된다면 명백하게 태양의 중력이 별빛의 진행 방향을 굴절시킨 것일 테니까요.

바로 여기서 아인슈타인은 생각합니다. 항상 최단시간를 선택해 움직이는 빛이 어떻게 중력에 의해 휘어지는가? 빛이 휘어지는 현상은 뭐가 있었지? 굴절 현상!

그런데 굴절 현상은 매질 때문에 빛의 속도가 느려기 때문에 발생하는 것인데요.

만약, 우리가 존재하는 공간이 변화하지 않았다면 우리의 공간과 함께 존재하는 시간의 흐름과 관련이 있는 것은 아닐까? 빛이 통과하는 공간의 시간이 느리게 흐른다면 그렇다면 빛은 그 느리게 흐르는 시간을 따라 다시 말해 시공간의 곡률을 따라 휘어지는 것이 아닐까? 이 생각은 만유인력의 법칙에 정면으로 도전하며 물체가 물체를 끌어당기는 힘의 원리를 물체가 가지는 질량 때문에 발생하는 시공간의 곡률에 의해서 만들어지는 현상으로 규정해버립니다. 빛도 물체도 질량이 만드는 힘 때문이 아니라 시공간의 곡률을 따라서 진행하고 이동한다는 것이죠.

이게 바로 아인슈타인의 놀라운 발견, 일반상대성이론의 핵심 아이디어입니다.

이러한 아이디어를 통해 우주 속에 존재하는 모든 별과 행성은 물론 세상에 존재하는 질량을 가진 모든 물체는 그 질량의 크기만큼 가속의 크기만큼 시공간의 곡률을 만들게 됩니다. 또한, 진공 속에서 항상 동일한 속도를 가지는 빛이 휘어진다는 성질을 이용해 곡률 속에 놓인 시간은 그렇지 않은 시간보다 느리게 흐르게 된다는 사실을 깨닫게 됩니다.

영화 인터스텔라 속 쿠퍼 팀이 밀러 행성을 탐사한 단 몇 시간 동안 로밀리의 시간은 23년이라는 긴 시간이 흘러 있었고, 블랙홀 속에 뛰어든 쿠퍼가 기적적으로 밖으로 나오게 되었을 때 어린아이였던 딸이 늙어 임종을 맞이하고 있었던 이유도 일반상대성이론에서 말하고 있는 시공간의 곡률 차이에 의한 시간 지연 때문이었습니다.

뉴턴역학으로 설명할 수 없었던 것을 상대성이론을 적용하면 우주의 다양하고 기묘한 운동을 설명할 수 있습니다. 우주를 해석하는 기존의 뉴턴 역학에서 벗어나, 더 합리적이고 많은 것을 포괄할 수 있는 방법인 일반상대성이론! 우리의 직관으로는 정말 기묘한 현상이 이 우주에서 실제로 일어나고 있다는 사실이, 정말 신기하지 않나요?

그럼 <궁금한 S>는 여기서 이만 인사드릴게요. 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 ytn 사이언스 유튜브에 댓글을 남겨주세요. 이상 <궁금한 S>였습니다!
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