‘빛보다 빠른 입자’ 발견 해프닝
위대한 과학이론 영원한 건 없어

작년과 올해 과학계 최대의 화두 중 하나는 ‘빛보다 빠른 입자’의 존재 여부였다. 중성미자(뉴트리노)라는 소립자의 변환과정을 연구하던 이탈리아 연구팀은 작년 9월 유럽입자물리연구소에서 생성된 중성미자가 730㎞ 떨어진 이탈리아의 검출기에 빛의 속도보다 약간 더 빨리, 시간으로 따지면 빛보다 1억분의 6초 정도 더 빨리 도착했다고 발표한 바 있다. 

고재현 한림대 교수·물리학

이는 현대과학을 구성하는 근본 이론 중 하나인 아인슈타인의 상대성이론이 틀릴 수도 있다는 가능성을 시사한 연구 결과로, 사실일 경우 현대물리학의 토대를 통째로 뒤흔들어 놓을 상황이었다. 그런데 올 2월 실험장치의 일부에 문제가 있음이 밝혀졌고, 이 연구팀은 이달 교토에서 열린 학술회의에서 이 주장을 공식 철회했다. 혁명적인 주장이 결국 실험장치 상의 문제에 의한 오류라는 해프닝으로 일단락되면서 아인슈타인은 틀리지 않았다고 판명된 것이다.

어떤 물체도 빛의 속도보다 빨리 달릴 수 없다는 ‘사실’은 아인슈타인이 1905년 발표한 특수상대성이론의 기본 가설이었다. 당시 스위스 베른의 특허사무소에서 근무하고 있던 아인슈타인은 1년 동안 3편의 논문을 잇달아 발표했다. 분자나 원자의 존재를 실험적으로 검증할 수 있는 이론적 틀을 제공한 브라운운동에 대한 논문, 빛의 입자설에 근거해 광전효과를 설명함으로써 이후 아인슈타인에게 노벨물리학상을 안겨준 논문, 마지막으로 특수상대성이론에 대한 논문이 그것이다. 세 이론 모두 물리학의 근본적인 변화를 이끈 내용을 담고 있었기에 이 논문이 발표된 해를 ‘기적의 해’라 부르게 됐고, 100주년이 된 2005년을 세계 물리의 해로 지정해 아인슈타인의 업적을 기념한 바 있다.

이들 중 특수상대성이론은 아인슈타인이 이후에 내놓은 일반상대성이론과 더불어 시간과 공간, 물질과 에너지에 대한 우리의 일반적인 개념을 근본적으로 바꾸어 놓은 혁명적인 과학이론이다. 뉴턴이 고전역학에서 가정했던 절대시간, 절대공간의 개념을 부정하고 공간과 시간이 서로 뒤얽혀 있으며 물체의 운동상태에 따라 시간 지연, 길이 수축, 질량 증가와 같은 현상이 발생할 수 있음을 예견했다. 이러한 예측은 그동안 수없이 많은 실험 속에서 검증돼 왔고, 현대과학과 첨단기술의 바탕이 됐으며, 미술과 영화를 포함한 문화예술활동에도 큰 영향을 미쳤다.

가령 우리가 매일 사용하는 위성위치확인장치(GPS)의 경우 약 2만㎞ 상공에서 돌고 있는 GPS 위성과 지구 표면 사이에서 상대성이론에 따라 발생하는 시간 차이를 보정해 줌으로써 정밀한 위치추적이 가능하게 됐다. 이뿐만 아니라 광전효과가 활용된 반도체칩을 포함한 디지털카메라, 아인슈타인의 유도발광이론에 근거한 레이저, 질량(m)도 결국 에너지(E)의 한 형태임을 보여준 과학 역사상 가장 유명한 공식인 E=mc2(여기서 c는 빛의 속도)에 근거해 탄생한 원자력발전소 등 우리의 일상생활은 아인슈타인이 남긴 과학적 유산으로 가득 차 있다.

결국 아인슈타인의 상대성이론은 틀리지 않은 것으로 결론이 났고 많은 물리학자는 당연하다는 표정을 짓거나 안도의 한숨을 쉬었지만 이 위대한 과학자의 이론이 ‘영원히’ 완벽한 진리로 남는다는 의미는 아닐 것이다. 수백년 동안 거시적 물체의 운동을 완벽히 설명하는 법칙으로 인식됐던 뉴턴의 고전역학이 원자와 같은 미시세계나 빛의 속도에 근접한 소립자의 운동과 같은 현상 앞에서 한계를 드러낸 것처럼, 현대과학의 두 축인 상대성이론과 양자역학 역시 끊임없는 도전과 검증 속에서 어떤 혁명적 변모를 겪을지 알 수 없는 일이다. 기존의 모든 이론이 합리적 의심과 검증의 대상이라는 점은 과학의 가장 핵심적인 속성 중 하나이기 때문이다.

고재현 한림대 교수·물리학