일반 상대 성 이론 100 + 4 년 – 제 6 회 . 일반 상대 성 이론 의 수용 , 오해 , 해석 – 녹색 아카데미 
 자연 사랑 2019 년 9 월 17 일 4 
 새로운 이론 이 등장 한다고 해서 바로 사람 들 에게 받아들여 지 는 것 은 아니 다 . 먼저 그 이론 이 옳 은지 여부 를 둘러싼 논쟁 이 벌어지 게 마련 이 고 , 그 뒤 에 는 이론 을 어떻게 해석 할 것 인가 를 둘러싸 고 새로운 논쟁 으로 확장 되 곤 한다 . 일반 상대 성 이론 도 마찬가지 였 다 . 수학 적 으로 아인슈타인 의 중력장 방정식 을 풀어내 는 것 도 중요 하 지만 , 그렇게 풀어낸 결과 가 과연 현실 에 부합 하 는지 그리고 그것 이 무엇 을 의미 하 는가 를 둘러싸 고 의견 이 분분 했 다 . 
 먼저 이론 자체 를 제대로 이해 하 는 게 급선무 였 다 . 일반 상대 성 이론 은 원론 적 으로 중력 에 대한 새로운 이론 이 지만 , 동시 에 시간 과 공간 과 물질 에 대한 근본 적 인 이론 이 기 도 하 다 . 1687 년 에 뉴턴 이 물체 끼리 서로 거리 의 제곱 에 반비례 하 는 힘 으로 끌어당기 고 있 다는 보편 중력 의 법칙 을 발표 했 을 때 에 도 특히 유럽 대륙 의 자연 철학자 들 은 크 게 반발 했 다 . 중간 의 매개 도 없이 멀리 떨어져 있 는 두 물체 가 서로 잡 아 당긴다는 것 은 도무지 이해 가 안 되 는 신비주의 였 다 . 
 그러나 이 에 대한 대안 으로 제시 된 일반 상대 성 이론 도 직관 적 으로 납득 이 안 가 는 것 은 마찬가지 였 다 . 시간 과 공간 이 휘 어 있 으며 그 휘어진 시 공간 에서 빛 이 직진 하 는 것 이 아니 라 곡선 을 따라 움직인다는 것 을 이해 하 는 것 은 매우 힘든 일 이 었 다 . 게다가 아인슈타인 은 당시 물리학자 들 에게 는 매우 낯설 었 던 텐 서 해석학 에 바탕 을 둔 비 유클리드 기하학 이 세계 를 서술 하 고 있 다고 주장 하 고 있 었 기 때문 에 많 은 물리학자 들 이 이 해괴 한 이론 에 대해 의심 의 눈초리 를 거두 지 않 고 있 었 다 . 
 [ 그림 1 ] 아인슈타인 의 상대 성 이론 에 따르 면 먼 별 에서 지구 에 도달 하 는 빛 은 태양 의 중력 으로 인해 태양 주위 에서 직진 하 지 못하 고 휘어진다 . ( 사진 : EarthSky ) 
 이런 상황 이 크 게 달라진 것 은 유명 한 1919 년 일식 관측 덕분 이 었 다 . 만일 일반 상대 성 이론 의 주장 대로 시공간 이 비 유클리드 기하학 으로 서술 되 어야 한다면 , 가령 태양 주변 을 지나가 는 별빛 도 곡선 을 따라 움직여야 한다 . 아인슈타인 은 태양 이 있 을 때 와 없 을 때 를 비교 하 면 1 . 6 초 의 각 만큼 차이 가 나리 라는 것 까지 계산 하 는 데 성공 했 다 . 따라서 이 두 경우 를 관측 하 여 비교 함 으로써 일반 상대 성 이론 이 옳 은 이론 인지 아닌지 판별 할 수 있 다 . 
 뉴턴 이 옳 은가 , 아니면 아인슈타인 이 옳 은 가의 문제 가 되 는 것 이 다 . 그런데 태양 이 있 을 때 에 는 별 을 볼 수 없 다 . 따라서 뉴턴 과 아인슈타인 중 누가 옳 은지 판별 하 기 위해서 는 개기 일식 을 기다려야 했 다 . 일식 은 매우 드문 일 인 것 처럼 생각 되 지만 , 사실 은 지구 상 전체 를 생각 하 면 매년 한 번 정도 는 어딘가 에서 일식 이 일어난다 . 따라서 개기 일식 이 일어나 는 장소 까지 만 가 면 개기 일식 을 볼 수 있 다 . 
 여기 에 가장 중요 한 역할 을 한 사람 이 바로 영국 의 천문학자 아서 에딩턴 이 었 다 . 1914 년 에 케임브리지 천문 연구소 의 소장 으로 임명 된 에딩턴 은 퀘이커 교도 로서 일 차 세계 대전 에 적극 적 으로 반대 했 다 . 영국 왕립 천 문학회 의 사무총장 을 맡 게 되 면서 빌렘 드 지터 가 일반 상대 성 이론 에 대해 쓴 논문 들 을 접하 게 되 었 고 , 이미 1916 년 부터 일반 상대 성 이론 이 경험 을 통해 실증 될 수 있 을지 여부 에 큰 관심 을 가지 게 되 었 다 . 
 [ 그림 2 ] Arthur Stanley Eddington . 1882 ~ 1944 . 에딩턴 은 일반 상대 성 이론 을 검증 하 는 실험 을 위해 1919 년 일식 원정대 를 조직 했 다 . 그 가 포함 된 프린시페 섬 원정대 의 관측 결과 가 아인슈타인 의 일반 상대 성 이론 을 입증 하 는 데 사용 되 었 다 . ( 사진 : wikipedia ) 
 영국인 에딩턴 으로서 는 뉴턴 에 대한 도전 이 못 마땅 했을지도 모른다 . 그러나 그 는 과학자 였 고 , 실험 과 관측 만 이 진리 인가 아닌가 를 판별 한다는 강한 믿음 을 가지 고 있 었 다 . 아인슈타인 자신 도 같 은 시기 에 일식 때 별 의 위치 가 평소 와 다른지 확인 하 고 싶 어 했 지만 , 일 차 세계 대전 중 의 천문관 측 은 사실 상 불 가능 한 일 이 었 다 . 
 1919 년 일 차 세계 대전 이 끝난 뒤 평화 주의자 에딩턴 이 맨 먼저 한 일 은 아인슈타인 의 이론 을 시험 하 기 위해 일식 이 일어나 는 지역 으로 원정대 를 보내 는 일 이 었 다 . 두 팀 의 원정대 가 파견 되 었 다 . 5 월 29 일 에 있 을 개기 일식 은 적도 부근 대 서양 한 복판 에 있 을 것 으로 예측 되 었 다 . 그리니치 천문대 소속 의 크로 멜린 과 데이비슨 이 이끄 는 팀 은 브라질 해안 에서 80 km 정도 떨어져 있 는 소 브럴 로 떠났 고 , 에딩턴 과 커팅 검 이 이끄 는 팀 은 스페인 령 기니 부근 의 서아프리카 해안 에서 좀 떨어져 있 는 프린시페 섬 으로 험난 한 파도 를 헤치 고 기나긴 여행 을 떠났 다 . 
 그해 11 월 6 일 에 영국 왕립 협회 와 왕립 천문학 회의 합동 회의 가 열리 고 , 개기 일식 관측대 의 관측 결과 가 아인슈타인 의 이론 을 입증 한다는 결론 이 발표 되 었 다 . 1919 년 11 월 7 일 , 런던 타임즈 는 이 발표 를 “ 과학 의 혁명 , 새로운 우주 이론 , 뉴턴주의 무너지 다 ” 라는 제목 으로 대서특필 했 고 , 아인슈타인 은 하룻밤 사이 에 대중 적 인 인기 를 끄 는 스타 가 되 었 다 . 
 [ 그림 3 ] 에딩턴 탐사대 의 원정 을 설명 하 는 그림 . 1919 년 11 월 22 일자 런던 뉴스 . ( 사진 : eclipse - maps . com ) 
 이 유명 한 이야기 는 과학 적 방법 의 전형 을 보여 주 는 예 로 자주 소개 된다 . 새로운 이론 이 제기 되 면 이것 과 낡 은 이론 을 비교 할 수 있 는 결정 적 실험 이 고안 되 고 , 그 결정 적 실험 에서 낡 은 이론 이 틀리 고 새로운 이론 이 옳 은 것 이 밝혀 지 면 , 낡 은 이론 은 폐기 되 고 새로운 이론 이 수용 된다는 것 이 다 . 하지만 현실 은 그 보다 훨씬 복잡 하 다 . 
 에딩턴 의 이야기 에 도 실상 심각 한 반전 이 있 다 . 이미 프린시페 에서 는 날씨 가 너무 안 좋 은 데 에 다 사진 건판 마저 젖 어 버려서 데이터 를 별로 얻 지 못했 고 , 그나마 정밀도 가 상당히 떨어졌 다 . 또한 일식 이 한 낮 에 있 었 기 때문 에 비교 를 위해 태양 이 없 는 별자리 ( 실제로 는 하이 아데스 성단 ) 의 사진 을 찍 기 위해서 는 반년 을 기다려야 했 다 . 시간 이 너무 오래 걸릴 터 라 에딩턴 은 관측대 가 원정 을 떠나 기 전 에 프린시페 가 아니 라 런던 에서 미리 사진 을 찍 었 다 . 
 이 와 달리 소 브럴 관측대 의 경우 는 날씨 가 좋 았 고 일식 이 아침 이 어서 세 달 만 더 기다리 면 정확히 같 은 장소 에서 같 은 별자리 의 사진 을 찍 을 수 있 었 다 . 다만 가져간 천체 사진 렌즈 가 고장 이 나 는 바람 에 시야 가 좁 은 4 인치 렌즈 로 사진 을 찍 어야 했 다 . 또 확인 할 데이터 도 태양 이 있 을 때 별 들 의 위치 가 1 . 6 초 어긋나 는가 여부 가 아니 었 다 . 
 아인슈타인 은 일반 상대 성 이론 을 완성 하 기 전 인 1911 년 에 뉴턴 역학 의 틀 안 에서 태양 주위 에서 별 들 의 위치 가 0 . 87 초 어긋난다는 계산 을 한 적 이 있 고 , 이것 은 1804 년 에 독일 의 천문학자 요한 게오르크 폰 졸트 너 가 뉴턴 이론 의 틀 안 에서 특이 한 가정 과 계산 을 통해 예측 을 한 것 과 일치 한다 . 따라서 실제 예측 값 은 세 가지 중 하나 였 다 . ( 1 ) 어긋남 이 없 는 경우 ( 2 ) 뉴턴 - 졸트 너 의 경우 ( 0 . 87 초 ) ( 2 ) 아인슈타인 의 일반 상대 성 이론 이 맞 는 경우 ( 1 . 6 초 ) . 
 아이러니 하 게 도 소 브럴 관측대 의 결과 는 0 . 93 초 였 고 , 에딩턴 이 끼 어 있 는 프린시페 관측대 의 결과 는 1 . 98 초 였 다 . 상세 한 분석 과정 에서 소 브럴 관측대 의 결과 는 버려졌 고 , 정밀도 가 떨어지 는 프린시페 관측대 의 결과 만 으로 아인슈타인 이 옳 다는 결론 이 내려지 기 까지 는 심각 한 갑론을박 이 있 었 다 . 
 결정 적 인 관측 결과 가 아니 었 는데도 아인슈타인 을 옹호 하 는 결론 이 도출 된 까닭 은 무엇 일까 ? 먼저 생각 해 볼 수 있 는 것 은 일차 세계 대전 에 반대 했 던 두 평화주의 자 가 과학 의 영역 에서 는 서로 화합 하 는 모습 을 보일 수 있 었 다는 점 이 다 . 독일 물리학자 의 이론 을 영국 천문학 관측대 가 입증 하 는 아름다운 모습 이 었 던 것 이 다 . 
 또한 이 두 관측대 를 소 브럴 과 프린시페 로 보내 기 까지 매우 많 은 비용 의 자원 이 소모 되 었 다는 점 에서 여하간 원정대 의 소기 의 목적 을 분명 하 게 달성 한 것 처럼 보이 는 쪽 을 선호 했 을 수 도 있 다 . 또한 영국 내 에서 상대 성 이론 은 이제야 싹 을 틔우 고 있 었 다는 점 을 고려 할 때 , 상대 성 이론 을 널리 퍼뜨리 길 원했 던 에딩턴 이나 다이슨 의 입장 에서 는 어렵 게 일식 관측 을 한 결과 아인슈타인 이 틀렸 다는 결론 을 얻 었 다고 발표 하 기 는 어려웠을지도 모른다 . 
 [ 그림 4 ] 1919 년 11 월 10 일자 뉴욕 타임즈 기사 . “ 하늘 의 모든 빛 은 휘어진다 ” ( 사진 : wikipedia ) 
 1979 년 에 영국 그리니치 천문대 가 나서 서 1919 년 의 데이터 를 현대 적 인 기법 을 동원 하 여 정밀 하 게 다시 조사 한 결과 , 4 인치 렌즈 는 1 . 90 ± 0 . 11 초 , 천체 사진 렌즈 는 1 . 55 ± 0 . 34 초 로 분석 되 어 , 아인슈타인 이 옳 았 음 이 밝혀 지 긴 했 지만 , 1919 년 의 결론 은 분명히 성급 한 면 이 있 었 다 . 
 그런데 일반 상대 성 이론 이 실증 되 었 다고 하 더라도 이 를 어떻게 해석 하 고 이해 할 것 인가 는 또 다른 문제 였 다 . 가장 흔한 오해 는 상대 성 이론 이 상대주의 적 이 라는 것 이 었 다 . 시간 과 공간 이 합쳐져 시공간 이 되 어야 하 므로 , 길 이나 시간 간격 도 어떤 관성계 에서 재 는가 에 따라 달라져 버린다 . 
 또 아인슈타인 의 중력장 방정식 에 따라 시공간 과 물질 이 서로 직접 연관 을 맺 기 때문 에 물체 가 시간 과 공간 속 에 존재 한다는 상식 적 인 관념 조차 관찰자 가 속한 좌표계 나 운동 상태 에 따라 제멋대로 달라져 버리 는 것 처럼 보인다 . 그래서 상대 성 이론 은 ‘ 무엇 이 든 절대 라는 게 없 다 . ’ 는 식 의 상대주의 를 온전히 드러내 는 것 으로 오해 되 곤 했 다 . 특히 일반 대중 에게 물리학 이론 의 하나 로서 상대 성 이론 이 상대주의 를 옹호 하 는 것 이 아니 라는 것 을 설득 하 는 것 은 쉬운 일 이 아니 었 다 . 
 설상가상 으로 1930 년 대 에 독일 에서 나치 가 정권 을 잡 으면서 일반 상대 성 이론 은 대표 적 인 유대 인 물리학 으로 폄훼 되 었 다 . 현실 과 는 무관 한 사변 적 주장 만 을 일삼 는 엉터리 물리학 의 대명사 라는 비방 이 쏟아졌 다 . 독일 의 대학 들 에서 유대인 인 아인슈타인 의 이론 을 강의 하 는 것 은 불법 이 었 다 . 비슷 한 시기 에 소련 에서 도 마르크스 - 레닌주의 와 일반 상대 성 이론 이 충돌 한다고 여겨져서 , 적극 적 으로 일반 상대 성 이론 의 모순 성 을 공격 하 는 논문 들 도 발표 되 었 다 . 
 ‘ 상대 성 ’ 이 라는 이름 자체 가 오해 를 불러일으킨 점 도 있 었 고 , 물리학 이 가장 발전 한 독일 에서 의 대학 교육 정책 때문 에 일반 상대 성 이론 에 대한 깊이 있 는 고찰 보다 는 정치 사회 적 이념 의 맥락 에서 공격 을 받 은 일 이 더 많 았 다 . 같 은 시기 에 일제 강점기 한반도 에서 오히려 아인슈타인 과 상대 성 이론 에 대한 호의 적 인 평가 가 많 았 던 것 과 비교 하 면 독일 이나 소련 의 과학 계 가 훨씬 편협 했 던 것 이 다 . ( 박스 참조 ) 에딩턴 의 일식 관측 에 도 정치 사회 적 요소 가 개입 해 있 다는 점 을 떠올린다면 , 이것 이 이상 한 일 도 아님 을 알 수 있 다 . 
 하지만 정치 사회 적 선입관 을 떠나 서 아인슈타인 의 중력장 방정식 을 어떻게 해석 할 것 인가 하 는 것 도 심각 한 문제 였 다 . 적어도 네 가지 해석 이 가능 하 다 
 첫째 , 역학 적 해석 은 중력장 방정식 에서 시공간 의 구조 를 표현 하 는 왼편 은 아무런 실제 적 인 의미 도 갖 지 못하 며 , 단지 물질 의 존재 를 표현 하 는 오른편 만 이 물리 적 인 의미 를 갖 는다고 본다 . 중력장 이 란 것 은 실체 가 아니 고 물질 들 사이 의 상호 작용 을 나타낼 뿐 이 라는 관점 이 다 . 
 둘째 , 이원론 적 해석 에서 는 중력장 방정식 의 양편 모두 에 별개 의 존재 론 적 지위 를 부여 한다 . 물질 은 중력장 을 만드 는 원천 이 며 , 시공간 은 중력장 과 같 은 것 이 라고 보 는 관점 이 다 . 물질 과 시공간 을 서로 독립 적 인 것 으로 보 는 것 이 다 . “ 물질 은 시공간 이 어떻게 휘어질 지 말 해 주 고 , 시공간 은 물질 이 어떻게 운동 할지 말 해 준다 . ” 라고 요약 한 윌러 의 입장 이 대표 적 이 다 . 
 이 와 달리 , 슈뢰딩거 , 에딩턴 , 보렐 , 메이에르 송 등 이 지지 한 셋째 해석 은 역학 적 해석 과 반대 되 는 입장 에서 마당 자체 에 존재 론 적 위상 을 부여 하 고 중력 마당 은 종국 적 으로 시공 자체 의 곡률 임 을 주장 하 는 곡률 해석 이 다 . 이것 은 물질 과 중력 마당 이 라는 이원론 적 인 주장 에 반대 하 면서 , 일반 상대 성 이론 이 물질 과 시공간 의 통일 을 이루 었 으며 모든 것 이 기하학 으로 바뀌 었 다는 관점 이 다 . 이 해석 에서 는 물질 이 라는 것 은 시공간 의 곡 률 이 발현 한 모습 에 지나 지 않 는다 . 애초 에 물질 이 라는 것 은 파생 적 인 개념 이 라는 것 이 다 . 
 끝 으로 , 거리 함수 해석 은 아인슈타인 의 중력장 방정식 을 적극 적 으로 해석 하 기 보다 는 단지 거리 함수 텐서 가 충족 시켜야 할 미분 방정식 일 뿐 이 라고 보 는 접근 이 다 . 이것 은 어떤 면 에서 “ 입 다물 고 계산 이 라 하 라 . ” 는 식 의 관점 이 며 , 동시 에 현재 의 주 된 관점 이 기 도 하 다 . 
 나아가 아인슈타인 자신 을 비롯 하 여 크레치만 , 바일 , 카르탕 , 톨 만 , 앤더슨 등 은 중력장 방정식 과 측지선 방정식 의 관계 라든가 , 공변 성 과 불변성 의 관계 , 일반 상대 성 이론 안 에서 의 에너지 보존 과 강체 개념 의 문제점 등 여러 가지 개념 적 문제 들 을 세세 하 게 다루 었 다 . 
 더 흥미 로운 점 은 이러 한 논의 를 바로 우주 자체 의 탄생 과 진화 에 적용 할 수 있 으리라는 것 과 시공간 철학 에서 실체론 - 관계 론 논쟁 이 새로운 쟁점 들 로 확장 되 었 다는 것 이 다 . 다음 에 는 이 두 가지 문제 를 더 본격 적 으로 살펴보 기 로 하 자 . 
 쉬 어 가 는 이야기 : “ 아니 수 타인 박사 를 모셔라 ” 
 [ 그림 5 ] 아인슈타인 의 추천 . 1932 년 < 동광 > 중 에서 . ( 자료 : 서울 SF 아카이브 . 한겨레 신문 ) 
 1932 년 11 월 , 잡지 < 동광 > 에 “ 애인 에게 보내 는 책자 ” 라는 제목 으로 이런 기사 가 실렸 다 . 
 “ 과학 방면 에 있 어서 는 에딩턴 의 “ 공간 , 시간 및 중력 ” 을 읽 으라고 권고 하 고 싶 습니다 . 이 책 은 아인슈타인 의 일반 상대 성 이론 을 소개 한 것 으로서 고등 수학 에 소양 이 있 는 이 는 볼 수 있 을 것 입니다 . 만일 에 고등 수학 에 소양 이 없 는 이 로서 상대 성 이론 의 개요 를 알 려면 아인슈타인 저 “ 일반 및 특수 상대 성 이론 ” 을 읽 는 것 이 가장 좋 겠 지요 . 이 책 은 누구 나 알 수 있 게 만든 책 이나 이것 도 대수학 모르 고 는 읽 을 수 없 습니다 . 왜 권하 느냐고요 ? 조선 사람 은 과학 을 등한히 하 니 그 잘못 을 교정 하 자는 것 과 무엇 보다 도 시대 에 낙오 되 지 말 아야 지 오 . ” ( 그림 5 ) 
 1922 년 말 아인슈타인 이 일본 ‘ 카이조 ’ 출판사 의 초청 으로 순회강연 을 하 러 일본 을 방문 하 면서 일제 에 강점 된 한반도 에서 도 아인슈타인 과 그 의 상대 성 이론 에 대한 관심 이 널리 퍼졌 다 . ( 홍대길 , “ 아니 수 타인 박사 를 모셔라 : 조선 교육 협회 , 민립 대학 설립 추진 ” , 과학동아 2005 년 7 월 호 112 - 117 쪽 참조 . ) 
 1920 년 10 월 20 일 에 창간 된 잡지 ‘ 공 우 ’ 에 실린 에딩턴 의 관측 에 대한 기사 를 필두 로 , 1922 년 11 월 에 베를린 에 있 는 황진 남 ( 黃 鎭 南 , 1896 -?) 은 “ 상대론 의 물리학 적 원리 ” 라는 해설 기사 들 과 “ 아인스타인 은 누구 인가 ” 를 동아일보 에 연재 하 는 등 아인슈타인 과 상대 성 이론 에 대한 기사 가 자주 등장 했 다 . 
 그 뿐 아니 라 최윤식 , 강우석 , 안 일영 , 이정섭 , 도상록 등 의 상대 성 이론 에 대한 대중 강연 이 뒤 를 이 었 다 . 일제 강점기 한반도 에서 아인슈타인 과 일반 상대 성 이론 은 매우 인기 가 높 았 다 . 
 일반 상대 성 이론 100 + 4 년 – 제 7 회 . 르메트르 와 앨 퍼 : 허블 과 가모프 에 가려진 우주 론 자 들