뉴턴의 식을 넘어선 아인슈타인의 그림
뉴턴은 질량이 힘으로 다른 질량을 끌어당긴다고 설명했고 그 식은 잘 작동했어. 하지만 왜 그런지는 추측하지 않았지. 두 세기 뒤 아인슈타인이 더 깊은 그림을 내놓았어. 질량은 시공간을 휘게 하고, 물체는 그 휘어진 시공간에서 가능한 한 가장 곧은 길을 따라 움직여. 사과가 떨어지는 것은 지구가 보이지 않는 줄로 잡아당겨서가 아니야. 지구가 주변 시공간을 휘게 했고, 사과가 그 안에서 가장 곧은 길을 따라가니 그 길이 "지구 쪽 아래"로 향하는 거야.
트램펄린 그림은 조심해서 써야 해
흔히 팽팽한 고무판 위에 무거운 공을 올려놓는 그림으로 중력을 설명해. 공이 오목한 자국을 만들고 옆을 지나던 구슬이 그 자국을 따라 휘어 들어가지. 도움이 되는 그림이지만 조금 오해를 불러. 고무판은 2차원인 반면 실제 시공간은 공간 3차원과 시간 1차원을 합친 4차원이기 때문이야. 더 깊이 들어가면 일상적인 중력에서는 시간 자체가 공간보다 더 크게 휘어 있어. 물체가 떨어질 때에는 공간보다 시간을 따라 지구 쪽으로 이끌리는 효과가 더 커. 휘어진 시공간을 지나는 세계선이 지구의 질량 쪽으로 돌아가는 거야.
대부분의 설명에서는 트램펄린 그림으로도 충분해. 다만 4차원의 실재를 2차원으로 줄여 그린 근사라는 사실을 기억해.
뉴턴은 하지 못했던 예측
1915년의 일반 상대성이론은 뉴턴의 설명이 어긋났던 여러 현상을 구체적으로 예측했어.
- 수성의 근일점 세차. 뉴턴의 예측은 한 세기에 43초각만큼 어긋났지만 아인슈타인의 예측은 정확했어. 1915년에 확인됐지.
- 태양 옆을 지나는 빛의 휘어짐. 빛은 휘어진 시공간의 측지선을 따라가므로 거대한 물체가 빛의 경로를 휘게 해. 1919년 일식 때 태양 옆에 보이는 별의 위치가 아인슈타인의 예측만큼 옮겨진 것이 확인됐어.
- 중력에 따른 시간 팽창. 앞 레슨에서 보았듯 중력이 강할수록 시간은 느리게 흘러. 서로 다른 고도에 둔 원자시계로 직접 측정했어.
- 중력파. 가속하는 거대한 물체는 시공간 자체에 물결을 만들어. 1916년에 예측됐고 99년 뒤인 2015년 LIGO가 직접 검출했어.
- 블랙홀. 작은 공간에 충분한 질량을 압축하면 휘어짐이 무한해져 빛조차 빠져나올 수 없어. 이론으로 먼저 예측됐고 M87*의 첫 영상이 2019년에 나왔어.
새 그림이 바꾸어 놓은 것
중력은 더는 빈 공간을 가로질러 신비롭게 작용하는 힘이 아니야. 기하가 됐어. John Wheeler의 표현처럼 질량은 시공간에 어떻게 휠지를 알려 주고, 시공간은 질량에 어떻게 움직일지를 알려 줘. 뉴턴에게 설명되지 않은 작동 원리였던 중력이 아인슈타인에게서는 정밀한 기하학적 묘사가 된 거야.
일상에서는 뉴턴의 중력이 충분히 정확하지만 GPS, 블랙홀, 중력파, 우주 전체를 다루려면 일반 상대성이론이 필요해. 아인슈타인은 뉴턴을 폐기한 것이 아니라 뉴턴이 통하는 경계를 밝혔어. 새 엔진이 옛 엔진의 적용 범위를 정하는 같은 모습이 여기서도 나타나.