1장
아인슈타인은 공간의 절대성을 시인하였다.
아인슈타인은 공간(space)을 상대적인 것으로 알았다가 나중에 절대적인 것이라고 번복하였다
아인슈타인은 특수 상대성이론(1905) 과 일반 상대성이론 (1915)을 완성한 후에도 한동안 공간을 상대적인 것으로 믿었다. 그러나 그는 1920년 라이덴 대학교(Leiden University, 독일)에서 행한 “에테르와 상대론(Ether and Relativity)”이란 제목의 연설에서 다음과 같이 말하였다.
“일반상대론의 입장에서 볼 때 공간은 물리적 특성을 지니고 있다고 보지 않으면 안된다. 즉 에테르(ether)는 존재한다고 봐야 한다. 에테르 없는 공간은 생각할 수 없다 (According to the general theory of relativity, space is endowed with physical qualities: in this sense, there exists an ether. Space without ether is unthinkable.” (출처: Einstein, his Life and Universe, by Walter Isaacson, Simon & Schuster Paperbacks, 2007, p. 318).
아인슈타인이 시인한 “에테르(ether)”는 19세기~20세기 초의 물리학자들 간에 논란이 되었던 “물질적 에테르”를 말하는 것이 아니고 “공간(space)이 가지는 물리적 성질의 절대성”을 의미하는 것이다. 공간이 물리적으로 절대적 성질을 가졌다는 말은, “공간은 물리적 힘이나 기타 어떤 방법으로도 이를 축소, 확대, 변형 , 이동할 수 없다” 는 뜻이다.
상대성 이론이 나오기 이전 19세기-20세기초의 과학자들은 공간은 에테르라는 물질로 가득 차 있고 이런 공간은 절대적으로 정지해 있는 절대 기준계라고 보았다. 그리고 이런 에테르 속에서 빛은 일정한 속도로 전파된다고 생각했었다.
“물질적” 에테르가 없어도 공간은 위에서 말한 절대적 성질- 공간은 어떤 방법으로도 이를 축소, 확대, 변형, 이동할 수 없다- 을 가졌다고 볼 수 있다. 아인슈타인이 1920년 연설에서 언급한 에테르는 이런 공간의 절대적 성질을 뜻하는 것이다 (참고: Einstein, his Life and Universe, by Walter Isaacson, Simon & Schuster Paperbacks, 2007, p. 318).
공간의 절대성을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
우리는 풍선의 크기를 늘이고 줄일 수는 있지만 이것은 공간(space) 자체를 늘이거나 줄이는 것이 아니고 풍선에 든 기체의 부피를 늘이거나 줄여서 공간을 차지하는 풍선의 체적이 커졌다 줄었다 하는 것 뿐이다. 폭탄이 터지는 현상은 화약이 개스로 변하면서 개스의 부피의 급팽창으로 개스와 파편이 공간에서 확산되는 현상이지 공간 자체가 확대되는 것이 아니다.
상대론자들이 설명하는 빅뱅 이론(the theory of the Big Bang)에 의하면 원래 존재하지 않았던 시간과 공간이 대폭발 (빅뱅)로 인해 갑자기생겨났고 우주 공간은 아직까지도 계속 확장되고 있다는 것이다. 이런 설명은 아인슈타인 자신이 시인한 공간의 절대성에 반하는 것이다. 빙뱅이론은 하나의 추측이지 확증된 진리나 사실이 아니다. 과학자들은 시간과 공간과 우주가 언제 어떻게 생겨났는지 다 알지 못해도 큰 잘못이 되지 않는다. 그러나 잘 알지 못하는 것을 다 아는 것 처럼 말하는 것은 잘못이다.
아인슈타인이 공간의 절대성을 인정하게 된 이유는 풍선 실험에서 유추한 것이 아니고 그가 일반 상대론을 만들 때에 사용한 원반(圓盤, disk) 회전 실험 (사고실험)에서 유추한 것이다 (출처: Einstein, his Life and Universe, by Walter Isaacson, Simon & Schuster Paperbacks, 2007, p. 318) (참고: Relativity, the Special and the General Theory, by Albert Einstein, Crown Publ., 1916, rev. 1961, pp. 88-91).
사고실험(思考實驗, thought experiment)이란 실제로 실험 도구를 사용해서 하는 실험이 아니고 머리속으로 생각하는 실험을 말한다.
아인슈타인은, 공간이 상대적일 경우에는 원반(disk)의 회전 운동에서 생겨나는 원심력 —아인슈타인은 이 원심력을 중력과 동일시 하였다—을 설명할 수 없다는 것을 뒤늦게 발견했던 것이다. 원반 회전실험의 내용을 간략히 설명하면 다음과 같다.
만약에 공간(space)이 상대적인 것이라면 원반이 회전하는 경우와 회전하지 않는 경우에 피차 아무런 물리적 차이점이 있을 수 없다. 그러나 원심력 (=일종의 관성력)은 원반이 회전할 때에만 생기고 회전하지 않을 때에는 원심력은 생겨나지 않는다. 그리고 원심력의 크기는 원반의 회전 속도에 비례한다. 즉 원반이 회전할 때와 회전하지 않을 때에 물리적 차이점이 현저히 존재한다.
따라서 공간을 상대적인 것으로 보는 것은 모순이라는 것이 분명해 진다. 아인슈타인은 이러한 사실을 깨닫고 공간의 절대성를 인정할 수 밖에 없었던 것이다.
다른 과학자들이 공간의 절대성을 주장했다면 상대론을 믿는 사람들은 이를 인정하지 않을 것이다. 그러나 다행이, 또는 불행히(상대론을 믿는 사람들의 입장에서는) 아인슈타인이 공간의 상대성을 포기하고 절대성을 인정한 것은 상대론의 근본을 허무는 매우 중대한 사건이었다. 그러나 이러한 중대한 반전(反轉)이 무슨 의미를 뜻하는 것인지는 아인슈타인 본인도 깨닫지 못했고 다른 과학자들도 오늘날까지 이를 모르고 있다.
아인슈타인이 뒤늦게 공간의 상대성을 포기한 것은 시공 연속체(space-time continuum)로 설명되는 4차원의 개념을 포기하는 것이다. 공간이 절대적인 것이 되면 시간 혼자서 시공 연속체를 유지할 수는 없다. 따라서 시간도 절대적인 것이 된다. 이하에 이어지는 장에서 공간과 시간의 절대성은 거듭 확인될 것이다.
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