상대성
시간과 공간은 절대적이라고 믿는 사람이 많았지만, 1905년 아인슈타인이 특수상대성이론을 증명한 이후로 더 이상 이것은 진리가 아닙니다. 노벨상을 수상했던 아인슈타인은 그러한 이전의 이론에 반대되는 다음과 같은 증명을 하였습니다. 광속은 광원의 움직임과 상관없이 일관적으로 같은 값을 가집니다. 그러나 공간과 시간은 사물의 움직임에 따라 변합니다. 예컨대 로켓이 가속하면 그만큼 시간은 느리게 가고, 공간은 짧아집니다. 역으로 로켓의 관점에서 보면, 지구상의 시계가 훨씬 빠르게 가고, 지구는 달걀모양, 즉 로켓의 이동방향으로 지구 반경이 수축한 형태로 갈수록 발전합니다. 이 두 버전 중 어느 것이 참일까요? 상대성 이론에 따르면 둘 다 맞는데, 시간과 공간이란 항상 사물의 운동에 대해 상대적이기 때문입니다. 언제 어디서나 일정한 것은 광속만이 아닙니다. 절대 최대 광속도 극한 저온인 절대 0도처럼 결코 변하지 않습니다. 이미 충분히 빠르게 움직이는 전자를 더 가속시키면 어떤 일이 벌어질까요? 뉴턴의 관성법칙에 따라 이 전자는 갈수록 무거워지고, 이에 따라 저항도 더욱 거세져 가속에 대항합니다. 이 상황이 극한에 이를 경우 이의 질량은 무한히 커질 것입니다. 광속은 질량이 없는 입자, 곧 광자의 경우에 한해 일정합니다. 그럼에도 이 입자들은 결코 가만히 있지를 못합니다. 실험실 밖의 광속은 어김없이 일정합니다. 이 맥락에서는 질량의 성질을 명확하게 설명해 둘 필요가 없습니다. 질량은 한편으로는 관성의 측정값이고, 다른 한편으로는 물체의 운동에너지가 증가하면 그에 따라 계속해서 증가하는 양입니다. 이는 질량이란 실질적으로 에너지의 한 형태임을 의미합니다. 1905년에 아인슈타인은 질량 m의 총 에너지 E를 광속 c를 사용해 구하는 공식을 발견합니다. 물리학을 통틀어 가장 유명한 공식이 틀림없는 이 질량-에너지 등가 방정식은 상대론적 물리학의 모든 역사를 몇 개의 기호로 집약한 최고의 통찰입니다.
질량
질량은 하중성질이라는 성질이 있는데, 아인슈타인은 특수상대성이론이 발표된 지 14년 후의 1919년 일반상대성이론을 만들어 이 중력질량이 어떻게 관성 질량과 연관되는지를 증명하였습니다. 아인슈타인은 중력질량과 관성질량의 관계에 대해 이 둘은 같다고 하였는데, 관성 질량이 시간과 공간의 변화하는 성질과 불가분의 관계, 다시 말해 거리가 짧을수록 관성은 증가하므로 이 또한 중력 질량의 한 경우라고 주장하였습니다. 이 결과 질량 간의 인력인 중력은 시간-공간과 직접적으로 연결됩니다. 일반 상대성 이론의 기초를 다음과 같이 이야기할 수 있습니다. 중력이란 시간-공간의 휘어짐입니다. 사물의 질량이 증가할수록 시간과 공간도 더욱 크게 휘어집니다. 이 때문에 이의 인근 사물이 가속 운동방정식으로 표현됩니다. 수학적으로 보면 일반상대성이론이 특수 상대성이론보다 훨씬 복잡합니다. 그럼에도 1919년 장엄하고도 놀라운 방식으로 확증되었습니다. 개기일식 대는 태양 가까이를 도는 별들이 평소와 조금 다르게 배치되는 것처럼 보이는데, 이는 이들의 빛이 태양 중력에 의해 이탈하기 때문입니다. 이 이탈현상은 아인슈타인이 예측한 그대로였고, 이로써 그는 하룻밤 사이에 유명인이 되었습니다. E=mc2이라든지 모든 것은 상대적이라는 개념을 제외하고 그의 이론은, 제대로 이해하는 이들이 극소수임에도 그의 독특한 외모와 더불어 세계적 명성을 안겨주었습니다. 과학자였을 뿐 아니라 유대인이자 평화주의자였던 아인슈타인은 나치 박해의 표적이 되었습니다. 1932년 12월, 미국으로 망명한 이 휴ㅜ 1952년이 될 때까지 독일 땅을 밟지 않았습니다. 특수 상대성이론도 일반상대성이론도 우리의 일상생활에서 자동차나 비행기가 달리는 속도와는 그다지 상관이 없습니다.
이론의 통합
여러 이론의 통합의 과정을 풀어보겠습니다. 양자역학과 상대성이론은 20세기 초에 등장하여 고전물리학의 한계를 드러냈고 또한, 근본적인 의문을 품기 시작하였습니다. 그리고 원자대신에 다양한 기본입자들이 발견되기 시작하였고 현대물리학의 두 기둥인 양자역학과 상대성이론이 기본적으로 통하지 못했고, 휘어진 시공간은 양자이론과 일관되게 설명이 되지가 않았습니다. 그에 따라 현대 물리학은 자연의 네 기본 힘 또는 상호작용 이론의 통합으로 설명해야 하는 최대 난제에 봉착했습니다. 이 문제를 해결하기 위한 도전이 이른바 반어법적으로 쓰기 시작한 '이론의 통합'을 향한 탐구였습니다. 20세기 전반이 발견과 실험의 시기였다면, 후반은 수많은 물리학 이론들을 통합하려는 첫 발을 내디딘 시기였습니다. 우선 쿼크이론이 입자 동물원의 서열을 정리했습니다. 쿼크가 발견될 당시, 전자와 중성미자를 제외하고는 그때까지 알려진 모든 입자들, 심지어 원자핵 내부의 입자들까지 거의 두세 쿼크의 조합임이 밝혀졌습니다. 그런 다음에는 실험을 통해 에너지 준위가 높아짐에 따라 전자기력과 강핵력, 약핵력 간의 차이가 사라지기 시작하는 현상이 밝혀졌습니다. 물론 그 온도는 너무도 높은 고온이어서 그 어떤 실험실에서도 재현할 수는 없었습니다. 그다음에는 양자역학, 특수상대성이론, 전자역학을 양자전자역학으로 통합하는 데 성공했습니다. 수학적으로 이 이론은 강한 상호작용 또는 색깔 힘의 양자이론인 양자색역학과 긴밀한 관계가 있습니다. 심지어 오늘날에도 뜻밖의 영역에서 신비한 현상이 출몰합니다. 1970년대 우주대탐험 사업의 일환으로 목성과 토성을 향해 공간 탐사기가 발사된 바 있습니다. 이들은 지금은 태양계를 벗어났고, 이들의 자취는 지금도 추적 중입니다. 그런데 최근에는 전통적인 역학이나 상대성 이론으로도 이들의 경로를 정확하게 기술할 수 없다는 사실이 분명해지고 있습니다.