짱공유

 

 

 

 

 

우리의 아침은 분주합니다. 대개 눈을 비비고 일어나 물을 한 잔 마시고 시계를 보며 '혹시 늦지는 않을까?'하는 생각을 하며 일과를 시작할 준비를 하죠.

     

 

또한, 출근(등교)길에는 많은 사람들이 나와 비슷한 차림으로 어디론가 향하고 있으며, 출근 시간대의 지하철은 늘 붐비죠.

     

 

사람마다 차이는 있겠지만, 이런 모습이 우리가 매일 겪고 있는 우리의 '일상'입니다. 그렇다면, 우리가 살고 있는 이 세상은 뭘까요? 왜 일상은 이런 식으로 돌아가야 할까요?

     

 

그냥 집에서 바로 회사로 순간이동은 왜 안되죠? 아기공룡 둘리는 왜 엄마 찾아 1억년 전으로 타임머신을 타야만 하죠?

     

 

언뜻 보면 우스갯소리로 들리지만, 태초부터 인류는 다소 순수한 시선으로 우리가 살고 있는 세상에 큰 호기심을 갖기 시작했습니다.

     

 

'나무 위의 사과는 왜 떨어질까?'
'하늘에 반짝이는 저 물체들은 뭘까?'

     

 

세상에 대한 호기심은 시간이 흐르면서 쌓여갔죠.
그래서 '물리학'이 탄생했습니다.

     

 

물리학은 시간과 공간을 이해하려는 사람들이 만든 학문입니다. 즉, 현대 물리학이 풀어야 할 난제이며 과제는 '우리 시공간의 실체를 파악'하는 것입니다.

     

 

"우리 세상은 왜 하필 지금과 같은 모습을 하고 있을까?"

     

 

이 질문에 대한 해답을 구하기 위해, 수많은 물리학자들은 벌써 500년이 넘는 시간 동안 시공간을 연구하고 있습니다. 그러나, 아직도 그 답을 구하지 못했죠.

     

 

그러나 확실한 것은, 우주는 매우 흥미롭고 아름다울 뿐만 아니라 우리의 예상과 짐작과는 전혀 다른 모습을 하고 있다는 것입니다.

     

 

그리고 약 500년 전, 이러한 이 세상의 원리를 알렸던 천재들이 있습니다. 바로 그 유명한 '아이작 뉴턴과 갈릴레오'입니다.

     

 

이들은 하늘에 떠 있는 행성과 별들의 움직임을 관측하면서 '어떤 종류의 규칙'이 있다는 것을 깨닫습니다. 또한, 그 규칙을 만든 보이지 않는 힘들이 존재한다는 것까지도 알게 되죠.

     

 

특히, 뉴턴은 이러한 세상의 규칙들을 하나의 '방정식'으로 표현했는데, 이것이 고전 물리학의 시초였죠.

     

 

고전 물리학은 우리의 상식과 꽤 잘 맞아 떨어졌습니다. 예컨대, 어떤 물체를 밀면 그 물체의 속도가 증가한다든지, 나무 위의 사과는 중력에 의해 땅으로 떨어진다는 등

     

 

뉴턴의 고전 물리학은 대개 우리 상식으로 충분히 공감이 되고 동의할 수 있었죠. 그래서 그의 고전 물리학은 약 300년이 넘는 시간 동안이나 '우리 세상을 이해하는 절대 진리'로 여겨졌죠.

     

 

그렇다면, 뉴턴의 방정식은 우리의 시공간을 얼마나 명쾌하게 설명했기에 한치의 의심도 없이 불변의 진리로 인식되었을까요? 뉴턴의 머릿속으로 들어가보겠습니다.

     

 

나무 위에 열리는 사과가 땅으로 떨어진다는 것은 누구나 알고 있는 사실입니다. 그런데, 뉴턴은 이 사과가 떨어지는 운동이 일어나는 '배경'은 무엇인지에 대해 깊이 생각하기 시작했죠.

     

 

만약, 여러분에게 사과의 운동이 펼쳐지는 배경은 무엇인지 묻는다면 뭐라 답하실 건가요?

     

 

아마도 '지구' 혹은 그냥 '공간'이라고 생각하실 것 같습니다. 그렇다면 공간은 뭔가요? 공간은 우리 눈에 보이는 물리적 실체일까요 아니면, 그저 우리가 만들어 낸 허상일까요?

     

 

뉴턴은 바로 이러한 운동이 일어나는 '공간'에 주목했고, 공간에 대한 정의를 내렸습니다.

     

 

'공간은 절대불변의 실체이며, 그 공간을 담고 있는 우주 또한 영원히 변하지 않는다'

     

 

즉, 뉴턴은 시간과 공간이 우주를 구성하고 있으며 이 세상 모든 일이 발생하고 끝나는 무대를 시공간이라고 규명했죠.

     

 

이러한 그의 시공간에 대한 정의는 당대 과학자들의 큰 호응과 동의를 얻습니다. 그의 정의는 딱히 우리의 상식과 세계관에 상충되지도 않고 오히려 아주 잘 맞았기 때문이죠.

     

 

그래서 이런 이유로 뉴턴은 몇 백 년 동안 세계 최고의 천재로 군림하는 동시에 유명해졌죠. 그리고 19세기에 전기력과 전자기력의 실체가 밝혀지면서 인류는 이런 생각을 품게 됩니다.

     

 

19세기 인류 曰
: "우주의 비밀은 곧 정복될거야. 인간의 지성은 이미 우주보다 한 수 위야"

     

 

이런 다소 건방진 생각까지 하게 되죠. 그러나 20세기가 시작될 무렵, 물리학자들은 하나의 큰 벽에 부딪칩니다.

     

 

그 벽은 바로 '빛'이었죠. 기존의 뉴턴 물리학을 이용해도 당최 빛이라는 이 녀석의 특성을 명확하게 설명할 방법이 없었기 때문입니다.

     

 

그러나 당대에 활동했던 대부분의 물리학자들은 빛의 특성에 대한 문제를 중요하지 않은 사소한 것이라고 여겼습니다. 빛의 정체도 시간이 조금만 흐르면 밝혀질 줄 알았던 거죠.

     

 

하지만, 본격적으로 빛의 특성과 비밀이 밝혀지면서 고전 물리학은 절망하게 됩니다. 빛이 시공간을 통과하는 현상은 아무리 머리를 쥐어짜도 고전 물리학으로 설명이 안되었기 때문이죠.

     

 

이러한 상황에서 아인슈타인이 등장합니다. 아인슈타인은 빛은 그 어떤 기존 물리법칙과도 확연히 다른 특성을 갖고 있다고 생각했고, 고전 물리학에 정면으로 도전장을 내밉니다.

     

 

그리고 빛의 특성에 대해 자신만의 논리를 펼치기 시작합니다. 그는 뉴턴의 개념에는 큰 오류가 있다고 생각하고 약 10년 동안 치열하게 연구했죠.

     

 

1905년, 마침내 아인슈타인은 시간과 공간에 대한 '완전히 다른 시각'을 갖는 <움직이는 물체의 전기역학에 관하여>라는 논문을 발표합니다.

     

 

이 논문이 바로 '특수 상대성 이론'이었고, 약 10년 후에 중력이란 개념을 새로 추가하여 '일반 상대성 이론'을 발표하죠.

     

 

그리고 아인슈타인은 이 2개의 이론을 통해, 고전 물리학의 대명사였던 '뉴턴의 시공간에 대한 관점'이 매우 잘못되어 있음을 지적했죠.

     

 

뉴턴은 시간과 공간을 매우 단순하게 생각했습니다. 아까 언급했듯이, 뉴턴은 시공간을 '절대 변하지 않는 무대'라고 여겼죠.

     

 

반면에 아인슈타인은 '시간이 흐르는 방법이나 공간은 절대적인 것이 아니라, 관측자가 누구냐에 따라 언제든지 바뀔 수 있다'고 주장했죠.

     

 

즉, 이 주장이 특수 상대성이론이었습니다. 그리고 10년이 지나가, 아인슈타인은 특수 상대성이론에 '중력'이란 개념을 추가시켜,

     

 

'시간과 공간은 중력에 의해 얼마든지 비틀리고 변형될 수 있다'는 일반 상대성이론을 발표하죠. 이는 말 그대로 혁명과도 같았습니다.

     

 

그리고 물리학이 발전하면서 아인슈타인의 2가지 이론이 사실로 증명되었고, 뉴턴의 고전 물리학은 이제 구시대의 유물이자 역사의 뒤안길로 사라지죠(세이 굿바이 뉴턴)

     

 

즉, 아인슈타인의 방정식이 세상에 나오면서 시공간에 대한 인류의 생각이 360도 바뀐 것입니다. 그리고 그의 방정식을 기초로 당대 물리학자들은 많은 연구를 진행했는데,

     

 

1920년대의 물리학자들은 일반 상대성이론을 우주에 적용하여 '빅뱅이론'이라는 가설을 만듭니다. 이 이론에 따르면, 우주는 아주 오래 전에 거대한 폭발로 생겨났죠.

     

 

빅뱅이론은 현재의 우주가 아닌 '빅뱅 당시의 초기 우주'의 특성과 질서를 밝히는데 모든 신경을 곤두세웠죠.

     

 

그런데 연구가 진행되면 될수록, 빅뱅이론은 또 하나의 큰 벽에 부딪치게 됩니다. 바로 빅뱅 후 몇 십분의 일 초 정도만 지난 '극 초기 우주'에 발생했던 현상을 연구하다 보니,

     

 

뉴턴 물리학은 물론이거니와, 아인슈타인의 방정식도 정확하게 들어맞지 않았던 것입니다. 아인슈타인의 방정식은 지구나 태양과 같은 '거시적인 세계'를 설명할 때는 아주 명쾌했지만,

     

 

초기(원시) 우주와 같은 매우 짧은 시간과 좁은 공간의 세계(미시 세계)를 설명해 주지 못했죠.

     

 

그래서 1930년대에 들어서면서 물리학자들은 '양자역학'이라는 새로운 물리학 이론을 창조할 수 밖에 없었습니다.

      

 

그렇다면, 양자역학은 뭘까요? 일단, 수많은 물리학부생들을 공포로 몰아 가는 장본인인 것만은 확실하죠.

     

 

'양자적'이라는 뜻은 '요동치다'라는 의미를 담고 있습니다. 양자역학에 의하면 이 세상 만물은 모두 심하게 양자적(요동치기)이기 때문에, 세계는 도저히 예측할 수 없는 곳입니다.

     

 

그런데 양자역학은 뉴턴과 아인슈타인의 기존 물리학과 정면으로 충돌합니다. 뉴턴과 아인슈타인의 이론과 같은 고전 역학의 핵심은 다음과 같습니다.

     

 

"만약 우리가 어떤 물체의 현재 운동속도와 위치를 알고 있다면, 이로부터 그 물체의 과거와 미래의 위치와 속도도 알 수 있다"

     

 

즉, 과거와 미래의 정보는 모두 현재에 담겨 있다는 것이죠. 이것이 기존 물리학의 개념이었다면, 양자역학은 완전히 반대되고 기묘한 이야기를 하고 있습니다.

     

 

"어떤 물체의 현재 상태를 아무리 정확하게 측정하더라도, 우리는 그 물체의 과거나 미래 정보를 예측할 수 없다"

     

 

이 말의 의미는, 세상 만물의 운동은 '확률적'이기 때문에 예측할 수 없다는 것이죠. 이게 도대체 무슨 말일까요?

     

 

양자역학을 비유하자면, 예를 들어 철수가 한국에서 춤을 추기 시작했다면, 그로 인해 미국에 있는 영희의 행동에 영향을 미칠 수 있다는 것입니다.

 

다시 말해, 서로 멀리 떨어져 있는 두 물체는 어떤 식으로든 '즉각적으로' 서로 영향을 미치게 된다는 겁니다.

아인슈타인은 이러한 양자역학의 기묘함을 부정하며, 양자역학을 물리학의 넌센스로 받아들였죠.

그러나 그가 죽고, 후대 과학자들은 이러한 양자적인 현상이 실제로 우리 세상에 벌어지고 있다는 것을 확인했습니다.

즉, 우주론을 연구하는데 양자역학을 이용하는 것이 맞다는 것이 증명된 셈이죠.

 

출처.피키캐스트