아인슈타인

특수상대성 이론은 공간과 시간에 대한 보편적인 이론이고, 일반상대성 이론은 중력에 대한 이론 이다. 아인슈타인의 관점에서 중력은 가속도의 표현에 지나지 않으며, 등가원리로 말하고자 한 것도 바로 그 내용 이다. 특수상대성 이론이 특수하다고 규정된 것은 이 이론이 관성계, 다시 말해서 가속도 운동을 하지 않는 좌표계에만 국한된 것이기 때문이다. 좌표계가 가속도 운동을 하면 특수상대성 이론의 방정식은 더 이상 통하지 않는다. 기와공이 자기 무게에 몸을 맡기면 그가 속한 좌표계 안에서는 어떤 힘도 그에게 작용하지 않고,  자기 옆에서 함께 떨어지는 기왓장은 정지해 있는 것처럼 보인다. 아인슈타인은 그러한 생각에서부터 출발해서 중력을 관성계 안에서 설명하려고 했지만 유클리드공간의 한계에 부딪혔고, 그래서 비유클리드공간에서 중력을 특수상대성 이론의 틀에 부합하도록 설명하는 방법을 찾아냄으로써 특수상대성 이론을 말 그대로 일반화했다. 바로 그런 이유로 일반 상대성 이론이 일반이라는 이름을 가지게 된 것이다.

 

1913년 아인슈타인과 그로스만은 공동으로 논문 ‘ 일반상대성 이론과 중력 이론에 대한 이해’라는 제목으로 변형이 가능하고 중력을 고려하는 비유클리드 시공간을 소개하는 이론이 담겨 있었다. 방정식에서 한쪽변은 시공간이 그 안에 존재하는 질량의 밀도에 따라서 어떻게 변형될 수 있는지를 기술하고,  다른 한쪽 변은 물질이 그 시공간에서 어떻게 이동할 수 있는지를 기술하고 있기 때문이다.  이 이론에서 설명하는 대로의 중력은 더 이상 뉴턴이 설명한 대로의 힘이 아니라, 질량의 존재에 의해서 야기되는 시공간의 변형으로 해석된다.  뉴턴에게 공간과 시간은 그 안에서 벌어지는 일과는 전적으로 무관한 절대적 차원으로 존재한다. 아인슈타인은 공간과 시간이 서로 역동적으로 묶여있을뿐 아니라 (특수상대성 이론), 질량의 존재 여부에 따라 변화하는 속성을 가졌다고 보았다(일반상대성이론)  아인슈타인의 네 번째 논문에서 아인슈타인이 설명한 것은 물리학에서 가장 유명한 방정식 'E= mc제곱' 이다. 이 식에 따르면 정지해 있는 입자는 그 질량에 정비례 하는 에너지를 가진다. 여기서 c는 진공 에서 빛의 속도를 초당 미터 단위로 나타낸 상수(초속 3억미터)이며, 이 상수가 제곱이 됨에 따라 입자는 질량이 작아도 엄청난 에너지를 가지게 된다. 약간의 질량만으로 많은 양의 복사 에너지, 다시 말해 어마어마한 열과 빛을 낼 수 있음을 의미한다. 원자폭탄이 그 같은 원리에 의해서 만들어졌다.  아인슈타인은 에너지를 내는 입자는 질량을 잃게 된다는 점을 지적했다.  이것은 에너지 보존법칙에도 부합하는 내용이다.  아인슈타인은 질량 에너지 등가원리를 통해서 그 현상을 완벽하게 기술했다. 이 장에서 특히 중요한 것은 중력이 시공간에 존재하는 물체의 질량보다는 물체의 에너지에 더 영향을 받는다는 것이다.  빛은 질량이 0이고 언제나 빛의 속도로 이동하는 광자로 이루어져 있지만 질량을 가진 물체의 존재에 영향을 받는다. 빛은 질량이 전혀 없음에도 중력의 힘에 의해서 휘어질 수 있다는 것이다.