우주관 오디세이-아인슈타인의 철학적 견해아인슈타인은 베른 특허청 시절 철학도 모리스 솔로빈, 콘라드 하비히트와 함께 ‘올림피아 아카데미’를 결성해 철학공부를 열심히 했다는 사실은 잘 알려져 있습니다. 그는 이 모임을 통해 고대에서 근대에 이르는 주요 철학자들의 저작을 섭렵하고 토론했다고 합니다. 이것이 상대성이론이라는 혁명적인 이론을 창안하는 데 자양분이 되었음은 두말할 필요가 없습니다.아인슈타인은 물리학의 근본 토대가 흔들리는 난관에 부딪쳤을 때는 물리학자들이 철학적인 문제를 해결하지 않으면 안 된다며 다음과 같이 말했습니다.“학

우주관 오디세이-상대성이론이란?일반상대성이론은 물리적 직관과 수학적 기교 그리고 철학적 통찰이 어우러진 작품이라는 평가를 받았습니다. 따라서 이런 불세출의 이론이 탄생하게 된 데는 아인슈타인의 남다른 물리적 직관과 철학적 통찰이 있었기 때문에 가능했다는 것은 두 말할 필요가 없을 것입니다.이제 상대성이론이 내포하고 있는 철학적 의미와 이 이론이 드러내는 우주관, 그리고 이것이 인류의 세계관을 어떻게 바꾸었는지에 대해 알아보겠습니다.(일반)상대성이론은 물질(에너지)이 우주 시공간의 구조를 결정짓는다고 간단명료하게 선언합니다. 뉴턴은

우주관 오디세이-상대성이론을 완성하게 된 과학 방법론아인슈타인이 특수상대성이론과 일반상대성이론에 사용한 자신의 과학 방법론을 상세하게 설명한 귀중한 글이 남아 있습니다. 런던타임스의 요청에 따라 쓴 ‘상대성이론을 완성하게 된 과학 방법론’(런던 타임스 1919년 11월 28일 자)이 바로 그것입니다.1)물리이론을 구조 측면에서 분석하면, 구성이론(constructive theory)과 원리이론(principle theory)으로 대별할 수 있다고 아인슈타인은 설명했습니다.아인슈타인에 따르면, 구성이론은 단순한 가설로부터 출발하여 구

우주관 오디세이-아인슈타인의 과학 방법론아인슈타인은 귀납과 연역적 방법을 조화롭게 사용한 과학자로 평가받고 있습니다. 그는 역사상 그 어떤 과학자보다 물리학과 철학에 깊은 지식과 통찰을 가지고 있었습니다. 아인슈타인은 물리적 현상과 실험 결과에 깊은 관심을 기울였을 뿐 아니라 뛰어난 물리적 직관과 철학적 통찰을 발휘했습니다.아인슈타인이 상대성이론을 수립한 과정을 들여다보면, 특수상대성이론에 적용된 방법론과 일반상대성이론에서의 방법론이 상당히 다르다는 것을 발견할 수 있습니다. 또 일반상대성이론을 완성한 이후 통일장이론을 향해 매진할

우주관 오디세이-중력파 탐지영국의 왕립천문학회 간사였던 아서 에딩턴(Arthur Eddington)은 상대성이론의 열렬한 지지자였습니다. 세계대전에서 영국과 아인슈타인의 국적인 독일이 앙숙이었다는 점을 감안하면 정치상황에 굴하지 않은 에딩턴의 학문적 소신은 높이 살 만한 것입니다. 그는 아인슈타인과 상대성이론(특히 일반상대성이론)이 세계적인 관심을 끄는 데 결정적인 실험을 수행했습니다. 그것은 바로 일반상대성이론에서 예언한 빛의 휨 현상을 확인하기 위한 ‘일식 실험’입니다.아인슈타인은 1907년 등가원리를 이용해 중력장에서 빛이 휜

우주관 오디세이-아인슈타인 방정식(중력장 방정식)일반상대성이론의 정화인 ‘아인슈타인 방정식(Einstein's Field Equation, 중력장 방정식)’은 눈밝은 물리학자들로부터 매우 아름답다는 상찬을 받았습니다.독일의 물리학자 막스 보른(Max Born, 1882~1970)은 “아인슈타인의 중력장 방정식은 한 편의 예술작품 같았다. 자연에 대한 인간 사고의 위대한 향연이며, 철학적 통찰과 물리학적 직관 그리고 수학적 기교의 놀라운 결합이다.”라고 찬사를 보냈습니다.이제 아인슈타인이 일반상대성이론의 정수인 중력장방정식을

우주관 오디세이-시공간의 만곡‘등가 원리(equivalence principle)’를 통해 중력에 의한 공간의 휨, 시간 지연, 빛의 적색편이 현상을 통찰한 아인슈타인은 마침내 시간과 공간의 개념을 또다시 새롭게 혁신해야 할 필요성을 느꼈습니다. 그의 친구 에렌페스트(Paul Ehrenfest)가 제기했던 ‘에렌페스트 역설’은 시공간(spacetime)에 대한 새로운 그림을 그리는 데 좋은 발판이 되었습니다.에렌페스트 역설(Ehrenfest's Paradox)에렌페스트 역설은 ‘레코드판이나 회전목마 같은 원판이 회전할 경우

아인슈타인은 1907년 중력 효과와 가속 효과를 구별할 수 없다는 ‘등가 원리(equivalence principle)’를 섬광처럼 통찰했습니다. 그는 이를 ‘생애 최고의 영감(intuition)’이라고 불렀다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 그만큼 ‘등가 원리’가 일반상대성이론에 이르는 열쇠이며, 만약 그 영감이 떠오르지 않았다면 일반상대성이론 창안은 엄두를 내기 힘들었을 것이라는 생각이 담겨 있는 말입니다.아인슈타인은 등가 원리를 통찰한 지 4년 후인 1911년 중력에 의한 '빛의 휨' 현상에 대한 논문을 발표했습니

우주관 오디세이-'생애 최고의 영감'1907년 9월 어느 날 아인슈타인은 근무처인 베른 특허국의 의자에 앉아 있었습니다. 그때 문득 한줄기 생각이 머리를 스쳤습니다. ‘만약 어떤 사람이 자유낙하 하고 있다면 그는 자신의 몸무게를 느끼지 못할 것이다.’ 이 상상은 자신을 화들짝 놀라게 했고, 이후 8년 동안 열성적으로 일반상대성이론에 매달리게 했습니다. 아인슈타인은 후에 이를 ‘생애 최고의 영감’이라고 회상했고, 그 영감(intuition)은 일반상대성이론의 기초가 되는 ‘등가 원리(equivalence principl

우주관 오디세이-일반상대성이론을 향한 아인슈타인의 문제의식아인슈타인은 특수상대성이론을 완성하자마자 이에 흥미를 잃었습니다. 아니, 만족하지 못했다는 표현이 더 적절할 것입니다. 왜냐하면 특수상대성이론은 가속과 중력이 작용하지 않는 ‘특수’한 물리적 환경에서만 성립하는 태생적 한계를 지니고 있음을 깨달았기 때문입니다. 그래서 가속과 중력이 작용하는 ‘일반적인’ 물리적 환경에서도 성립하는 이론을 창안하기 위해 멀고 힘든 여정을 떠나게 됩니다.우선, 특수상대성이론이 가속도 운동을 포괄하지 못한다는 것은 이 이론이 관성계에서만 성립한다는

우주관 오디세이-E=mc²(에너지 질량 등가식)아인슈타인은 특수상대성이론 논문, ‘움직이는 물체의 전기역학에 관하여’를 발표한 지 3개월 후인 1905년 11월 불과 3페이지짜리 논문을 ‘물리학 연보(Annalen der Physik)’에 보냈는데, 이것이 후에 세상을 뒤흔들게 됩니다. ‘물체의 관성은 에너지 함량에 의존하는가?’라는 제목의 이 논문은 세상에서 가장 유명한 공식인 E=mc²(에너지 질량 등가식)을 잉태하고 있었던 것입니다.에너지와 질량이 ‘같다’는 혁명적인 결론을 담고 있는 E=mc²을 탄생시킨 아인슈타인의 발상은

우주관 오디세이-쌍둥이 역설일반인들이 상대성이론 하면 가장 먼저 떠올리는 것이 ‘빠르게 움직이면 시간이 느리게 간다.’는 이야기일 것입니다. 그렇습니다. 특수상대성이론에서 도출되는 혁명적인 사실은 바로 움직이는 물체에서는 시간 지연, 거리 수축, 질량 증가 효과가 나타난다는 것입니다. 물론 에너지가 곧 질량이란 사실도 특수상대성이론에서 도출되는 놀라운 사실임에 틀림없습니다. 효과의 크기는 √1-(v/c)² 항이 곱해지거나 나눠지는 값이 됩니다. 여기서 c는 빛의 속도이고, v는 두 관측자의 상대 속도입니다.이제 어떻게 시간 지연이

우주관 오디세이-특수상대성이론의 수학적 핵심에 한 발 먼저 다가간 로렌츠와 푸앵카레특수상대성이론의 핵심은 시간과 공간이 절대적인 물리량이 아니라 관측자에 따라 상대적이라는 사실을 확인한 부분입니다. 아인슈타인은 외견상 서로 양립 불가능한 것처럼 보이는 상대성 원리와 광속불변의 원리를 융합하는 과정에서 시간과 공간 개념에 대한 새로운 분석을 통해 이를 통찰했습니다.그 결과 상대성 원리와 광속불변의 원리가 ‘외견상 양립하지 않는 것’은 정당화될 수 없는 고전역학의 두 가지 가정에서 비롯된 것임을 확인했습니다. 그것은 첫째, 두 사건 사

우주관 오디세이-혁명적 천재 아인슈타인, 시간과 공간 개념의 혁명아인슈타인은 새로운 시간·공간 개념에 대한 통찰을 얻은 이후 6주 만에 신들린 듯 논문을 작성해 발표했습니다. 이 논문이 「움직이는 물체의 전기역학에 관하여」입니다. 바로 물리학사의 기념비적 이론인 특수상대성이론인 것입니다.이 논문은 놀랍게도 단 두 가지의 단순한 공준(postulate)으로부터 모든 결론을 이끌어냈습니다. 공준은 하나의 이론체계에서 기본 전제가 되는 가정을 말합니다. 수학에서 공리(axion)와 거의 같은 뜻으로 쓰입니다. 뉴턴은 세 개의 운동법칙(관

아인슈타인은 시간과 공간의 개념을 새롭게 탐구한 것이 특수상대성이론의 창안에 이르게 되었다고 말했습니다. 그렇다면 이제 그가 어떻게 시간과 공간을 새롭게 분석했는지 알아보겠습니다.아인슈타인은 시간의 정의와 ‘동시(simultaniety)’의 개념을 새롭게 탐구하고 나섰습니다.그는 전통적으로 ‘시간이란 결국 시계 바늘을 읽는 것’으로 파악했습니다. 기찻길(좌표계) 위의 세 곳 A, B, C에 동일한 구조를 가진 세 개의 시계가 놓여있습니다. 만약 기찻길 근처에서 어떤 폭발사건이 일어났다고 가정해보겠습니다. 그 사건이 일어난 시각은 언

우주관 오디세이-시간과 공간 개념의 혁명아인슈타인은 서로 상충되는 것처럼 보이는 상대성의 원리와 광속불변의 원리를 이론의 뼈대인 공준(postulate)으로 내세워 특수상대성이론을 완성했습니다. 그런데 둘 중 어느 하나를 버려야 할 것 같은 딜레마를 그는 어떻게 극복했을까요? 아인슈타인은 두 원리를 융합시키기 위한 방법을 모색하느라 거의 1년 동안 고민을 거듭했습니다.1905년 봄 아인슈타인에게 해결의 실마리가 섬광처럼 떠올랐습니다. 바로 시간의 새로운 개념에 대한 통찰을 얻는 순간이었습니다. 5월 어느 날 아인슈타인은 특허국에서

우주관 오디세이-광속불변의 원리와 상대성 원리의 충돌‘빛의 속도가 관찰자의 상태에 관계없이 일정하다’는 것이 왜 19세기 말 물리학자들에게 당혹스러운 일이었을까요? 그것은 뉴턴역학의 토대인 ‘상대성 원리(principle of relativity)’를 위배한 것처럼 보였기 때문입니다. 만약 빛의 속도가 상대성 원리를 만족하지 않으면 전자기학과 뉴턴역학 둘 중 하나는 틀린 셈이니까요. 빛은 베른의 시계탑 앞에서 전차를 기다리는 아인슈타인에게나 빛을 쫓아가는 슈퍼맨에게나 꼭 같이 초속 30만km의 속도로 날아갑니다. 정지한 아인슈타인의

우주관 오디세이-슈퍼맨과 빛의 달리기 경주장(field)이라는 새로운 물리적 개념에 기반한 맥스웰의 전자기장 이론은 뉴턴역학과 충돌을 빚었습니다. 다시 말하면 기존의 뉴턴역학으로 맥스웰의 전자기학을 설명할 수 없었던 것입니다. 뉴턴역학을 우주의 보편적인 진리로 받아들였던 당시 물리학자들로서는 곤혹스럽기 그지없는 일이었습니다.뉴턴역학에 익숙한 물리학자들을 곤경에 빠뜨린 핵심은 전자기파(빛)의 속도였습니다. 빛의 속도 문제는 구체적으로 말하면 ‘빛의 속도는 일정하다’를 말합니다. ‘일정하다’는 것은 누가 보더라도, 어떤 기준계에서 보더

우주관 오디세이 - 장(field)이란 새로운 물리 개념의 등장패러데이와 맥스웰의 연구로 인해 전기와 자기가 내적으로 깊게 결합돼 있다는 사실이 밝혀졌을 뿐 아니라 장(field)이란 새로운 개념이 물리학의 전면에 등장하게 되었습니다.물리적 실재로서 장이라는 개념의 등장은 뉴턴 이후 가장 큰 혁명적 변화로 꼽힙니다. 19세기 중반까지만 해도 물리적 대상으로서의 ‘물질’은 입자와 동일한 개념으로 이해되었습니다. 물질은 고체 액체 상태로 존재하는데 이들은 모두 기본 입자들로 이뤄진 것입니다.이런 물질 관념이 형성된 데는 뉴턴의 역할이

우주관 오디세이 - 상대성이론, 시간과 공간 개념의 혁명절대온도 단위 켈빈으로 잘 알려진 윌리엄 톰슨(켈빈 경)은 19세기의 마지막 해인 1900년 미국 볼티모어에서 ‘열과 빛에 관한 역학적 이론에 드리워진 조각구름’이란 제목의 강연에서 다음과 같이 말했습니다.“물리학의 하늘은 대체로 맑다. 에테르와 흑체복사 문제 등 두 개의 조각구름이 떠 있을 뿐이다.”1)켈빈 경은 같은 해 영국 과학협회에서 “물리학에서 새롭게 발견될 것은 아무것도 없으며, 단지 측정의 정확도를 높이는 일만 남았을 뿐이다”고 공언했습니다. 심지어 양자론 창시자인