「패러다임의 탄생」 13화, 뉴턴에서 아인슈타인으로: 시공간이 무너지다

 
1905년 6월, 스위스 특허청의 한 젊은 심사관이 독일의 물리학 학술지에 논문 한 편을 보냈습니다. 제목은 「운동하는 물체의 전기역학에 관하여」. 논문에는 참고문헌이 단 하나도 없었습니다. 서두에는 어떤 위기 상황에 대한 언급도 없었습니다. 마치 기존의 모든 논쟁을 완전히 무시하듯, 그 청년은 자신만의 방식으로 문제를 새로 설정하고 스스로 답을 내놓았습니다.
알베르트 아인슈타인. 그의 특수상대성이론은 그렇게 세상에 나왔습니다.
그런데 쿤의 관점에서 보면 아인슈타인의 혁명은 단순히 천재 한 명의 등장이 아닙니다. 그것은 19세기 말부터 물리학 내부에서 쌓여온 위기가 마침내 폭발한 사건이었습니다. 아인슈타인은 그 폭발의 뇌관이었지만, 화약은 이미 오래전부터 준비되어 있었습니다.

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뉴턴 패러다임의 완벽한 세계
뉴턴의 역학은 인류 지성사에서 가장 아름다운 지적 구조물 중 하나입니다. 세 개의 운동 법칙과 만유인력의 법칙만으로 행성의 궤도에서 포탄의 궤적까지, 조석 현상에서 혜성의 주기까지 설명해냈습니다. 17세기에 탄생한 이 체계는 200년이 넘도록 흔들리지 않았습니다.
뉴턴 패러다임의 핵심에는 두 가지 절대적 전제가 있었습니다. 첫째, 시간은 절대적입니다. 우주 어디서나 시간은 똑같이 흐릅니다. 지구에서 1초가 흐르는 동안 태양 근처에서도, 먼 은하에서도 똑같이 1초가 흐릅니다. 둘째, 공간도 절대적입니다. 물체가 운동하든 정지해 있든, 공간 자체는 변하지 않는 고정된 배경입니다.
이 두 전제는 너무나 당연하게 느껴져서 누구도 의심하지 않았습니다. 우리의 일상 경험과 완벽하게 부합했기 때문입니다. 아침에 일어나 밤에 잠드는 동안 시간이 다르게 흐른다고 느끼는 사람은 없었습니다.

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균열의 시작: 빛과 에테르
그런데 19세기 후반, 물리학자들은 이 절대적 시공간과 정면으로 충돌하는 현상들을 마주하기 시작했습니다.
당시 물리학계는 빛이 에테르라는 매질을 통해 전파된다고 믿었습니다. 소리가 공기를 통해 전파되듯, 빛도 전파되려면 매질이 필요하다는 논리였습니다. 에테르는 우주 공간을 가득 채운 보이지 않는 물질로 가정되었습니다.
1887년, 미국의 물리학자 앨버트 마이컬슨과 에드워드 몰리가 에테르의 존재를 실험으로 확인하려 했습니다. 지구가 에테르 속을 움직이므로, 빛의 속도는 지구의 운동 방향에 따라 조금씩 달라야 했습니다. 마치 바람을 맞으며 달리는 것과 바람을 등지고 달리는 것이 속도가 다르듯이요.
그런데 결과는 충격적이었습니다. 어느 방향으로 측정해도 빛의 속도는 완전히 동일했습니다. 에테르의 흔적은 어디에도 없었습니다. 이 마이컬슨-몰리 실험의 결과는 뉴턴 패러다임이 도저히 설명할 수 없는 변칙현상이었습니다. 물리학자들은 당혹스러워했지만 뉴턴 역학 자체를 의심하지는 않았습니다. 에테르를 어떻게든 살려보려는 임시방편 가설들이 등장했습니다.

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아인슈타인의 전환
아인슈타인이 다른 물리학자들과 달랐던 것은 그가 문제를 바라보는 방식이었습니다. 다른 물리학자들이 에테르를 어떻게 구제할까를 고민하는 동안, 아인슈타인은 전혀 다른 질문을 던졌습니다.
빛의 속도가 관찰자에 상관없이 항상 일정하다면, 그것을 그냥 받아들이면 어떨까. 그 전제에서 출발하면 어떤 결론이 나오는가.
이 단순한 질문의 전환이 모든 것을 바꾸었습니다. 빛의 속도가 절대적이라면, 절대적일 수 없는 것은 시간과 공간이었습니다. 운동하는 물체에서는 시간이 느리게 흐르고, 공간이 수축합니다. 200년 동안 누구도 의심하지 않았던 절대적 시공간이 순식간에 무너졌습니다.
쿤이 주목하는 것은 이 전환의 성격입니다. 아인슈타인이 한 것은 뉴턴 역학에 수정을 가한 것이 아니었습니다. 그는 뉴턴 역학이 서 있던 토대 자체를 바꾸었습니다. 시간과 공간에 대한 근본적인 개념이 교체된 것입니다. 이것이 단순한 이론의 개선과 패러다임 전환의 차이입니다.

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혁명의 속도는 왜 달랐는가
코페르니쿠스 혁명이 완성되는 데 144년이 걸린 반면, 아인슈타인의 혁명은 불과 10여 년 만에 물리학계에서 수용되었습니다. 왜 이렇게 달랐을까요.
몇 가지 이유가 있습니다. 첫째, 20세기 초의 물리학계는 이미 위기를 명확하게 인식하고 있었습니다. 마이컬슨-몰리 실험, 흑체복사 문제, 광전효과 등 여러 변칙현상들이 동시에 쌓여 있어서 새로운 돌파구에 대한 갈망이 컸습니다. 둘째, 과학 공동체의 소통이 훨씬 빨라졌습니다. 학술지와 국제 학회를 통해 새로운 이론이 빠르게 전파될 수 있었습니다. 셋째, 상대성이론은 수학적으로 검증 가능한 예측들을 제시했습니다. 1919년 일식 관측에서 빛이 태양 중력에 의해 휜다는 아인슈타인의 예측이 확인되었을 때, 물리학계의 수용은 급격히 빨라졌습니다.
그러나 쿤이 강조하는 것은 혁명의 속도가 아닙니다. 혁명이 일어났다는 사실, 그리고 그 혁명이 단순한 지식의 추가가 아니라 세계를 보는 방식 전체의 교체였다는 사실입니다. 뉴턴의 우주와 아인슈타인의 우주는 단순히 더 정밀한 버전이 아닙니다. 근본적으로 다른 두 세계입니다.

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우리가 사는 세계도 바뀌었다
상대성이론은 일상과 무관한 추상적 이론처럼 들립니다. 그러나 GPS 위성은 상대성이론의 시간 보정 없이는 제대로 작동하지 않습니다. 핵발전소는 질량과 에너지의 등가성을 실용화한 것입니다. 아인슈타인이 바꾼 것은 물리학 교과서만이 아니었습니다. 인류가 에너지를 이해하고 활용하는 방식 자체가 바뀌었습니다.
패러다임 전환은 학자들의 서재 안에서만 일어나는 일이 아닙니다. 그것은 결국 우리가 세계를 다루는 방식을 바꾸고, 우리가 사는 세계 자체를 변화시킵니다.
다음 화에서는 물리학이 아닌 화학의 혁명을 살펴보겠습니다. 플로지스톤 이론이 무너지고 라부아지에의 산소 이론이 등장한 화학혁명입니다. 이 혁명은 코페르니쿠스 혁명이나 아인슈타인 혁명과는 또 다른 방식으로 진행되었습니다. 그 차이 속에서 과학혁명의 보편적 구조가 더욱 선명하게 드러납니다.

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▶ 14화 예고: 화학혁명 : 플로지스톤은 어떻게 사라졌는가, 라부아지에와 연소의 새로운 세계

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