아인슈타인의 세 번째 논문

아인슈타인은 세 번째 논문  ‘운동하는 물체의 전기역학에 대해서’를 통해서 이른바 특수상대성이론을 내놓았다. 그는 우주는 우아한 법칙에 의해서 지배되고 있다고 확신했다는 것이다. 그는 우주를 전체적 으로 이해하는 방식이 우아해야 한다고 보았고, 모든 것이 서로 조화와 균형을 이루어야 한다고 생각했다. 그의 첫번째 논문은 빛이 광양자 라고 불리는 입자로 이루어져 있음을 증명한 광전효과에 관한 것이었다. 아인슈타인은 에테르의 존재를 부정하기 위한 연구에 들어갔다. 전자기파가 진공에서도 전달될 수 있음을 보여주고, 운동중인 정전기장 및 길이의 수축현상과 관련해서 아인슈타인은 공간과 시간에 대해서 전혀 새로운 이론을 확립하게 된다. 폰 몰트케 백작은 뛰어난 군사 전략가로 프로이센의 육군 참모총장을 역임하고,  독일제국 의회 의원이 되었다. 그에 따르면 프로이센군이 강력한 군대가 되기 위한 것중 하나는 기차를 이용해서 빠르게 결집할 수 있는 능력이었다. 철도가 프로이센 거의 곳곳이에 뻗어있기는 했지만 역마다 걸려있는 시계가 가리키는 시각이 제각각이었기 때문이다. 폰 몰트케는 프로이센의 역들에 걸린 모든 시계들은 같은 시각으로 맞추는 일이 프로이센왕국의 통일성을 세상에 보여줄 수 있는 좋은 방법이라고 생각했다.  그 문제에 대해 많은 학자,  기술자들이 관심을 보였다. 아인슈타인이 근무하는 베른 특허청도 신청하였다.

 

아인슈타인은 세번째 논문을 쓰면서 기차의 도착 시간이라는 문제와 관련된 세가지 질문을 제시했다. 첫 번째 동시성에 관한 것이었다. 만약 내가 기차역에 7시에 도착한다고 말하면 이 말의 의미는 무엇일까? 아인슈타인이 내놓은 답은 다음과 같다.   ‘ 내가 기차가 여기에 7시에 도착한다고 말한다면,  이 말은 내 시계의 작은바늘이 정확히 7을 가리키는 사건과 가차가 도착하는 사건이 동시적 사건임을 의미한다’ 아인슈타인은 두 사건이 같은 순간에 동시에 일어나면 동시적 사건이 된다고 보았다. 달리 말해서 공존성이 존재하면서 동시성이 존재하는 것이다. 아인슈타인은 두 번째 질문을 했다.  ‘내가 만약 가만히 앉아서 기차는 7시에 도착한다고 말하면, 이 말이 의미하는 것은 무엇일까?  내 시계의 작은 바늘이 7을 가리키는 사건과 기차가 도착하는 사건 사이에 공존성은 물론 이야기 할 수 없다. 그렇다면 동시성은 어떨까? 우리는 두 사건의 동시성을 어떻게 확신할 수 있을까? 내가 만약 달리는 기차안에 앉아서 기차는 역에 7시에 도착한다고 말한다면, 이 말의 의미는 무엇일까? 두번째 질문이 서로 떨어진 공간에서 발생한 두사건 사이에 동시성을 논할 수 있는지 묻고 있다면, 세 번째 질문은 서로를 기준으로 움직이고 있는 두 사건 사이의 동시성에 대해서 묻는 것이다. 아인슈타인은 두가지 가정을 내세웠다. 첫째 에테르 개념 자체를 버리는 것이다. 그는 전자기학에서도 특별한 좌표계를 두지 않아도 된다는 것을 보여주고 싶었다.  두 번째는 전자기파의 전파속도는 언제나 일정하다는 가정이었는데, 이 가정은 맥스웰의 방정식에서 직접 끌어낼 수 있는 결론이기도 했다. 그렇다면 일정하다면 '무엇을 기준으로 일정한 것인가?'라는 질문이 나올 수 있을 것이다. 아인슈타인은 빛의 속도가 다른 어떤 전자기파와도 마찬가지로 어느 좌표계에서나 항상 일정하다는 가정을 내놓았다.

 

스위치에는 전선 두 개가 각각 여러분의 오른쪽과 왼쪽을 향하도록 연결되어 있다. 두 전선은 같은 재료로 만들어져 있으며 길이도 동일하다. 스위칠르 누르면 두전구는 동시에 불이 켜질 것이다. 전선의 길이가 아주 길어서 멀리 떨어져 있더라도 각각의 전구가 내는 빛이 여러분에게 도달하는 시간은 정확히 일치할 것이다. 여러분이 한 가운데 있기 때문이다. 두 전구의 불이 켜지는 사건에는 동시성이 존재한다. 위에서 말한 빛의 속도가 유한하고 성질이 일정할 때 벌어지는 상황이다. 빛이 무한히 빠른 속도로 전파 된다면 전구는 누구에게나 동시에 켜지는 것처럼 보이겠지만, 유한하고 일정한 속도로 전파되기 때문에 사건의 동시성은 시점의 일이 되는 것이다.  동시성이 소멸될 수 있다는 것은 인과율이라는 법칙자체가 시점에 따라 위반될 수도 있음을 암시하기 때문이다.

 

뉴턴에 따르면 시간은 연속적이면서 일정하고 공간은 절대적이면서 일정하다. 따라서 동시성은 관찰자와 관계없이 언제나 보존되어야 하는 것이다.  아인슈티인은 그 어떤 것도 절대적이지도 필수적이지도 않다는 원칙에서 출발하여 공간과 시간에 대한 새로운 이론을 블록을 하나씩 쌓아갔다.  이 이론의 첫 번째 불록만이 유일하게 절대적인 성질을 띠는데 그것은 바로 진공에서 빛의 속도는 어느 좌표계에서나 항상 일정하다는 가정이다. 그리고 아인슈타인은 빛이 작용에 관계된 모든 현상과 다양한 발견을 설명하기 위해서 '길이 수축과 시간 지연 시간축의 기울어짐'이라는 개념을 내놓았다.