본문 바로가기

주간동아 로고

  • Magazine dongA
통합검색 전체메뉴열기

전시에도 아프리카 찾아 일식 관찰한 과학자 [궤도 밖의 과학-25]

천문학자 아서 에딩턴, 일식에서 아인슈타인 이론 입증

  • 과학 커뮤니케이터 궤도 nasabolt@gmail.com

전시에도 아프리카 찾아 일식 관찰한 과학자 [궤도 밖의 과학-25]

달이 태양을 완전히 가리는 개기일식. [위키피디아]

달이 태양을 완전히 가리는 개기일식. [위키피디아]

이제는 다시 10년을 기다려야 만날 수 있는 일식이 6월 21일 오후에 일어났다. 무슨 일식이니 월식이니 자주 들어본 단어들이지만, 갑자기 세상이 어두워진다는 단편적 기억만 남아 있을 뿐 명확지 않다. 

간단하게 일식은 우주에서 달이 태양을 가리는 현상이다. 반대로 태양이 달을 가리면 월식 같지만, 태양이 달보다 훨씬 멀리 있어 결코 달을 가릴 수 없다. 해를 품은 달은 불가능하다는 얘기다. 월식은 지구 그림자 속으로 달이 들어가는 것으로, 본래 태양 빛을 반사해 지구를 비추는 달빛이 되레 지구 탓에 가려지는 것이 월식이다. 지구에서 관측할 수 있는 달의 다양한 모습을 위상이라고 하는데, 어차피 위상이 자주 바뀌는 달이기에 월식이 주는 경이로움은 일식과 비교하면 확실히 약하긴 하다. 

달은 대단한 녀석이다. 수성이나 금성보다 훨씬 작지만, 지구에 매우 가까이 붙어 있어 맨눈으로 관측되는 크기로만 비교하면 위대한 태양에 결코 뒤지지 않는다. 그래서 수성이나 금성이 태양 표면에 검은 점을 찍으며 귀엽게 지나가는 것을 일면통과라고 하지만, 달은 무려 일식(日蝕)이라고 칭한다. 

일식에는 몇 가지 종류가 있는데, 지구에서 보이는 달과 태양의 크기가 엎치락뒤치락하기에 그렇다. 가리는 순간 달이 더 크면 깔끔하게 가려져 개기일식이 된다. 벌건 대낮이 잠시 어두워진다면 바로 그것이다. 달보다 태양이 더 크면 금환일식이라고 부른다. 말 그대로 금반지다. 달이 태양 안쪽을 열심히 가려보지만, 달이 가리지 못한 가장자리는 금반지처럼 멋지게 빛난다. 달과 태양의 크기가 거의 비슷하다면 관측하는 지역에 따라 개기일식이나 금환일식 중 하나가 일어난다. 이런 건 혼성일식이라고 한다. 그리고 달이 제대로 태양의 중앙으로 지나가지 못하는 지역이라면 이번처럼 태양의 일부만 가리는 부분일식을 관측할 수 있다. 지구는 태양을 중심으로 공전하고, 달은 지구 주위를 돌고 있기에 일식도 꽤 자주 일어날 것 같지만, 아쉽게도 그렇지 않다. 달걀말이를 하기 좋은 반듯한 프라이팬 위와 같은 곳에서 모두 평평하게 돌고 있지 않기 때문이다.

달이 태양 일부를 가리는 부분일식(왼쪽). 지구 그림자 속으로 달이 들어가는 월식. [부산금련산수련원 제공, 위키피디아]

달이 태양 일부를 가리는 부분일식(왼쪽). 지구 그림자 속으로 달이 들어가는 월식. [부산금련산수련원 제공, 위키피디아]

달은 지구가 도는 공전궤도보다 약간 기울어진 채 돌고 있어 셋이 제대로 한 줄로 서려면 평균 1년 반이 걸린다. 생각보다 주기가 짧다고? 이건 온전히 지구라는 행성 기준이다. 일식을 볼 기대감에 부푼 인간 기준으로는 평균 370년 주기로 개기일식이 돌아온다. 지구는 70%가 바다이고, 육지 중에서도 아주 조그마한 곳에 모두 모여 살기 때문이다. 개인용 경비행기를 타고 온 지구를 돌아다닐 수 있는 여건이 아니라면, 일식은 굉장히 보기 힘들다. 우리나라에서 볼 수 있었던 가장 최근의 개기일식도 ‘조선왕조실록’을 쓰고 있던 1852년 일어났고, 금환일식은 대한민국 정부가 수립된 1948년에 있었다. 당시 대한민국 최초의 민주적 총선거가 일식으로 하루 연기되기도 했는데, 얼마나 오래전 일인지 까마득하다. 고작 10년만 기다리면 일식을 다시 볼 수 있다는 표현은 그나마 우리가 부분일식으로 타협했기 때문에 가능한 일이다. 



일식 소식이 들려오면 희귀한 천문현상을 추억 속에 담으려고 너나없이 아껴둔 태양 관측용 필름을 꺼냈다. 적당한 필름이 없는 사람은 셀로판지를 겹치거나 은색의 과자봉지라도 마련했다. 보기 좋은 경관을 놓치고 싶지 않기 때문이다. 하지만 누군가에겐 그저 단순한 볼거리가 아니었다. 일식을 연구에 활용하고자 머나먼 아프리카 대륙까지 건너갔고, 그곳에서 누구도 이해하지 못한 이론을 증명해낸 과학자가 있었다.

달을 품은 해가 만들어낸 패러다임의 전환

1905년 알베르트 아인슈타인은 시간과 공간은 관측자에 따라 상대적이라는 특수상대성이론을 발표했다. 하지만 아쉽게도 이 이론은 운동 속도가 일정한 상황에서만 적용될 수 있는 반쪽짜리 이론이었다. 현실에서 등속으로 운동하는 건 매우 어렵다. 우리가 걸어가는 경우만 생각해봐도 속도는 계속 바뀐다. 평평한 시공간처럼 아주 완벽하게 이상적인 상황이 아니라면, 특수상대성이론만으로는 세상을 모두 설명할 수 없었다. 세기의 천재는 그로부터 10년을 더 고민했다. 그리고 드디어 1915년 중력이라는 개념을 재해석한 새로운 이론을 들고 왔다. 바로 일반상대성이론의 등장이었다. 이 이론에 따르면 중력의 영향으로 시공간이 휘어져야 한다. 심지어 뉴턴역학에서 기술한 중력의 개념을 완전히 뒤집어놓았다. 

우리가 배운 중력은 뉴턴의 사과로부터 왔다. 정말 당시 사과가 뉴턴의 머리 위에서 떨어졌는지는 중요치 않다. 사과가 떨어진 이유는 지구가 사과를 당기고, 사과도 지구를 당기기 때문이라는 것이 핵심이다. 중력은 이렇게 질량이 있는 물체와 물체 사이에 작용하는 힘이다. 우리가 지구를 당기고, 지구도 우리를 당기기 때문에 우리는 어딘가로 날아가지 않고 지구 위에 서 있을 수 있다. 하지만 아인슈타인의 생각은 달랐다. 중력은 물체 간이 아닌, 오직 시공간에만 작용하는 힘이다. 지구가 강한 중력으로 시공간을 휘었기 때문에 사과는 그 휘어진 시공간으로 굴러간 것뿐이다. 겉으로 봐서는 뉴턴과 아인슈타인이 말하는 중력을 구분할 수 없었다. 하지만 단 한 가지 방법이 존재했다. 바로 빛을 이용하는 것이었다. 

빛은 질량이 없다. 뉴턴의 중력이 옳다면, 아마도 빛을 잡아당길 수 있는 물체는 존재하지 않을 것이다. 중력은 작용하는 두 물체의 질량을 곱해서 계산하기 때문에, 한쪽이라도 질량이 0이면 중력도 0이 돼버린다. 따라서 빛은 결코 어떤 상황에서도 끌려가거나 휘어지지 않아야 한다. 

하지만 아인슈타인의 중력은 다르다. 아무리 질량이 0인 빛이라도 흘러갈 시공간 자체가 이미 휘어 있다면, 휘어진 길을 따라 움직일 것이다. 그러면 빛도 충분히 휠 수 있다. 만약 빛이 휘어지는 순간을 관측한다면 아인슈타인이 옳다는 것을 증명할 수 있겠다. 이 생각을 떠올린 사람 가운데 한 명이 바로 영국 천문학자 아서 에딩턴이었다.

아프리카에서 나타난 일식을 통해 빛이 휘어진다는 것을 증명해낸 아서 에딩턴. [미국의회도서관]

아프리카에서 나타난 일식을 통해 빛이 휘어진다는 것을 증명해낸 아서 에딩턴. [미국의회도서관]

태양처럼 거대한 질량의 천체 근처를 지나간다면 빛도 휘지 않을까. 에딩턴은 밤하늘에 떠 있는 어떤 별을 기준으로 정했다. 그리고 그 앞을 태양이 지나가는 순간, 별의 위치를 다시 기록해 비교했을 때 그것이 만약 바뀐다면 태양 때문에 별빛이 휘어졌다고 볼 수 있으리라 생각했다. 하지만 태양이 있을 때 별의 위치를 어떻게 볼 수 있을까. 마치 콘서트장에서 옆자리 친구에게 아무리 소리를 질러봐야 음악 소리에 묻혀 들리지 않는 것처럼, 낮에 별을 보는 건 불가능했다. 그래서 그는 탐사대를 이끌고 아프리카 대륙 서쪽 기니만의 화산섬인 프린시페섬으로 출발했다. 일반상대성이론을 증명하는 데 개기일식을 이용하기 위해서였다. 

에딩턴의 예상은 적중했다. 태양이 달을 품어 밤하늘처럼 어두워지는 그 순간, 평소라면 보이지 않을 별이 나타났다. 그리고 태양 뒤편의 머나먼 별은 분명히 원래 위치와는 미세하게 다른 곳에 놓여 있었다. 실제로 태양의 강력한 중력 때문에 시공간이 휘어져 있었다.

평화와 화합의 상징이 될 뻔했던 발견

1882년 영국에서 태어난 에딩턴은 어린 시절부터 수학에 뛰어난 재능을 보였으며, 16세 때 장학금을 받고 대학에 입학했다. 졸업 후에는 이른 나이에 교수가 돼 별 내부와 진화 과정에 관한 이론을 공부했다. 그가 일반상대성이론을 접한 무렵은 제1차 세계대전이 한창이었다. 영국과 독일은 서로 적이었고, 영국 과학자들은 독일 태생 물리학자들의 허황된 이론에 대해 매우 적대적인 선입견을 품고 있었다. 심지어 이 이론이 증명된다면 영국의 명예이자 자존심 그 자체였던 뉴턴의 이론에 흠집이 날지도 모르는 상황이었다. 

하지만 평화주의자인 에딩턴에게 과학자의 출신 따위는 아무런 문제가 되지 않았다. 결국 그는 동료 과학자들의 비난을 무릅쓰고, 독일 잠수함의 공격 위협을 견디며, 아프리카 외딴섬에 도착했다. 이로 인해 아인슈타인과 상대성이론은 세계적으로 유명해졌고, 영국의 유서 깊은 신문 ‘타임스’는 대서특필했다. ‘과학의 혁명, 새로운 우주론, 뉴턴역학은 무너졌다.’

뉴턴은 중력을 질량이 있는 물체와 물체 사이에 작용하는 힘이라고 믿었다(왼쪽). 아인슈타인은 중력을 물체 간이 아닌, 오직 시공간에만 작용하는 힘으로 생각했다. [위키피디아, 미국의회도서관]

뉴턴은 중력을 질량이 있는 물체와 물체 사이에 작용하는 힘이라고 믿었다(왼쪽). 아인슈타인은 중력을 물체 간이 아닌, 오직 시공간에만 작용하는 힘으로 생각했다. [위키피디아, 미국의회도서관]

영원히 끝나지 않을 것 같던 피비린내 나는 전쟁이 끝났다. 전쟁 중에 영국 천문학자가 적국 물리학자의 이론을 증명해냈다는 사실 자체도 큰 인기를 끌었다. 과학이야말로 인류가 가진 모든 가치를 넘어 평화와 화합의 상징이 될 수도 있겠다는 확신의 분위기가 만들어졌다. 물론 이후 한 명의 독재자에 의해 아인슈타인은 독일 시민권을 포기하고 미국으로 망명했고 제2차 세계대전이 다시 벌어졌지만, 여전히 가치중립적인 과학적 발견과 과학자끼리의 협력 연구 과정은 조건 없는 인류애를 위한 마지막 희망으로 남아 있다. 그게 맞다.

궤도_연세대 천문우주학과 학부 및 대학원을 졸업하고 한국천문연구원 우주감시센터와 연세대 우주비행제어연구실에서 근무했다. ‘궤도’라는 예명으로 팟캐스트 ‘과장창’, 유튜브 ‘안될과학’과 ‘투머치사이언스’를 진행 중이며, 저서로는 ‘궤도의 과학 허세’가 있다.





주간동아 1248호 (p50~53)

과학 커뮤니케이터 궤도 nasabolt@gmail.com
다른호 더보기 목록 닫기
1251

제 1251호

2020.08.07

“전세 빠르게 사라지며 세입자 보호 물거품된다”〈르포〉

목차보기구독신청이번 호 구입하기

지면보기 서비스는 유료 서비스입니다.