상대성 이론

Science

• 아인슈타인 이후: 중력의 다음 이론을 찾아서 아인슈타인의 중력 이론과 양자 물리학은 왜 가장 작은 규모까지 둘 다 옳을 수는 없을까요? 둘이 충돌하는 지점, 둘을 하나로 묶을 수도 있는 경쟁하는 아이디어들(끈과 고리부터 얽힘으로 엮어 낸 공간까지), 블랙홀이 정보를 파괴하는지, 그리고 은하 규모에서 아인슈타인에게 던져진 도전을 탐구해요. 대부분은 아직 열린 문제예요. 그래서 아직 아무도 갖지 못한 답을 건네받는 대신, 이미 일부 아이디어를 배제한 실험까지 포함해 증거에 비추어 후보들을 직접 저울질해 봐요.
• 공간과 시간을 휘게 하는 중력: 일반 상대성 이론 저 위에서도 중력이 지상과 거의 비슷하게 강한데, 우주 비행사는 왜 둥둥 떠다닐까요? 떨어지는 엘리베이터에서 휘어진 시공간으로서의 중력까지 아인슈타인을 따라가 보세요. 그곳에서 사과가 떨어지는 주된 이유는 땅에 가까울수록 시간이 더 느리게 흐르기 때문이에요. 이어서 이 생각이 어떻게 검증되어 왔는지 살펴봐요. 1919년 일식 때 휘어진 별빛, GPS가 제대로 작동하도록 해 주는 시계 보정, 시공간의 잔물결, 그리고 우리 은하 중심의 블랙홀 곁을 빠르게 스쳐 지나가는 별까지요.
• 가까이서 본 시공간: 상대성 이론 뒤에 숨은 기하학 방향을 돌릴 때의 충격 때문이 아니라면, 우주 여행을 한 그녀는 왜 쌍둥이보다 더 젊은 채로 돌아올까요? 모눈종이에 공간과 시간을 그려 보면, 기울어진 '지금'들과 모든 관찰자가 동의하는 단 하나의 시계 눈금과 함께 답이 그림에서 저절로 드러나요. 간단한 산수보다 어려운 건 필요 없어요. 이어서 떨어지는 것이 아니라 조석이 휘어진 시공간의 진짜 표지인 이유를 알아보고, 아인슈타인 방정식을 쉬운 말로 풀어 보고, 블랙홀이 전혀 없는 지평선들을 만나 봐요. 가속하는 로켓 뒤에 생기는 지평선부터 물이 흐르는 수조 속 소리의 지평선까지요.
• 늘어나는 시간: 특수 상대성 이론과 E = mc² 우주 정거장에서 돌아온 우주 비행사는 왜 지상에 있던 모든 사람보다 몇천 분의 1초 더 젊을까요? 빛은 누구에게나 같은 속도로 지나간다는 놀라운 사실 하나에서 출발해, 움직이는 시계가 느리게 가는 이유, 움직이는 물체가 줄어드는 이유, 어떤 것도 빛의 속도까지 밀어 올릴 수 없는 이유, 그리고 E = mc²가 햇빛과 원자력, 내 몸의 무게에 대해 무엇을 말하는지 알아봐요. 그런 다음 전혀 예상하지 못한 곳에서 상대성 이론을 찾아보세요. 자석이 끌어당기는 힘과 금의 색깔 속에서요.
• 시간 여행, 시간의 화살, 그리고 아인슈타인의 한계 누군가 언젠가 과거를 방문할 수 있을까요? 아인슈타인의 방정식은 종이 위에서는 시간 고리를 허용해요. 그러니 할아버지 역설과 웜홀, 그리고 제안된 해결책들을 따져 보고, 거의 모든 물리 법칙이 거꾸로도 똑같이 잘 성립하는데 왜 시간은 앞으로만 흐르는지 질문하고, 이론 자체가 한계에 부딪히는 지점을 찾아보세요. 그중 많은 부분은 오늘날에도 여전히 논쟁 중이에요. 그 과정에서 공간과 시간을 새로 세운 특허청 직원과, 그가 스스로 의심했던 자기 이론의 세 가지 예측도 만나 봐요.