뉴턴과 아인슈타인 사이에는 페러데이와 맥스웰이란 과학자가 있었습니다. 페러데이의 전자기에 대한 발견과 정리를

맥스웰이 수학적으로 정리했죠. 또 맥스웰에 의해 전기력과 자기력이 합쳐져서 전자기력이 되었고 빛은 파동인 전자기파의

일종으로 설명되게 되었습니다. 그리고 그의 식에서 빛의 속도는 상수였죠. 변수와는 달리 상수는 불변량을 의미합니다.

하지만 아인슈타인 등장전까지 빛을 절대속도라고 가정한 사람은 없었습니다. 그리고 절대속도란 것은 매우 이해하기 힘든 현상이죠

제가 초속 10m로 이동할때 초속 20m로 움직이는 당신의 상대속도는 제 기준으로 10m/s 입니다. 빛은 물체의 운동에 상관없이

항상 약 30만km/s의 속도인데, 즉, 저를 기준으로 해도, 당신을 기준으로 해도 똑같다는 겁니다. 그러니까 운동에 의한 상대속도의

개념을 이해하고 있는 사람들에겐 빛의 절대속도는 매우 이해하기 힘든 현상인 것이죠. 그리고 관련하여 상대속도에 관한

사고실험을 있습니다. 제가 가속운동을 할 경우 관성력을 느끼게 되지만 등속운동을 할 경우 관성력을 느낄수가 없습니다.

그래서 무중력의 우주공간에 A와 B가 있고 누군지는 모르지만 한명은 정지상태라고 하고 한명은 초속 20m로 등속운동하고 있다고

하면 자신이 어떤 운동 상태인지를 A와 B는 뉴턴역학적으로는 알 수가 없습니다. 하지만 특수상대론적으로는 알 수가 있습니다.

빛이 절대속도란 것을 통해서 말이죠. 상대론은 뉴턴역학에 빛이 절대속도란 공리를 추가해서 만든 이론이라 위의 사고실험을

뉴턴역학으로 분석해보고 상대론으로 분석해보면 왜 시간이 상대적인지를 쉽게 이해할 수 있게 됩니다.

먼저 뉴턴역학으로 분석해보면 빛이 절대속도란 가정이 없기 때문에 빛의 속도는 상대속도로 계산되어져야 합니다.

따라서 A와 B의 운동은 빛을 기준으로 서로 다른 속도의 운동임이 분명해집니다. A의 속도에서 빛의 속도를 뺀것이

A가 관측하는 빛의 속도가 될 것이고 B의 속도에서 빛의 속도를 뺀것이 B가 관측하는 빛의 속도가 될테니까요.

하지만 상대론적으로 다른 설명없이 A와 B가 관측한 빛의 속도가 같기만 하다면 빛을 기준으로 A의 운동과 B의 운동이

서로 다르다는 것을 알 수가 없습니다. 이것을 아인슈타인은 대칭성을 이용해서 해결합니다. 이전에는 가변이라고 생각되었던

빛의 속도가 불변이라면 대칭성이 지켜지기 위해선 기존의 불변이라고 생각되었던 물리량중에 하나가 가변이 되어야 한다는

아이디어였죠. 그럼 왜 하필 길이수축이었을까요? 일단 질량은 저울을 통해 불변량이라고 생각할 수 있겠죠. 또 시간은 이동거리를

속도로 나눈 결과값이고 속도는 주어진 값이었죠? 따라서 이동거리가 운동상태에 의해 가변적(상대적)이게 되어야 한다는 결론이

나온겁니다. 또 그렇게 길이가 상대적이 되면 시간도 상대적일 수 밖에 없게 되는 것이죠. 즉, 빛이 상대속도이면 A와 B가 서로 다른

운동상태란 것을 뉴턴역학적으로도 알 수 있지만, 길이수축 없이 빛이 절대속도이기만 하다면 위의 사고실험에서의 등속운동의

상태에서는 그걸 구분할수가 없다는 것이죠. 하지만 길이수축으로 인한 시간의 상대성을 설명하는 특수상대론을 통해 그런 구분이

가능해지게 된겁니다. 물론 속도가 빠르면 길이수축이 더 많이 되고 시간도 상대적으로 느리게 흐르는데 빛의 경우는 길이가

0으로 수축되어 시간이 흐르지 않을 정도죠. 그런데 이런 특수상대론이 뉴턴역학에 광속불변의 원리를 추가한 이론이라면

일반상대론은 특수상대론에 관성질량=중력질량이 같다는 등가원리를 추가해 만들어진 이론입니다.

일반 상대론은 이를 통해 뉴턴역학을 대체하는 중력이론이 되었고 말이죠. 특상에서의 결론인 속도에 의한 길이수축은

가속에서도 당연히 성립합니다. 그리고 가속시에는 관성질량이란 관성력에 의한 질량증가가 발생합니다.

제가 엘레베이터 안에서 저울위에 서있을 때 만약 엘레베이터가 위로 가속해서 올라갈 경우 저울위의 제 무게(관성질량)은 증가하게

됩니다. 그리고 관성력도 느끼게 되죠. 그런데 이런 가속에의한 관성력과 중력의 차이가 무엇일까요? 다를게 없다고 아인슈타인은

결론지었습니다. 즉, 중력이 작용하는 지구 지표면위에 서있는 저는 위로 가속해서 올라가는 엘레베이터 안에 있는 것과

다를바 없는 상태란 것이죠. 결국 중력으로도 가속운동시에 발생하는 길이수축 현상이 발생해야 한다는 겁니다.

따라서 지구 질량(중력)에 의한 길이수축이 전방위적으로 발생하게 되며 그 길이수축이 중력으로 작용한다는 것이죠.

이렇게 공간을 통해 중력을 설명할 수 있게 된겁니다. 그럼 뉴턴역학에서의 만류인력과 상대론의 중력의 차이는 무엇일까요?

먼저 중력의 전달속도가 다릅니다. 뉴턴의 경우 아무리 멀리떨어져있어도 중력은 즉각 작용합니다. 만약 달이 사라지면 곧바로

그 영향이 지구에 오게 되죠. 하지만 상대론의 경우 중력의 작용속도는 빛의 속도와 같습니다. 따라서 광속으로 약 1.2초 거리의

달이 사라지면 그 중력의 영향도 1.2초 후에나 지구에 미치게 되고, 마찬가지로 달이 사라지고 나서 1.2초 뒤에나 지구에서 가시적으로

알 수 있게 되겠죠. 또 위와 관련해서 뉴턴역학의 경우 만류인력이 원격작용이었다면 상대론의 경우는 근접작용입니다.

그리고 중력이 뉴턴역학에서는 힘이었지만 상대론에서는 힘이 아니라고 설명됩니다. 질량에 의해 공간의 형태가 그럴 뿐이란

것이죠. 이처럼 뉴턴역학만 제대로 이해했다면 특상에서 일반 상대론까지 추가되는 원리를 통해서 이해하기 어렵지 않습니다.

이는 양자역학도 마찬가지고 말이죠.