1. 상대성 이론의 탄생, 시간과 공간의 재발견
우리는 시간을 어떻게 이해하고 있을까요? 혹시 ‘시간은 항상 같은 속도로 흐른다’고 생각하시나요? 1915년, 알베르트 아인슈타인은 우리의 상식을 뒤흔드는 ‘상대성 이론’을 발표하며 놀라운 주장을 펼쳤습니다. 그가 발견한 것은 관측자의 속도가 빨라지면 시간이 느려지고, 길이가 줄어든다는 것이었죠. 특히 빛의 속도에 가까워질수록 시간은 거의 멈추고, 빛의 속도에 도달하면 완전히 정지한다는 대담한 예측은 시간과 공간이 결코 독립적이지 않으며, 서로 깊이 연결되어 있다는 사실을 드러냈습니다. 이 연결성이 바로 우주 자체의 근본적인 구조인 ‘시공간’을 형성합니다.
2. 시공간의 직물과 중력의 새로운 해석
아인슈타인의 상대성 이론은 중력에 대한 우리의 이해마저 완전히 뒤바꿔 놓았습니다. 뉴턴이 중력을 물체들 사이의 ‘힘’이라고 설명했던 것과 달리, 아인슈타인은 중력을 물체들이 ‘시공간 자체를 휘게 만드는 현상’이라고 정의했습니다. 마치 무거운 볼링공이 팽팽한 고무 시트를 움푹 들어가게 만들듯이, 태양과 같은 거대한 질량을 가진 물체는 시공간이라는 직물을 휘게 만듭니다. 그리고 지구는 이 휘어진 시공간의 표면을 따라 자연스럽게 궤도를 그리며 움직이는 것이죠. 이 혁명적인 아이디어는 우주를 바라보는 우리의 시야를 확장했습니다.
3. 1919년 일식, 아인슈타인 이론의 극적인 증명
이 대담한 이론을 증명할 방법이 필요했고, 아인슈타인의 예측은 4년 뒤 극적인 방식으로 확인됩니다. 1919년 5월 29일, 브라질에서 예정된 일식을 활용해 왕립 천문학회는 원정대를 파견, 일식을 촬영했습니다. 아인슈타인의 이론이 옳다면, 휘어진 시공간을 통해 움직이는 것은 물체뿐만이 아니라 빛 자체도 중력에 의해 휘어져 구부러진 경로를 따라 움직여야 했습니다. 일식 중 태양 주변의 별들을 관측한 결과, 별들의 위치가 변해 있었고, 태양 중력에 의해 빛이 휘어진 정도가 아인슈타인이 예측한 값과 거의 일치했던 것입니다! 이 실험 결과는 아인슈타인을 순식간에 세계적인 스타로 만들었으며, 그의 이름은 ‘천재’의 동의어가 되었습니다.
4. 우주 상수와 아인슈타인의 ‘가장 큰 실수’… 혹은 선견지명?
아인슈타인의 새로운 중력 법칙은 단순히 물체 간의 중력에만 적용되는 것이 아니라, 우주 자체의 구조를 연구하는 데도 활용될 수 있었습니다. 하지만 그는 곧 뉴턴이 200년 전 직면했던 문제와 마주하게 됩니다. 일반 상대성 이론에 따르면 우주는 중력 때문에 팽창하거나 수축해야 하는 ‘불안정한’ 상태여야 했습니다. 당시 관측 결과와 일치하는 ‘정적인 우주’를 설명하기 위해, 아인슈타인은 자신의 방정식에 ‘우주 상수’라는 값을 추가해 수정합니다. 이 상수는 빈 공간 자체의 에너지를 나타내는데, 그는 이를 훗날 ‘자신의 가장 큰 실수’라고 불렀습니다. 그러나 현대 우주론에서 우주 상수의 개념은 ‘암흑 에너지’로 재해석되며 우주 가속 팽창을 설명하는 중요한 요소가 되었습니다. 어쩌면 아인슈타인은 처음부터 옳았을지도 모릅니다.
