아인슈타인의 상대성 원리는 모든 사람이 빛의 속도를 동일하게 측정하려면 시간과 공간에 반드시 일어나야 하는 일을 예측하는 도구입니다. 아인슈타인에게 '모든 사람'이란 서로에 대해 똑같은 속력으로 움직이는 사람들을 말합니다. 여기서 조금만 더 생각해보면 그런 상황은 매우 특별한 상황임을 알 수 있습니다. 일정하게 속력을 유지할 수 있는 물체는 거의 없기 때문입니다. 도로를 달리는 자동차는 교통 신호에 걸리면 속도를 줄여야 합니다. 주황색과 흰색 연기 기둥을 뿜으며 솟구치는 로켓은 시속 2만 9000킬로미터를 유지하며 지구 주위를 돌 때까지 점점 더 속도를 올려야 합니다.
결국 아인슈타인이 1905년에 규정한 세계는 서로에 대해 동일한 속도로 움직이는 특별하고 이례적인 관찰자만이 볼 수 있는 세상처럼 느껴집니다. 아인슈타인이 두 번째 마술을 부리려면 서로에 대해 시간에 따라 속력이 변하는 운동, 즉 가속 운동을 하는 전형적이고 일반적인 관찰자가 볼 수 있는 세계를 규정할 필요가 있었습니다. 그러니까 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 일반 상대성 이론으로 바꿀 필요가 있었습니다. 특수성을 일반성으로 교체하는 과정은 10년 동안 아인슈타인의 머리를 괴롭혔던 굉장한 과업이지만, 일단 해낸 뒤에는 아인슈타인을 뉴턴 이후에 가장 위대한 물리학자로 만들었습니다.
우리가 인식하지 못하는 중력
17세기에 이탈리아 과학자 갈릴레오 갈릴레이가 피사의 사탑에 올라가 무거운 묾체와 가벼운 물체를 같은 시각에 떨어뜨려서 두 물체가 동시에 떨어지는 모습을 관찰했다는 일화가 전해집니다. 물체 낙하 실험은 이후에도 여러 과학자들이 더 정밀한 조건을 만들어 실험했고, 1971년에는 실험에 복잡하게 영향을 주는 공기 저항을 최소로 줄이기 위해 달에서 실험이 계속 됐습니다. 아폴로 15호의 선장인 데이브 스콧(Dave Scott)이 망치와 깃털을 동시에 떨어뜨리자 달의 흙먼지가 동시에 솟아올렸습니다. 두 물체가 동시에 바닥에 닿은 것입니다.
아인슈타인의 천재성은 중력과 가속도가 전혀 다르지 않다는 것을 알아냈다는 것입니다. 우주선의 창문이 까맣게 되고 우주선의 진동을 감지할 수 없는 상태라면, 우주인은 지구의 까만 방에 있을 때와 정확히 같은 경험을 할 것입니다. 아인슈타인은 중력이 바로 가속도라는 사실을 깨달았습니다.
신기하게도 우리는 가속하지만 그 사실을 눈치채지 못합니다. 그리고 우리가 가속하고 있다는 사실을 눈치채지 못하기 때문에 우리는 우리가 경험하는 현상을 설명하기 위해 한 가지 힘을 만들어 냈는데, 그것은 바로 중력입니다.
우주선 이야기에서처럼 중력이 곧 가속도임을 분명히 나타나는 관점이 있다는 사실이 알려졌습니다. 다만 이 관점을 이해하려면 먼저 배경 지식을 조금 알아야 합니다.
젊음을 유지하는 방법
중력은 시간을 늦춥니다. 한 건물에서 맨 아래층에서 일하는 사람과 맨 윗층에서 일하는 사람이 있다고 가정해봅시다. 맨 아래층의 사람은 지구의 질량에 더 가까이 있기 때문에 중력의 작용을 조금이나마 더 강하게 경험합니다. 따라서 시간도 조금 더 느리게 갑니다. 만약 여러분이 오래 살고 싶다면 단층집에서 살면 되는 겁니다.
시간이 느리게 가는 것, 즉 시간 지연 효과는 상당히 작기 때문에 시간 지연 효과를 확인하려면 극도로 정확한 원자 시계가 있어야 합니다. 그런데 믿기 어렵게도 2010년에 미국표준기술연구소의 물리학자들은 계단에서 단 한 계단이라도 아래에 서 있는 사람의 시간이 조금이지만 그래도 천천히 흐른다는 걸 밝혀냈습니다.
중력이 강하면 시간 지연 현상은 조금 더 분명히 나타납니다. 블랙홀은 지금까지 알려진 어떤 물체보다도 중력이 강합니다. 만약 여러분이 블랙홀의 가장자리, 즉 사건 지평선 주위를 맴돌 수 있다면 여러분에겐 시간이 정말 천천히 흐를 것이고 이론상 여러분은 영화를 빨리 감기 한 것처럼 우주의 전 미래가 눈앞을 스쳐 지나가는 것을 볼 수 있습니다.
왜곡시키는 힘
빛은 우주에서 가장 빠르지만, 우주선을 가로질러 가는 동안 분명히 시간이 흐른다는 것을 알 수 있습니다. 비행하는 동안 우주선의 바닥은 위로 움직이는 가속 운동을 합니다. 그것은 우주인이 보는 레이저빔이 아래쪽으로 휘는 이유입니다.
실제로 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 떠올리기도 전에 중력은 빛의 경로를 휘게 한다고 알았습니다. 그 이유는 특수 상대성 이론은 모든 에너지는 그에 상응하는 질량을 가지므로 중력의 영향을 받는다고 예측하기 때문입니다. 빛의 입자인 광자에는 에너지가 있습니다. 에너지는 유효 질량을 가지므로 결국 빛은 중력 때문에 휘어지게 됩니다.