아인슈타인에게 특별했던 해

특허 사무소에서 사무원으로 일하던 알베르트 아인슈타인은 26세 때인 1905년에 네 개의 과학 논문을 발표하였는데, 그 논문들은 우주를 구성하는 가장 작은 물질에서부터 가장 거대한 은하에 이르기까지 우리가 우주를 보는 방식을 바꾸어 놓았습니다. 또한 이 논문들 중 일부는 지난 100년간 삶을 바꾸어 놓은 많은 발명품들이 탄생하는 밑바탕이 되었습니다.

노벨 물리학상 수상자인 이지도어 라비는 “현대 물리학의 중요한 기본 사상 가운데 최소한 부분적으로라도 아인슈타인에 그 기원을 두고 있지 않은 사상은 거의 없다”고 말합니다. 그러면 한 세기 전에 아인슈타인은 정확히 무엇을 발견하였습니까?

빛의 비밀을 밝히다

1905년 3월에 발표된 아인슈타인의 논문은 빛의 본질에 관해 얼마의 비밀을 밝혀 주었습니다. 이미 과학자들은 빛이 공간을 가로지를 때 연못에 파문을 일으키며 퍼지는 물결과 매우 흡사하게 움직이는 것 같다는 사실을 알고 있었습니다. 하지만 그러한 파동설로는, 흐릿한 푸른색 빛이 특정한 금속에 닿을 때는 전류가 생성되는 반면 밝은 붉은색 빛이 동일한 금속에 닿을 때는 전류가 생성되지 않는 이유를 설명할 수 없었습니다. 아인슈타인의 논문은 소위 광전 효과라고 하는 이 현상을 설명하는 데 도움이 되었습니다.

아인슈타인은 때로는 빛을 작은 에너지 입자들로 이루어져 있는 것으로 볼 수 있다는 주장을 폈는데, 그 입자들은 후에 광자라는 이름으로 불렸습니다. 광자들의 에너지 준위나 색상이 적절할 경우, 그러한 광자들은 일부 금속의 원자로부터 전자를 분리시킬 수 있습니다. (붉은색 빛의 광자는 너무 약해서 전자를 분리시키지 못한다.) 이러한 상호 작용으로 인해 물체에 전류가 흐르게 됩니다. 텔레비전 촬상관(撮像管), 태양 전지, 사진을 찍을 때 사용하는 노출계와 같은 현대 발명품들은 모두 광전 효과에 대한 아인슈타인의 설명과 관련이 있는 것들입니다.

아인슈타인은 빛에 관해 설명한 업적을 인정받아 1921년에 노벨 물리학상을 수상하였습니다. 그의 논문은 양자론이라는 새로운 과학 분야를 개척하였습니다. 한편, 양자론은 핵 과학, 전자 공학, 나노 기술 등을 포함한 여러 가지 응용과학의 토대가 되었습니다.

꽃가루가 춤을 추는 이유

1905년에 아인슈타인은 원자와 분자에도 주의를 돌렸습니다. 그는 원자와 분자가 물에 떠 있는 아주 작은 꽃가루 입자에 미치는 영향에 관하여 이론적인 설명을 제시하였습니다. 1827년에 생물학자인 로버트 브라운은 현미경으로 관찰하다가 물속에 떠  있는 꽃가루 입자들이 흔들거리는 것에 유의하였습니다. 그는 꽃가루의 춤추는 듯한 흔들거림을 브라운 운동이라고 명명했지만 그러한 현상이 일어나는 이유를 설명할 수는 없었습니다.

아인슈타인은 1905년 5월에 발표한 논문에서, 진동하는 물 분자가 어떻게 이러한 브라운 운동을 일으키는지에 관한 설명을 제시하였습니다. 그는 물 분자의 크기를 계산하였을 뿐 아니라 물 분자를 구성하는 원자의 특성들도 예측하였습니다. 다른 과학자들은 그의 예측에 근거한 연구를 통해 원자의 존재와 관련된 의혹을 불식시켰습니다. 현대 물리학은 물질이 원자로 구성되어 있다는 사상에 기초를 두고 있습니다.

시간은 상대적이다

1905년 6월에 발표된 아인슈타인의 특수 상대성 이론은, 아이작 뉴턴과 같은 과학자들이 가지고 있던 근본적인 신념—시간이 가는 속도는 우주 어디에서나 항상 일정하다는 신념—과 상충되는 것이었습니다. 지금은 아인슈타인의 이론이 널리 받아들여지고 있지만, 그 이론에 내포된 의미를 살펴보면 정말 이상하다는 생각이 들지 모릅니다.

예를 들어, 당신과 친구가 서로 시계를 동일한 시간에 완벽하게 맞춘다고 가정해 봅시다. 그런 다음 당신이 집에 머무는 동안 친구는 비행기를 타고 지구를 한 바퀴 돕니다. 친구가 여행을 마치고 돌아오면, 그의 시계는 당신의 시계보다 약간 느리게 가고 있을 것입니다. 당신의 관점에서 볼 때, 여행을 한 친구의 경우는 시간이 느리게 간 것입니다. 물론 인간의 활동 속도에서는 그러한 차이가 미미합니다. 하지만 빛의 속도에 가까워지게 되면, 시간이 상당히 느려지게 될 뿐 아니라 물체의 부피가 줄어들고 질량이 증가하게 됩니다. 아인슈타인은 자신의 이론에서 우주 어디에서나 일정한 것은 시간이 아니라 빛의 속도라고 주장하였습니다.

세계를 바꾸어 놓은 공식

1905년 9월에 아인슈타인은 또 다른 논문을 발표하였는데, 그 논문은 그의 특수 상대성 이론을 수학적으로 부연 설명한 것으로 여겨집니다. 그 논문에는, 이제 그가 이루어 놓은 업적의 대명사 격이 된 E=mc²이라는 공식이 들어 있습니다. 이 등식의 의미는 원자가 분열될 때 방출되는 에너지의 양은 그 원자의 질량 감소량에 빛의 속도의 제곱을 곱한 것과 같다는 것입니다.

아인슈타인과 같은 과학자들이 기울인 노력의 결과로 인류는 우주의 본질에 관해 많은 것을 알게 되었습니다. 그렇기는 하지만, 현재 인간의 지식 수준은 여전히 고대에 욥이 묘사한 바와 비슷합니다. 욥은 창조주께서 만드신 것들에 관해 말하면서 이렇게 겸손히 인정하였습니다. “보게나! 이것들은 그분 길의 언저리일 뿐, 그분에 대해 들린 것은 실체의 속삭임일 뿐!”—욥 26:14.

[20면 도해와 삽화]

(출판물을 참조하십시오)

빛은 파동의 성질을 지닌 동시에 입자로 움직인다. 이러한 이해로 인해 태양 에너지로 작동되는 계산기와 디지털 카메라의 광센서가 나오게 되었다

[21면 도해와 삽화]

(출판물을 참조하십시오)

브라운 운동이라고 하는 입자의 흔들거림은 원자의 존재를 증명하는 데 도움이 되었다

[21면 도해와 삽화]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

E = 에너지는

m 질량

곱하기

c² 빛의 속도의 제곱

c²은 C 곱하기 C, 다시 말해 초속 29만 9792킬로미터 곱하기 초속 29만 9792킬로미터를 말한다

C²은 어마어마하게 큰 수(약 898억 7552만 km²/s²)이기 때문에 소량의 질량도 굉장한 양의 에너지로 변환될 수 있다. 우라늄 원자는 분열할 때 신속히 두 개의 더 작은 원자가 되면서 약 0.1퍼센트의 질량을 잃게 된다. 그 미소한 질량이 변환되어 엄청난 에너지를 방출한다

방출되는 에너지

어떤 물질 1킬로그램을 완전히 에너지로 변환한다면 대략 다음과 같은 양의 에너지가 산출된다.

▪ 250억 킬로와트시

▪ 한 대의 자동차로 지구를 40만 바퀴 돌 수 있는 에너지

▪ 가장 큰 유조선으로 지구를 900바퀴 돌 수 있는 에너지

▪ 이틀 동안 미국에서 필요한 전력량

이것은 반대로도 적용된다. 단 하나의 원자라도 “만들”려면 엄청난 양의 에너지가 필요하다

[21면 삽화]

이동 속도가 빠를수록 시간은 더 느리게 간다

[21면 삽화]

위성 항법 장치(GPS)용 인공위성에 탑재되어 있는 시계는 지구에 있는 시계와 같은 속도로 가지 않는다. 이러한 상대성 효과로 인한 오차를 바로잡지 않으면 위성 항법 장치의 신호는 아무 쓸모없는 것이 될 것이다

[20면 사진 자료 제공]

아인슈타인: Photo by Topical Press Agency/Getty Images; 배경 사진: CERN photo, Geneva