1.그녀의 마음을 얻기 위해서는 시간이 필요하다.



지하철을 타고 가다가 전지현급 외모의 이상형을 만났습니다. 가슴이 콩닥콩닥 얼굴은 빨개지고 정신을 차릴 수가 없습니다.
그런데 갑자기 여자가 다가와 말합니다.
“나한테 반했군요.. 보는 눈은 있네요..좋아요..우리 사귀어요..”
“!!!!”

당연히 이런 일은 절대 없습니다.
첫눈에 반한 이성의 마음을 얻기 위해서는 일단 다가가서 말을 걸어야지요..

“저기...초면에 실례지만..첫눈에 반했어요..연락처 좀 얻을 수 있을까요..”
“싫은데요....”

어떤 경우든 안 생기는 건 마찬가지지만 첫눈에 반했다고 해서 이성이 그 사실을 즉각적으로 알 수 있을 리는 절대 없습니다.
즉 자신에게 일어난 일이 다른 곳에 영향을 주기 위해서는 시간이 걸립니다. 누구나 알고 있는 사실입니다.

이러한 것을 물리용어로 국소성의 원리(principle of locality)라고 합니다.
국소성이라는 용어는 잘 들어보지 못한 단어이지만 그 내용은 초등학생도 다 알고 있는 지극히 당연한 사실이지요..
맘에 안 드는 녀석을 한 대 치려면 일단 다가가서 주먹을 뻗어야합니다.

지구에서 핵전쟁으로 인류가 멸망하건, 갑자기 원인모를 블랙홀이 생겨서 태양계를 삼켜버리건 간에 이 사실이 안드로메다은하까지 퍼져나가는 데는 200만년이 걸립니다.
지구에서 벌어진 일이 안드로메다에 즉시 영향을 준다고 말한다면 다들 미쳤다고 하겠지요..




*우리 은하계와 200만 광년 떨어진 안드로메다은하*




2. 무한히 빠른 중력?



F = -GMm/R²

갑자기 수식이 등장해서 당황하신 분들도 일부 있겠지만... 다들 잘 알고 있는 뉴턴의 중력법칙입니다.
“질량을 가진 두 물체 사이에는 질량에 비례하고 거리제곱에 반비례하는 인력이 작용한다.” 라는 긴 문장을 짧게 줄여 쓴 것 일 뿐이지요...

여기서 한 가지 질문을 던져 볼까요?
“뉴턴의 중력법칙에서 중력이 전달되는 속도는 얼마일까요?”
고등학교에서는 배우지 않았을 겁니다. 대학교 일반물리 과정에서도 가르쳐주지 않습니다.

일단 정답부터 공개하면..... “무한히 빠르다.”가 되겠습니다.
뉴턴의 역학에서는 중력은 순간적으로 영향을 미칩니다. 태양이 갑자기 폭발하면 그 영향이 안드로메다은하 아니 우주 어디라도 즉각적으로 영향을 준다는 말입니다.

굳이 특수상대성법칙을 들먹이지 않더라도 무한히 빠른 중력이라는 것은 대단히 괴상합니다. 앞에서 언급한 국소성의 원리에도 정면으로 위배되는 것이지요..

뉴턴은 국소성의 원리를 몰랐던 것일까요? 왜 중력의 전달속도가 무한히 빠르다고 했을까요?
사실 뉴턴도 처음에는 유한한 속도로 전달되는 중력법칙을 세우려고 시도했었습니다.
그러자 당장 문제가 발생합니다.

[뉴턴역학에서 유한한 속도로 전달되는 힘은 안정된 궤도를 이루지 못합니다.]

고등학교 때 현대물리 파트를 충실히 들었다면 러더포드 원자모형에 대해 들어봤을 겁니다.
핵 주위를 전자들이 행성처럼 돌고 있는, 우리 경험에 익숙한 모형입니다.
하지만 러더포드 원자모형의 가장 큰 문제점은 이런 가속(속도가 변하는)운동을 하는 전자들이 전자기파를 방출하면서 순식간에 핵과 충돌하고 맙니다.
이러한 불안정성의 원인은 근본적으로 전자기력이 빛의 속도 라는 유한한 속도로 전파되기 때문입니다.



*러더포드의 원자모형에서 전자는 순식간에 핵과 충돌해서 붕괴한다.*



똑같은 문제가 중력에서도 발생합니다. 중력이 유한한 속도를 가진다면 태양 주위를 도는 행성들은 중력파를 방출하면서 에너지를 잃게 되고 결국 태양 속으로 빨려 들어갑니다.

뉴턴은 국소성의 원리를 위배하는 중력법칙이 대단히 불만족스러웠지만, 안정된 태양계를 설명하기 위해서 어쩔 수 없이 무한히 빠른 중력을 가정해야만 했습니다.
무한히 빠른 중력의 속도는 (중력질량이 관성질량과 정확하게 똑같다는 것과 함께) 뉴턴 이후 200년 동안 과학자들을 괴롭힌 문제였습니다.



3. 역시 아인슈타인...



1905년 아인슈타인의 특수상대성 이론은 우리 우주의 궁극의 속도를 빛의 속도로 제한합니다. 중력이라고 예외가 될 수는 없지요..
이 사실을 잘 알고 있던 아인슈타인은 특수상대론을 발표한 이후 중력 문제를 해결하는데 힘을 쏟았고 마침내 1917년 일반상대성이론이라는 환상적인 아름다운 방법으로 해결합니다.


궤도운동을 하는 행성이 중력파를 방출하지 않는 이유를 잠깐 설명하지요..(관심없는 분은 패스하세요)

전자기력의 경우를 먼저 생각해봅시다.
상대성원리는 정지한 물체와 일정한 속도로 운동(등속운동)하는 물체가 똑같은 물리법칙을 따른다는 것입니다.
따라서 정지해 있는 전자가 전자기파를 방출하지 않는다면 등속운동을 하는 전자도 마찬가지로 전자기파를 방출하지 않습니다.
전하를 띈 물체는 가속운동을 할 때만 전자기파를 방출하고 에너지를 잃습니다.

이제 중력을 살펴볼까요?
등가원리(equivalence principle)는 정지한 물체와 중력에 의해 자유낙하 하는 물체가 똑같은 물리법칙을 따른다는 것입니다.
따라서 정지해 있는 물체가 중력파를 방출하지 않는다면 자유낙하 하는 물체도 마찬가지로 중력파를 방출하지 않습니다. 전자기력의 경우와는 약간 다르지요..
태양주위를 도는 궤도운동은 본질적으로 자유낙하 운동과 동일합니다. 행성들은 모두 태양의 중력 때문에 자유낙하를 하고 있지만 행성의 고유한 속도 때문에 타원운동을 합니다.
(속도가 더 빠른 물체, 예를 들면 대부분의 혜성들은 쌍곡선 운동을 합니다.)





*자유낙하를 하는 사람은 무중력을 경험한다.*


뉴턴이 처음 제안한 중력이라는 힘은 아인슈타인에 의해 시공간의 휘어짐으로 대체되었고, 중력의 전달속도 즉 시공간의 휘어지는 속도는 빛의 속도라는 것을 명확해 졌습니다.

그리고 자연스럽게 국소성의 원리는 회복됩니다.
태양이 갑작스레 폭발하면 지구는 8분 18초 뒤에야 튕겨나가고, 안드로메다은하에 살고 있는 외계인들은 200만년 후에 알게 됩니다.

아인슈타인은 국소성의 원리를 절대적으로 믿었고 그것은 누구에게나 절대적인 진리처럼 여겼습니다.
국소성을 위배하는 유일한 존재였던 중력 문제도 해결되었으니 다들 행복해하며 물리학은 해피엔딩으로 끝나는 듯 했습니다.

그런데!!!!!!
영화에서도 그렇듯 언제나 행복한 순간에 위기는 찾아옵니다.
아인슈타인과 국소성의 원리를 괴롭히는 무시무시한 악당의 등장!!!

그 이야기는 2부에서 뵙지요...