학문 ≫ 과학 ≫ 과학자

과학자 : 아인슈타인

아인슈타인
- 특수 상대성 & 일반 상대성

1905년 한 해 동안 우리의 우주관을 영원히 바꾸어놓을 세 가지 연구가 발표되었다. 눈에 띄지 않는 젊은 특허국 직원인 알베르트 아인슈타인이라는 한 사람이 그 모두를 이루어냈다.

혁신적 이론 ➀: 특수상대설
빛은 우리가 우주에서 진실로 의지할 수 있는 유일한 것이며, 절대적으로 일정한 속도로 움직이는 유일한 것이다. 그런 엄격한 빛을 수용하기 위해서 결과적으로 공간과 시간은 자발적으로 적응성이 있고 구부릴 수 있고 섞일 수 있고 타협할 수 있는 성질이 된다.

혁신적 이론 ➁: 빛의 광자
광에너지는 물질과 작용하면 마치 눈에 보이지 않는 작은 덩어리나 입자(‘광자’라고 한다.)처럼 행동한다. 독일의 물리학자 막스 플랑크가 수학적 편의를 위하여 일정한, 즉 ‘양자화된’ 에너지를 도입한 것에 잇라서 아인슈타인은 이 논문으로 아원자 물질의 양자 이론에 시동을 걸었다.

혁신적 이론 ➂: 브라운 운동
아인슈타인이 1905년에 이루어낸 이론적 혁신 세 가지는 대중적 인식 면에서 각각 다르게 퍼져 나갔다. 거의 모든 사람이 혁신적 이론 ➀(특수상대성)에 대해 들었고, 혁신적 이론 ➁(양자역학과 광자)에 대해서는 아주 많은 사람이 무언가를 알고 있지만, 혁신적 이론➂에 대해서는 아는 사람이 별로 없다.
과학의 입장에서 말하자면, 이것은 불공평한 대접이다. ‘내가 좋아하는 아인슈타인이 당신의 아인슈타인보다 더 좋다.’라는 식의 소용없는 논쟁에 빠지지 않고, 오늘날 아인슈타인의 브라운 운동 연구가 최소한 그의 상대성 이론이나 양자역학 논문들만큼이나 중요하다는 것이 밝혀졌다고만 해도 충분하다. 아인슈타인의 ‘기적의 해’이후로 브라운 운동의 이론을 다루는 그의 논문들은 다른 연구자들의 연구에서 가장 많이 인용되었다.
그렇다면 왜 아인슈타인은 브라운 운동이 아니라 상대성으로 더 유명할까? 아마도 아인슈타인의 브라운 운동 이론이 나타내는 혁신의 중요성이 분명해지려면 시간이 좀 더 많이 필요했기 때문일 것이다. 그것은 우주 크기의 혁신이 아니며, 아원자 입자 크기의 혁신도 아니다. 그것은 중간세계의 혁신이다.
1827년에 브라운이 한 관찰이 중간세계를 들여다본 최초의 주의깊은 체계적 실험이었던 것처럼, 아인슈타인의 업적은 중간세계에 관한 최초의 이론이었다.

보이는 분자들

아인슈타인은 한없는 호기심을 지닌 젊은이에게는 행운이 시대에 태어났다. 그는 본질을 완전히 재검토할 때가 무르익은 세계에서 성장했다. 1905년이 될 때까지 아인슈타인은 여가 시간에 실체에서 무엇이 잘못되었는가를 해결하려는 연구를 수행했다.
그가 알던 것처럼 과학적 이론이 작동하려면 빛, 중력, 물질, 이 세 가지의 기본적인 것이 필요했다. 빛과 중력은 물질과 상호작용하는 방법으로 정의되었다. 그것들은 힘이었으며 물질이 할 수 있는 것을 조종했다. 특수 상대성과 광자에 대한 아이디어를 가지고 아인슈타인은 빛을 생각하는 새로운 방법을 발견했다. 물론 중력은 기다려야 했다. 물질이 남아 있었다. 아인슈타인은 브라운 운동 이론을 가지고 물질의 본질을 증명하는 방법을 보여주었다.
브라운 운동에 대한 아인슈타인의 분석의 중심에는 통계학이 있었다. 실제로 아인슈타인은 볼츠만의 통계학 연구 중 많은 부분을 재창조했다. 그것이 바로 아인슈타인이 한 일이다. 자신만의 것을 가지기 위해서 그는 왜 다른 사람의 아이디어를 이용했을까? 통계학은 1905년의 도약에 이르는 아인슈타인의 모든 생각의 기본 연결 고리였다. 광자 이론도 빛과 물질의 상호작용을 해석하고자 통계학에 의존했다.
아인슈타인의 브라운 운동에 대한 통찰력은 이렇다. ‘물질의 통계학적 원자론을 실제로 증명하려는 것이 직접 통계학을 관찰하는 방법이다.’ 비록 옳은 답을 주더라도 계산만으로는 충분하지 않았다. 그런 답은 끈질긴 철학자들을 만족시키지 못했는데, 그들은 얼마나 많은 종류의 계산 방법이 같은 대답을 내놓을 수 있는지 알고 있었기 때문이다. 당신에게 필요한 것은 수가 실제로 만들어지는 방법을 보는 것이었다.
그래서 아인슈타인은 빠르게 움직여서 눈에 보이지 않는 원자와 분자의 통계학을 현미경 아래에서 눈에 보이는 세계, 즉 중간세계로 끌어올릴 방법을 찾아냈다.
우리는 아인슈타인이 과이의 논문을 1905년 이전에 읽었는지 알 수 없다. 심지어 브라운의 논문을 읽었는지도 알 수 없다. 그는 구체적인 수학을 추가하여 과이의 아이디어를 넘어섰다. 수식은 실험으로 시험할 수 있는 값을 예측할 수 있게 해주었다.
그러나 아인슈타인이 질문했던 것처럼, 우리는 액체에서 분자의 운동을 나타낼 수 있을까? 액체는 너무나 혼잡스러워서 어떤 분자도 직선으로 운동할 수 없다. 그것은 계속해서 이웃들과 충돌하고 다른 방향들로 되튈 것이다. 따라서 아인슈타인이 그랬던 것처럼, 분자의 경로가 마구잡이로 변하는 양이라고 가정해보자. 충분한 시간 간격 동안에 분자는 너무나 많은 충돌을 겪어서 어떤 시간 간격의 시작부터 다음 시작까지 분자의 속도와 방향은 ‘마구잡이’가 될 것이다.
어떤 한 순간에 분자의 속도와 방향이 주어지더라도 너무나 많은 충돌의 마구잡이 효과가 있기 때문에, 그 분자가 다음 순간에 어느 쪽으로 갈지 결정하려면 차라리 주사위를 굴려보는 것이 나을 것이다. 분자는 마구잡이 효과에 의해서 추진되는 이리저리 뛰는 ‘마구걷기’를 할 것이다.
아인슈타인은 이 분자의 마구 걷기 운동을 수학적으로 구성했다. 그리고 더 진행했다.
아인슈타인이 제안한 대로 액체 분자보다 훨씬 더 큰, 커다란 입자를 하나 생각해보자. 그것을 액체 속에 넣으면 액체 분자들이 마구잡이로 움직이는 바다에 잠겨 있는 것과 같을 것이다. 큰 입자는 어떻게 움직일까?
아인슈타인은 그 입자의 운동이 에너지에 달렸다고 지적했다. 그는 클라우지우스로 거슬러 올라가는 운동으로부터, 물체의 평균 에너지는 그 온도에 의해서 주어진다는 것을 알고 있었다. 온도를 알면 에너지를 알 수 있다. 에너지를 알면 운동을 나타낼 수 있다.
그렇다면 입자의 온도는 얼마일까? 아인슈타인은 그것이 액체의 모든 분자들과 같아야 한다는 것을 깨달았다. 그렇지 않으면 입자는 온도가 같아질 때까지 에너지(주로 열)을 얻거나 잃을 것이다.
큰 입자가 액체의 온도가 같다면 평균 에너지는 모든 분자의 평균에너지와 같아야 한다.
그러므로 이것은 큰 입자가 분자처럼 행동한다는 것을 내포한다. 그것은 분자처럼 행동하여 마구잡이로 뛰면서 계속 충돌하는 액체 분자들의 바다 주위를 헤치며 나아갈 것이다. ‘보이지 않는 분자의 바다에 잠긴 큰 입자는, 분자 자체와 정확하게 같은 행동을 할 것이다!’ 그 커다란 ‘분자’는 현미경으로 볼 수 있다.
그것은 눈에 보이는 분자의 실체였다.
아인슈타인의 이론은 액체가 눈에 보이지 않는 분자의 바다로 구성되었다면 그것에 잠겨 있는 눈에 보이는 커다란 입자는 마구 걷기(브라운 운동)를 해야만 한다는 것을 보여주었다. 그 주장을 뒤돌아보면 물질의 원자적 본질에 대한 실험적 증거를 가지게 된다. 브라운 운동의 관찰은 액체 물질이 실제로 수십억 개의 작은 입자로 만들어졌다는 것을 내포했다. 눈에 보이지 않는 원자에 대한 직접적 증거가 절대 발견되지 않을 것이라고 말했던 볼츠만의 비방자들은 틀렸다. 중간세계 꽃가루의 춤인 브라운 운동이 바로 그 증거였다.
그것은 고전적인 아인슈타인의 ‘사고실험’이었다. 그 실험은 우리가 물질이 무엇으로 만들어졌는지를 어떻게 발견할 것인가 하는 의문의 근본으로 바로 나아갔다. 아인슈타인은 항상 실험가보다는 이론 물리학자로서 존경을 받았다. 그는 많은 실험을 하지 않았지만, 사물을 관찰하고 측정할 수 있는 실험 세계에서 많은 사고를 했다.
그러나 아인슈타인이 단독으로 명성을 얻어서는 안 될 것이다. 그가 브라운 운동의 이론을 찾아낸 유일한 사람은 아니었다.