뉴턴의 만유인력부터 기적의 해를 거쳐
마침내 일반상대성이론이 탄생하기까지

어떤 이론이든, 그것이 탄생하기 위해서는 그때까지 쌓여온 여러 지식들이 바탕이 되어야 한다. 상대성이론도 예외는 아니다. 이 책은 아인슈타인이 상대성이론을 발표하기까지 물리학계의 흐름과 논의를 차근차근 짚어주는데, 그것을 따라가는 것만으로도 상대성이론이 무엇인지 점차 윤곽을 그릴 수 있다.

저자는 우선 17세기 자연철학에서 가장 중요한 쟁점이 되었던 뉴턴 역학의 힘과 물질 문제, 질량의 개념을 짚고, 라이프니츠와 클라크의 공간에 관한 논쟁을 살펴봄으로서 상대성이론의 실마리를 풀어간다.

이러한 과학적 배경 속에서 ‘기적의 해’라 불리는 1905년 아인슈타인은 특수상대성이론을 발표한다. 그러나 특수상대성이론은 이름 그대로 관성계라는 ‘특수한’ 상황에서만 통용되는 한계가 있는 이론이었다. 10여 년의 연구 끝에 아인슈타인은 결국 모든 좌표계에서 통용될 수 있는 일반상대성이론을 발표한다.

이 과정에서 저자는 특수상대성이론을 일반 이론으로 확장하는 데 큰 역할을 한 민코프스키 시공간, 비유클리드 기하학인 리만 기하학을 아인슈타인이 어떻게 받아들였는지 차례로 소개하며, 중력장 방정식을 완성하는 데 있어 결정적인 역할을 한 힐베르트와의 경쟁 이야기도 살펴본다. 특히 힐베르트의 경우 사실상 아인슈타인보다 한 발짝 먼저 중력장 방정식을 완성한 것으로 생각되는데, 저자는 그런 이유로 ‘힐베르트-아인슈타인 중력장 방정식’이라고 부르는 게 정당할 것이라고 말한다.

과학의 발전에는 늘 숨은 공로자가 있다

이렇게 상대성이론의 전개를 살펴보는 과정에서 가장 두드러지는 이 책의 미덕은 잘 알려지지 않은 이들이 이룬 성과에도 주의를 기울인다는 점이다. 앞에서 언급한 힐베르트 같은 경우는 중력장 방정식이 아니더라도 너무나 유명한 수학자였지만, 상대성이론의 발전과 증명, 전파 과정에서 이름조차 제대로 알려지지 않은 공헌자들이 많다.

우주에 떠 있는 망원경 이름으로 유명한 허블은 1929년 은하들이 모두 우리 은하로부터 멀어지고 있음을 밝혀냈다. 바로 외부 은하의 후퇴 속도는 거리에 비례하여 커진다는 허블의 법칙이다. 그러나 사실 이 법칙은 이미 2년 전 벨기에의 사제이자 물리학자인 조르주 르메트르가 발표한 바 있었다. 르메트르는 아인슈타인 중력장 방정식을 통해 팽창하는 우주를 나타내는 풀이를 완전하게 제시했는데, 프랑스어로 된 이 논문이 국제적으로 잘 알려지지 않았던 것이다. 2018년에 이르러서야 국제천문연맹에서 ‘허블의 법칙’이라는 이름 대신 ‘허블-르메트르의 법칙’으로 변경하는 제안이 통과되었다.

허블은 또한 윌슨산 천문대에서의 관측을 통해 위의 발견을 했는데, 당시 고등교육을 받지 못하고 천문대 잡역부로 고용되었던 밀턴 허머슨은 천문 관측 기술에 뛰어난 재능을 보였다. 620여 개에 달하는 은하의 사선방향 속도를 정확히 관찰하여 측정한 허머슨의 도움이 없었다면 허블의 법칙은 증명되기 힘들었다. 하지만 승부욕이 강하고 오만한 성격이었던 허블은 자신의 가장 중요한 동료를 무시하며 그를 제대로 대우해 주지 않았다.

저자는 과학의 발전에서 상대적으로 소외되었던 여성 과학자들에게도 조명을 비춘다. 당시 대학에서 천문학이나 수학을 공부하고도 변변한 직장을 얻지 못한 많은 여성들이 저임금으로 하버드 대학교 천문대에서 관측과 계산 업무를 하고 있었다. 그중 헨리에타 스완 리빗이라는 관측천문학자는 세페이드 변광성을 연구하여 그 주기와 광도 사이의 관계를 발견했는데, 이 발견은 허블 연구의 근간이 되고 천문학의 역사에 엄청난 영향을 미친 업적이었다. 그러나 리빗은 그 뛰어난 성과에도 불구하고 당대에는 거의 주목받지 못했다.

사람들은 스타에 열광하고, 극적인 스토리에 곧잘 주목한다. 그러나 과학에서 잘 알려진 발견들도 사실은 그렇게 단순하지 않은 경우가 많다. 어떤 법칙이 성립하기 위해서는 여러 이론들이 경쟁하고 관측을 통해 입증되는 지난한 과정이 필요하다. 또 새로운 이론이 등장한다고 해도 그것을 어떻게 받아들여질지 의견이 분분한 경우도 많다. 이 책은 인류의 가장 놀라운 업적으로 꼽히는 상대성이론의 태동과 탄생, 발전과 전파 과정을 설명하며 그 과정에서 우리가 놓친 많은 부분들을 되짚어 준다. 어디에서도 쉽게 보지 못했던 상대성이론에 관한 다채로운 이야기들이 과학적 사고의 폭을 넓혀줄 것이다.

들어가며. 004

I 상대성이론의 실마리

1장 뉴턴 vs 아인슈타인 014
“뉴턴이여, 나를 용서하시길!” | 뉴턴의 ‘기적의 해’ 신화

2장 원격작용과 마당이론 032
뉴턴 역학의 힘과 물질 | 질량과 무게

3장 공간이란 무엇일까? 059
뉴턴과 라이프니츠의 공간 논쟁
아인슈타인과 가우스와 비유클리드 기하학

II 기적의 해와 시공간

4장 아인슈타인의 기적의 해 1905년 082
아인슈타인의 학창시절 | 아인슈타인의 박사학위논문

5장 1908년, 절대세계의 가설 105
민코프스키의 「공간과 시간」 | 세계선과 지속성 논쟁

6장 운동질량과 우주선 사고실험.122
질량이 정말 속도에 따라 달라질까? | 드원 ― 베란 ― 벨 우주선 사고실험

III 일반상대성이론의 탄생

7장 베른에서 베를린까지 146
“생애에서 가장 운 좋은 생각” | 아인슈타인과 힐베르트의 표절 논쟁

8장 도대체 일반상대성이론이 무엇일까? 157
일반상대성이론의 기초 | 상대성원리, 동등성원리, 중력장 방정식
일반상대성이론이 탄생하기까지

9장 전쟁의 포성 속에서 우주의 비밀에 접근하다 188
슈바르츠실트의 풀이 | 일반상대성이론과 우주론

IV 가장 아름답고 완벽한 이론

10장 일반상대성이론 입증되다 208
1919년의 개기일식 | 우주론을 바꾼 역사 뒤편의 영웅들

11장 일제강점기 한반도의 스타, ‘아박사’ 또는 ‘아인씨’ 235
빛에도 무게가 있다!! | 동아시아에 온 아인슈타인
“뉴톤에서 아인스타인까지”

V 상대성이론의 해석

12장 상대성이론을 어떻게 해석해야 할까 270
상대성이론의 존재론 | 중력장 방정식의 해석과 상대성이론의 철학적 측면
일반상대성이론과 다양체 실재론
현대 물리학에서 에테르는 자취를 감추었을까?

13장 상대성이론을 넘어서 297
상대성이론은 상대주의적인가? | 베르너 하이젠베르크의 1937년
하이젠베르크와 그레테 헤르만의 대화 | 물리학 밖의 일반상대성이론

14장 모든 것의 이론? 325

주 334
참고문헌 339
찾아보기 342