아인슈타인은 분명 탁월했다. 그는 가장 난해한 우주의 비밀을 찾아낸 다음 이를 전파하고 다니는 역할을 자처했다. 일반인들은 아인슈타인이 바이올린을 연주하고 혀를 내민 채 사진을 찍었으며, 원자폭탄 발명을 후회했다고 알고 있다. 하지만 평범한 젊은 특허국 직원으로 단 1년만에 네 가지의 혁신적인 아이디어를 생각해 낸 아인슈타인에 대해서는 얼마나 알고 있을까? 1905년 3월에 발간된 한 논문에서 아인슈타인은 빛이 파동의 형태만 띤다는 기존의 개념을 뒤엎고 빛이 양자라는 미세한 다발로도 진행해야만 한다는 점을 보여주었다. 이런 통찰력에서 양자역학이 태동하게 되었고 나중에 그에게 노벨상을 안겨주었다. 5월에는 두번째 논문을 통해 물분자들의 무질서한 움직임을 해명함으로써 원자의 존재를 입증했다.
6월에는 시간이 절대적이라는 뉴튼식 개념을 종식시키면서 자신의 특수상대성 이론을 통해 빠른 로켓에 탑승한 사람에게는 시간이 느리게 간다는 점을 보여주었다.
이쯤해서 다른 사람들 같으면 그냥 여름 휴가를 갔겠지만 특수상대성 이론에 빠져 있던 아인슈타인은 질량이 얼어붙은 에너지라고 가정했다. 그렇게 해서 그의 단순한 방정식 E=mc2 이 원자폭탄의 이론적 기반이 되었다.
100년 후 우리는 1905년의 작품에 찬사를 바친다. 다음에 이어질 페이지들에서 아인슈타인이 없었더라면 세상이 어떠했을지, 영감이 풍부한 사상가가 필요한 분야가 무엇인지 알아보고 독자들이 직접 “아인슈타인 지수”를 측정해 볼 기회를 제공할 것이다.
아인슈타인이 바이올리니스트?
세계에서 가장 유명한 과학자가 다른 직업을 택했더라면 우리의 삶은 얼마나 달라져 있을까?
905년 초 스위스의 베른에서 25세의 앨버트 아인슈타인은 특허청에서 또 하루를 보낸 뒤 집으로 향하고 있었다. 그는 너무 많은 생각을 하느라 기진맥진해서 시간과 움직임의 성질에 관해 너무 많은 기묘한 생각들이 떠오르게 하는 시계탑과 기차역을 피해 다른 길로 들어섰다. 이제 그만 됐어라고 그가 속으로 생각했다. 그는 자신을 받아주지 않은 지독한 클럽의 과학자들이 우주를 생각하는 대로 놔두자고 포기했다. 자신은 그냥 평범한 직원이자 아빠이며, 보통 사람으로 남아 바이올리니스트가 되면 그만이었다. 100년 후 일리노이주 페오리아에서는 음악가가 되려고 애쓰는 아인슈타인의 4대손 브래드가 늦잠을 잤다. 블라인드가 걷혀 있었기 때문에 그는 실눈을 뜬 채 알람시계의 시간을 확인해야 했다. 오늘날의 시계에 널리 사용되는 발광다이오드(LED)가 존재하지 않기 때문이다. 온라인으로 이메일이나 일기예보를 확인하는 건 꿈같은 일이다. 인터넷이 태동기에 불과하기 때문이다. 냉장고가 텅빈 것을 확인한 후 그는 점심을 먹으러 누이네 집으로 향한다. 도로 교통은 끔찍한 상황이다. 그는 지름길로 들어섰다가 길을 잃고 만다. GPS 네비게이션 장치를 단 자동차를 살 처지도 아니지만 그랬다 하더라도 별 소용이 없었을 것이다. 알버트가 음악을 들을 GPS 세상에 존재하지 않기 때문이다.
드디어 누이네 집에 도착한 그가 정원 잔디에서 여섯 살짜리 조카와 놀아주고 있는데 호기심 많은 아이가 이렇게 묻는다. “해는 뭐로 만들어졌어?” 브래드는 대답을 못하지만 똑똑한 누이가 대답한다. “철로 돼 있단다.” 일반인들이 알고 있듯 그녀의 말이 정확하다. E=mc2이라는 지침이 없었다면 영국의 천문학자인 세실라 페인이 1925년 태양이 수소가 아니라 주로 철로 이루어져 있다는 점을 재조사해 볼 영감을 받지 못했을 것이다. 부엌으로 되돌아온 브래드의 누이는 최근 손실을 입을까 두려워 친구의 주식 정보에 따르지 않아 큰 손해를 봤다고 한탄한다. 우리 세계에서라면 그녀는 주식을 구매가보다 비싼 일정 가격에 되팔 수 있는 옵션 상품을 구매해 큰 손실을 피할 수도 있었을 것이다. 하지만 은행들이 옵션 가격을 계산해내는 데 사용하는 방정식은 아인슈타인의 1905년도 브라운 운동 연구에서 비롯된 것이다.
브래드는 집으로 향한다. 몇 년 전 실내에서의 흡연을 그만둔 그는 담배를 피러 베란다로 나와서는 소장한 비디오들을 훑어본다. 그는 스타워즈를 보다가 루크가 외계군단과 싸우다가 총알이 떨어진 후 정지 버튼을 누른다. 따분해진 그는 TV 앞에 앉아 이리저리 채널을 바꿔본다.
볼만 한 게 없자 브래드는 파퓰러사이언스 신간을 집어든다. 1930년 5월호에서 화성에 비버같은 생물체가 존재할 가능성이 있다고 보도했던 이 잡지에 또다른 관련 기사가 실려 있다. 우리가 붉은 행성 표면에 관해 알고 있는 대부분의 지식은 최근의 화성 착륙선 같은 탐사선에서 보내온 것인데, 이 탐사선들은 광기전 판넬로 동력을 얻는다. 태양 전지가 없으면 화성으로부터 억을 수 있는 자료가 훨씬 적어져 과학자들이 화성 생명체론을 반박하기 어렵게 된다. 그런데 정말로 브래드의 시선을 끄는 것은 “원자”라는 작은 입자의 존재 가능성에 관한 기사이다. 비약이 다소 지나쳤음은 인정한다. 아인슈타인의 영향이 너무 광범위해 놀랍기는 하지만 그가 1905년에 이론 물리학에 큰 기여를 하지 않았다면 아무도 그와 같은 생각을 해내지 못했을 거라고 믿는다면 인간의 능력을 너무 과소평가한 것이다. 과학사가들은 아인슈타인이 없었더라도 다른 사람들이 디지털 알람 시계와 광대역 인터넷망, GPS, DVD와 디지털 카메라에 사용되는 전하결합소자의 이론적 기반을 닦았을 거라고 동의한다. 태양이 대부분 수소로 이루어져 있다는 점도 누군가 알아냈을 것이고, 본지도 화성에서 배회하는 늙은 비버들 대신 NASA가 조종하는 탐사선들에 대해 다루고 있을 것이다.
하지만 아직 아인슈타인 포스터를 찢어내기에는 이르다. 아인슈타인이 바이올리니스트가 됐더라면 엄청나게 다른 운명을 가져왔을 중요한 아이디어가 있다. 바로 1916년에 출간된 일반상대성 이론이다. 이제 1905년 당시 이런 돌파구가 발표된 상황으로 되돌아가 보자.
어떤 경우에 아인슈타인은 단 몇 년 앞서 있엇다. 프랑스의 수학자인 헨리 프왕카레는 누군가가 일정한 속도로 움직이고 있거나 가만히 서 있는 경우 모두 똑같은 자연법칙이 적용된다는 특수상대성 이론 방정식을 막 알아내려던 참이었다. 아인슈타인 스스로도 과학자 폴 라게빈이 곧 그런 결과를 얻어낼 거라고 믿었다고 말했다. 그러니 GPS 위성이 너무 부정확해 무용지물이 되는 일은 없었을 것이다. 1905년 브라운 운동이라는 원자들의 운동에 관한 또다른 논문도 당연히 거쳐야 할 이론적 단계였다. 다만 아인슈타인이 먼저 알아낸 것 뿐이었다. “그는 많은 사람들이 이미 사실로 믿고 있었던 모습, 즉 물질은 원자들로 이루어져 있고 열은 이 원자들의 움직임이라는 사실을 확인시켜 준 겁니다”라고 버지니아 대학 물리학자인 마이클 포울러가 말한다. 빛이 파동이 아니라 입자로 진행한다는 빛의 성질에 관한 아인슈타인의 연구도 시간이 지나면 등장했을 거라고 세인트루이스 소재 워싱턴 대학의 물리학자인 존 리그덴이 말한다. 이 연구는 1923년 아서 콤프턴이 X선 실험을 통해 확실한 증거를 제시하면서 비로소 사실로 확인이 되었다. 그렇다면 물질과 에너지의 균형을 기술하고 원자시대를 연 세계에서 가장 유명한 방정식 E=mc2은 어떨까? 아인슈타인만이 가능했을까? 하바드 대학 과학사가인 피터 갤리슨에 의하면 사실 이것도 반드시 그렇다고만은 할 수 없다. 프왕카레도 E=mc2에 다가가고 있었다.
하지만 아직 아인슈타인의 위업을 쓰레기통에 버릴 필요는 없다. 다시 일반상대성 이론으로 돌아가 보자. 일반상대성 이론은 중력이 공간을 어떻게 변형시키는지 묘사하고 있다. 이 이론은 아인슈타인 이전에 선호되던 정적인 우주가 아니라 팽창하든 수축하든 역동적으로 움직이는 우주를 상정하고 있다. 빅뱅 이론과 블래홀, 중력파 모두가 일반상대성 이론에서 나온 것들이다. “초인적인 업적”이라고 갤리슨의 동료인 제럴드 홀튼이 말한다. “다른 사람이 이루기는 어려운 일이었습니다.” 단서도 없엇고, 참고할 만한 실험 결과도 없었습니다.
하지만 아인슈타인은 물리학이 좀 더 단순해지기를 원해서 상대성을 1905년도와 같은 상태로 놔둘 수가 없었다. 그당시 이 이론은 정적이거나 똑같이 움직이는 참조계에만 적용이 되었을 뿐 가속도는 설명하지 못했다. 아인슈타인이 1907년 번뜩이는 통찰력으로 중력과 가속도가 동등하고, 자유낙하하는 사람은 자신의 체중을 느낄 수 없으며, 중력으로부터 자유롭다는 점을 깨닫자 상대성 이론을 우주에 적용할 수 있는 아이디어들간의 첫 연관관계를 구상해냈다. 그런데 다음 단계가 쉽지 않았다. 그는 리만 기하학이라는 전혀 새로운 종류의 수학을 초보 수준부터 다시 배워야 했다.
상대성 이론을 전개하는데 “아인슈타인은 8년을 소모해 거의 죽을 지경이었다”고 워싱턴 대학의 천체물리학자인 클리포드 윌이 말한다.
아인슈타인이 이를 극복하자 과학계에 가장 큰 기여를 하게 되었다. 하지만 아직도 그는 세상에 보여줄 게 몇 가지 더 있었다.
▲ 바코드 스캐너
제품 코드를 읽는 레이저는 좁은 광자 빔이다. 1917년 아인슈타인은 광자를 발생시키는 방법을 묘사했다.
▲ 태양전지판
태양광선을 받은 광자들은 내장 반도체의 원자들로부터 전자를 방출시킨다. 판에서 발생하는 전기장이 전자들의 흐름을 도와 전류가 발생된다.
▲ 디지털 카메라
전하결합소자가 유입되는 광자를 전자로 바꾼 다음 픽셀의 전하에 따라 디지털 이미지를 생성한다.
▲ 제약
분자들의 임의운동에 관한 아인슈타인의 연구 덕분에 화학자들은 분자간 상호작용을 조절해 새로운 복합물을 만들 수 있었다.
▲ 옵션 가격
아인슈타인의 방정식은 거래자들이 미래 금융시장의 기격 변동을 예측할 수 있도록 돕는 블랙 슐즈 모델의 근간이 되었다.
▲ 브라운 여과기
이 미세장치들은 분자 변화 분류기처럼 작용해 바이러스를 다른 혈액 성분들로부터 크기를 비교해 분류해 낼 것이다.
▲ GPS
GPS 위성들은 실제 효과를 고려해 맞추어야 한다. 위성의 속도 때문에 지상의 사용자들에게는 시간이 느려지지만 위성의 고도에서는 중력 때문에 시간이 빨라진다.
▲ 스핀트로닉스
데이터를 저장할 때 양과 음의 두 가지 값만을 갖는 전하보다 여러 가지 값을 가질 수 있는 전자의 방향에 맞추어 저장하면 상대성 때문에 처리 속도를 높일 수 있다.
▲ 원자폭탄
다른 방법으로도 원자를 쪼갤 수 있지만 아인슈타인의 유명한 방정식은 잠재력을 밝혀냈다: 즉 아주 적은 물질에 90쿼드릴리온(c2)을 곱하면 강력한 충격을 가할 수 있다는 점이다.
▲ PET 스캐너
환자들에게 투여된 방사성 원자들은 뇌에서 붕과하면서 감마선을 방출한다. 이 광선들을 추적해 스캐너는 환자가 뇌의 어느 부분을 사용하는지 보여준다.
숨겨진 뒷이야기
1. 아인슈타인은 빛이 광자라는 다발로 이동한다는 점을 보여줬는데, 이것이 발광다이오드의 핵심 개념이다. 반도체 기반 다이오드 내의 전자들이 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동할 때 덜 여기된 상태로 전환하면서 광자 형태로 에너지를 방출한다. 이것을 조절하면 밝고 오래가는 광원을 얻게 된다.
2. 1917년에 아인슈타인은 광자가 원자와 접촉하면 연쇄적으로 인근 원자들로부터 광자들을 방출시킨다는 것을 보여주었다. 이 현상은 레이저의 이론적 토대가 되었다. 레이저가 없으면 웹페이지의 데이터들이 광섬유를 뚫고 전진하는 대신 구리 전화선을 따라 힘겹게 이동하게 된다.
3. 아인슈타인의 특수상대성 이론에 따르면 위성이 지상의 수신자보다 훨씬 더 빠르게 움직이기 때문에 시간이 느리게 간다. 반면 아인슈타인이 1916년에 완성한 일반상대성 이론에 의하면 높은 곳에서는 중력이 감소해 위성의 시간이 빠르게 간다고 한다. GPS를 정확히 맞추기 위해 엔지니어들은 위성의 내장 시계를 조정해야 한다.
4. 이 의외의 금융가는 핀볼처럼 튀어 돌아다니는 물분자들이 겉으로 보기에는 무질서해 보이는 산란운동을 야기시킨다고 입증했다. 이로부터 변형된 방정식들이 주가변동을 기술하는 데도 사용된다.
5. 일반 연기 탐지기에는 방사성 원소인 아메리시움 241이 들어있는데, E=mc2의 원리에 따라 붕괴된다. 이때 발생되는 방사능이 공기 분자를 이온화해 연기에 민감한 전기장을 형성한다. 연기 감지기가 없는 세상에서는 음악가들이 취해서 무의식중에 불붙은 담배를 떨어뜨려 집에 화재가 발생하는 일이 종종 발생하게 된다.
6. 레이저를 영화에 도입할 수 없게 되어 조지 루카스는 주인공들에게 총으로 무장하게 해야 한다.
7. 아인슈타인은 TV중독자들의 생활에도 영향을 미쳤다. 리모콘은 발광다이오드를 사용하기 때문이다.
8. 화성에서 발견된 또렷한 운하 때문에 온갖 상상이 난무해 물과, 생명체, 비버로까지 확장되었다.
구인 공고:
현대 아인슈타인의 모습
어떤 분야의 과학이든 어느 시점엔가 만만찮은 문제에 직면해 수년간 혹은 수십년간 진척이 없는 경우가 있다. 대륙들은 어떻게 형성됐는가? 열병의 원인은 뭘까? 지구 밖에 지적 생명체가 있을까? 해답은 조금씩 혹은 한 순간의 영감으로 얻어질 수도 있다. 다음은 현대의 아인슈타인이 필요한 4가지 분야이다.
장기 프로젝트를 수행할 열성적이고 독창적인 사상가 구함. 독특한 기회 제공. 월급은 많지 않지만 100만 달러의
노벨상 수상 가능성 있음.
▲ 우주학
현재 상황 1998년 천문학자들은 암흑에너지라는 신비한 힘에 의해 우주가 점점 더 빠르게 팽창하고 있음을 발견했다. 암흑에너지는 텅빈 우주에서 수도없이 생성되었다가 소멸되는 가상 입자들의 소산물일까? 암흑에너지로 결국 시공간이 분리될까, 아니면 그냥 사라져 버릴까? 물리학자들은 아무런 단서도 없다. 게산에 의하면 텅빈 우주는 가상 입자들에 의해 팽창되는데, 이론상의 물질들인 이 입자들은 너무 많은 에너지를 생산해 내 오래 전에 우주가 폭발했어야만 한다. 하지만 이런 일이 발생하지 않았기 때문에 이론가들은 이 입자들 일부의 에너지가 나머지 입자들의 에너지를 완전히 상쇄해 우주가 김빠진 사이다처럼 잠잠하다고 생각했었다. 하지만 멀리서 폭발하는 별들을 관측한 결과 암흑에너지의 수준이 미약하지만 0은 아니라고 밝혀졌다. 우주를 채우고 있다고 여겨지는 가상 입자들이 진짜 암흑에너지원이라면 수수께끼 같은 일이다: 왜냐하면 암흑에너지를 엄청나게 생산하거나 전혀 생산하지 말아야 하기 때문이다. “도대체 전혀 모르겠습니다”라고 케이스 웨스턴 리저브 대학의 이론물리학자인 로렌스 크라우스가 말한다.
다음 아인슈타인을 위한 과제
암흑에너지에 대한 설명
가장 가능성 높은 접근 방법
우주의 서로 다른 여러 부분들은 특정한 세기의 암흑에너지를 갖고 있는데 인류가 우연히 암흑에너지 세기가 낮은 곳에서 살게 되어 이를 관찰하게 됐다는 인류지향원리라는 게 유효하다. 다소 체념적으로 들리겠지만 많은 사람들이 마찬가지로 생각한다. 인류지향원리는 아무런 에측도 하지 않는다고 크라우스가 말한다. 그 때문에 이 원리는 400년간의 물리학 발달 과정과 배치된다. 이동안 여러 이론들이 실제 세계에 대한 예측의 정확도에 따라 결국 사라지거나 살아남았다. 인류지향원리가 지지력을 얻으려면 물리학자들은 암흑에너지가 여러 가지 수치를 갖는다는 점을 입증하고 이것이 천문학자들이 측정하는 것과 같은 값을 가질 확률을 계산해내야만 한다.
▲ 유전학
현재 상황 전문가들은 세포내에 들어 있는 DNA 염기의 유전자들을 대부분 식별해냈지만 이 유전자들 사이에는 상식적으로는 도무지 이해가 안 되는 긴 “정크 DNA”가 있다. 이 쓸모없는 유전자들은 인간 유전자의 98.5퍼센트나 차지한다. 하지만 최근 복잡한 유전자의 기능들이 밝혀지면서 유전학자들은 이 정크 DNA들이 유전자가 켜지거나 꺼질 때 미묘하게 영향을 미치는 것이 아닐지 의구심을 가져왔다.
지난 5월 산타크루즈 소재 캘리포니아 대학의 한 팀이 인간과 설치류의 정크 DNA중 500여 개가 배열이 똑같다는 것을 발견했다. 만약 이 DNA들이 정말 쓸모가 없는 것들이었더라면 진화 과정중에 무작위로 돌연변이를 일으켜 걸러졌을 것이다. 보존된 정크 DNA들 중 대부분이 태아기 발달에 중요한 유전자들 근처에 몰려 있고, 다른 정크 DNA들은 근처의 유전자들이 단백질 생산을 부추기도록 하는지도 모른다. 하지만 몇백 개의 염기 배열은 정크 DNA의 극히 일부에 불과하다. “정크 DNA의 양이 너무 많아 당혹스러운데, 이들 중에는 적어도 서로 다른 종간에 꽤 정확하게 보존된 것들도 있는 것 같습니다”라고 국립 인간 게놈 연구소 부소장인 알랜 거트매셔가 말한다. “한 번 시험해 보고 이해하기에 좋은 대상입니다.”
다음 아인슈타인을 위한 과제
정크 DNA의 기능을 알아내거나 이것들이 쓸모가 없음을 증명하기
가장 가능성 높은 접근 방법
국립 인간 게놈 연구소의 새 프로젝트인 인코드는 정크 DNA의 기능이 무엇인지 조사할 것이다. 이를 위해 여러 포유류의 게놈들을 비교해 진화의 역사를 다시 정립할 것이다.
▲ 기후학
현재 상황 현재 사용되는 지구 기후 시뮬레이션에서는 세계를 격자로 나눈 다음 격자내 각 네모 칸의 기온과 바람, 습도가 이웃 지역에 어떤 영향을 미치는지 질문한다. 이 시뮬레이션들을 통해 제트기류와 같은 대규모 대기 활동들에 관해 근접하게 에측할 수 있지만 구름의 형성과 움직임 같은 보다 구체적인 차원에서는 별 소용이 없다. 이것은 중대한 결함이다. 왜냐하면 구름은 빛을 반사하고 열을 가두므로 지구온난화를 가속시키거나 감소시킬 수도 있기 때문이다.
구름을 형성시키는 상승 기류는 지름이 수백 미터에 불과한 반면 아무리 작은 기후 모델의 단위도 폭이 200킬로미터나 된다. 소규모 기상 요인들간의 상호작용을 계산하려면 현재의 컴퓨터보다 처리 능력이 더 큰 컴퓨터가 필요하다. 기후 전문가들은 구름 문제를 풀 정도의 성능을 갖춘 컴퓨터가 앞으로 몇십 년 내에 등장하리라고 예측은 하지만 대답은 지금 당장 알고 싶어한다. “기후 변화는 아마도 가장 예측하기 어려운 분야일 겁니다”라고 워싱턴 대학의 크리스 브레데톤이 말한다.
현세대 아인슈타인을 위한 과제
구름 모델링을 좀 더 정확히 하는 것
가장 가능성 높은 접근 방법
아직 테스트해보지는 않았지만 실제 크기의 10분의 1짜리 지구 모형에 구름들을 흩어놓으면 실제와 같은 기후 데이터가 생성될 전망이다. 이런 모델은 실제 지구 규모의 구름 실험에 비해 컴퓨터 처리 능력이 1,000분의 1만 되어도 가능하다고 이 연구의 책임자인 브레더톤이 말한다. “이 정도면 대학의 괜찮은 컴퓨터로 실험해 볼 정도로 비용이 내려갑니다.”
▲ 신경과학
현재 상황 최근 뉴욕 소재 콜드 스프링 하버 연구소의 신경과학자인 카렐 스보보다의 연구 결과에 따르면 쥐의 뇌 속 시냅스중 40퍼센트는 몇 주만에 모두 교체된다. 그래도 쥐는 이전의 기억을 갖고 있지만 과학자들은 어떻게 이런 일이 가능한지 모른다. 아마도 기억이 새로운 뇌세포로 이전하거나 모종의 보다 효율적인 방식으로 저장되는 것 같다. “시냅스가 사라지는데 어떻게 수년간 기억이 지속될 수 있을까?”라고 맥길대 신경생물학자인 카림 네이더는 궁금해한다. “아무런 단서도 없습니다.”
현세대 아인슈타인을 위한 과제
기억 저장 방법 규명
가장 가능성 높은 접근 방법
살아있는 동물내의 뇌세포 변화 과정을 관찰. 한 가지 신기술은 쥐의 유전자를 조작해 쥐의 뇌세포가 활성화될 때 녹색 형광 단백질이 생성되도록 하는 것이다. 현미경을 통해 과학자들은 쥐가 기억을 사용할 때 녹색 신호만 따라가면 뇌세포와 시냅스의 변화를 추적할 수 있다.
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