20세기로 들어서기 직전부터 당시 알고 있던 물리학으로는 도저히 설명되지 않는 현상들이 우연히 관찰되기 시작하였다. 그것은 마치 19세기 말에 이르기까지 자연법칙을 구성하는 많은 조각으로 이루어진 퍼즐 맞추기 놀이를 순조롭게 진행하다가 마지막 한두 개가 맞지 않아서 마침내 전체적으로 조각들이 약간씩 비틀어져 있다는 것을 깨닫게 되는 것과 비슷하였다. 이러한 물리학 퍼즐은 마지막까지 다 맞춰보기 전 까지는 그동안 제대로 맞지 않았다는 것조차도 전혀 눈치 챌 수가 없었지만, 20세기 중반에 이르러 물리학자들은 왜 퍼즐이 정확히 맞지 않았는지 그 이유를 찾아내었다. 그리고 그렇게 해서 다시 맞춘 퍼즐은 아주 잘 들어맞았는데, 그것은 바로 새로 알게 된 물리학이 틀리지 않다는 증거가 되었습니다. 그렇게 밝혀진 물리학이 원자와 분자 세계의 운동법칙에 대한 양자역학과, 그동안 잘못 이해하고 있었던 공간과 시간을 제대로 알게 해준 상대성이론이다.
아인슈타인의 상대성 이론은 우주와 만물의 물리적 현상에 대한 인식 자체를 근본부터 바꾸어 버렸다는 점과 지금 우리가 누리고 있는 수많은 기술적 혜택의 근간을 제공해주었다는 점에서 큰 의미가 있다는 것이다.
상대성 이론은 시간과 공간의 성질을 다루는 물리학 이론이다. 아인슈타인은 이 이론을 두 부분으로 나누어 발표했는데, 기적의 해로 불리는 1905년에 ‘특수 상대성 이론’을, 10년 뒤에 ‘일반 상대성 이론’을 발표했다. 두 이론의 차이는 중력의 영향을 고려한 여부에 있다. 특수 상대성 이론에서 가장 중요한 요소는 바로 ‘빛의 속도’다. 그 무엇도 빛보다 빠를 수 없다는 사실이 우주의 시공간 특징을 설명하는 결정적인 역할을 하기 때문이다.
상대성 이론을 말할 때 우리는 흔히 이 이론이 ‘모든 것은 상대적이다’라는 사실을 말하는 것처럼 생각할 수 있다. 하지만 이 이론이 말하는 상대성이라는 것은 ‘운동의 상대성’을 의미한다. 다시 말해 관측자, 즉 기준이 어디냐에 따라 같은 현상이라도 다르게 해석될 수 있는 특성을 의미하는 것이다. 예를 들어 번개가 동시에 두 곳에 떨어질 때(두 번개의 운동) 우리 눈에는 그것이 동시에 떨어진 것처럼 보이지만, 같은 현상을 우주 공간에서 보고 있다면 시차를 두고 떨어진 것처럼 보일 수 있다는 얘기다.
일반 상대성 이론은 뉴턴이 발견은 했지만 그 이치는 이해하지 못했던 중력의 문제를 해결했다. 쉽게 말하자면 중력이란 뉴턴이 정의한 것처럼 두 물체 사이의 끌어당기는 힘이 아니라, 질량을 가진 물질 주변의 공간이 휘어지며, 이 휘어진 공간을 따라 물체가 흘러가는 현상을 말하는 것이다. 예를 들어 태양과 지구의 관계를 보면 태양이 더 큰 질량을 갖고 있기 때문에 지구는 태양으로 인해 휘어진 공간을 따라 공전한다. 이때 태양으로 완전히 끌려들어가지 않는 이유는 지구의 질량으로 인한 공간의 휘어짐과 주변의 다른 천체들의 중력과의 복합적 작용 때문이라고 할 수 있다.
일반 상대성 이론을 통해 예측된 가장 놀라운 사실은 블랙홀의 존재다. 시공간의 휘어짐이 극도로 심해지면 우주 공간 자체에 구멍이 난 것처럼 될 것이다. 블랙홀은 이름처럼 잘 보이지 않는 천체이지만, 강한 중력을 가지고 있기에 중력이 드러나는 방식으로 그 존재를 감지할 수 있다고 한다.
눈에 보이는 항성이 궤도를 돌고 있는데 궤도 중심에 빛을 내는 물체가 보이지 않는다면 그것이 블랙홀일 가능성, 또 하나는 블랙홀은 크기가 작지만 질량이 매우 크기 때문에 주변의 가스가 빠른 속도로 돌며 고온이기 때문에 자외선이나 X-선 같은 높은 에너지의 빛을 낸다고 한다. 따라서 작은 물체를 둘러싼 지역에서 X-선이 뿜어져 나오고 있다면 이 작은 물체가 블랙홀일 가능성이 있다는 것이다.
상대성 이론은 시간과 공간에 대한 인간의 관점과 사고방식을 근본적으로 바꾼 인류 역사상 최대의 사건이라고 할 수 있다. 이 이론이 더 의미가 있는 것은, 과학의 영역을 넘어 철학적인 영역까지 질문을 던지고 있기 때문이다. 특히 양대산맥을 이루는 양자역학 개념과 함께 다루어질 때 상대성 이론은 더 빛을 발한다. 그래서 이 두 이론을 하나로 엮어 만물의 이치를 설명할 수 있는 ‘통일장 이론’에 수많은 학자들이 도전하고 있는 것이다.
