「아인슈타인의 생각 실험실 1」 - 송은영

아인슈타인의 자취를 따라 특수상대성 이론을 향해

 과학자들은 실험을 통해 이론을 수립하고, 증명한다. 그런데 현실에서 온전히 재현하는 것이 불가능한 실험이라면 가상으로 환경을 그려내서 실험을 하기도 하는데, 이를 '사고 실험'이라고 한다. 많은 과학자들이 사고 실험을 했다. 유명한 갈릴레이의 낙하 실험도 사실 사고 실험이었고, 슈뢰딩거의 고양이도 사고 실험이었기에 고양이는 한 마리도 죽지 않았다. 지구를 한 바퀴 돌 정도로 강한 포탄은 세상에 존재하지 않기 때문에 아이작 뉴턴은 '뉴턴의 대포알'이라 불리는 사고 실험을 했고, 여기에서 중력과 운동 법칙에 대한 아이디어를 떠올릴 수 있었다. 상대성이론도 사고실험을 통해 확립된 이론의 대표적인 예시다. 아인슈타인은 거울을 들고 광속으로 이동하는 자신을 상상했다. 달리는 차 안에서도 얼굴이 비치듯이 어느 정도 속도라면 정상적으로 보이겠지만, 내 속도가 광속에 도달한다면? 내 얼굴에서 반사된 빛이 거울에서 반사되고 다시 내게 돌아와야 하는데, 거울도 광속으로 이동한다면 빛은 결코 거울에 닿지 못해 거울에 비치는 모습이 사라지는 것일까?

 아인슈타인의 상대성이론을 이해하는 것은 쉽지 않다. 당대 내로라하는 과학자들도 그랬는데 아무리 현대인이라고 해도 일반 독자에게는 어려운 것이 사실이다. 저자는 이를 이해시키기 위해 아인슈타인의 사고를 따라가는 여정에 독자를 초대한다. 모든 이론은 기존의 이론에 기반하여 탄생한다. 상대성이론도 마찬가지, 그 근간이 되는 광속 불변의 원리에는 뉴턴과 하위헌스의 빛의 입자성-파동성 논쟁부터 시작해 맥스웰의 전자기파와 에테르 가설, 이를 증명하려다 부정하는 데 성공한 마이컬슨-몰리 실험 등이 선행된다. 이 흐름을 이해하고 나서야 아인슈타인의 출발선에 닿은 것이다. 이제 광속을 절대적인 값으로 두고 아인슈타인의 사고 실험으로 다시 들어가면 왜 이것이 '상대성' 이론인지 알게 된다. 시간도, 공간도, 심지어 질량도 더 이상 절대적이지 않기 때문이다. 중요한 것은 그 결과가 아니라 어떻게 아인슈타인이 특수상대성이론에 도달할 수 있었는지, 그 과정이다. 특수상대성이론보다 더 어렵고 더 난해한 일반상대성이론은 다음 권에서 다룬다.