뉴턴은 '법칙'인데 상대성은 왜 '이론'일까?
뉴턴은 '법칙'인데 상대성은 왜 '이론'일까?
  • 함예솔
  • 승인 2019.12.19 21:05
  • 조회수 6624
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법칙(Law)과 이론(Theory), 뭐가 다르지?

아이작 뉴턴과 알버트 아인슈타인. 출처: Wikimedia Commons
아이작 뉴턴과 알버트 아인슈타인. 출처: Wikimedia Commons

뉴턴은 두 물체의 질량이 얼마나 큰지 혹은 거리가 얼마나 떨어져 있는지에 대한 척도가 서로를 끌어당기는 정도를 결정한다고 말했습니다. 아인슈타인은 물체의 질량이 시공간을 왜곡시키고, 질량이 클수록 왜곡이 커지기 때문에 이런 현상이 발생한다고 말했습니다.

 

그런데 왜 뉴턴의 법칙은 '법칙'이라고 말하는데, 상대성 이론은 '이론'이라고 일컫는 걸까요?

법칙(law)은 자연계에서 작동하는 원리가 어떻게 일어나는지 수학적으로 자세하게 설명한 것. 출처: AdobeStock
법칙(law)은 자연계에서 작동하는 원리가 어떻게 일어나는지 수학적으로 자세하게 설명한 것. 출처: AdobeStock

법칙(law)과 이론(theory)은 상하관계가 아닙니다. 범주가 전혀 다릅니다. 과학에서 법칙(law) 자연계에서 작동하는 원리가 어떻게 일어나는지 수학적으로 자세하게 설명한 것입니다. 뉴턴의 만유인력의 법칙은 수학적으로 정밀하게 설명됩니다. 달이 큰 행성에 가까이 있을 때 어떻게 작용하는지, 혹은 행성에서 멀리 떨어진 경우 어떻게 작용할 것인지 예측할 수 있도록 해줍니다. 그런데 법칙(law)은 '어떻게(how)'는 설명할 수 있지만 '왜(why)'는 말해주지 않습니다.

 

반면 이론(theory) 사실(fact), 검증된 가설(hypotheses), 법칙(law)으로 입증한 자연계의 특정 현상을 설명한 것입니다. "질량과 에너지는 시공간에 구부러짐을 일으키고, 중력은 시공간의 곡률에 따라 발생한다"는 내용의 아인슈타인의 상대성 이론이 여기에 해당합니다. 참고로 사실(fact)이란 과학자들이 완전하게 '참(Ture)'으로 받아들일 수 있는, 오랫동안 검증을 거친 관찰이라고 할 수 있습니다. 물론 무조건 '참(True)'이라 할 만한 것은 없습니다. '모든 백조는 하얗다'는 표현은 검은색 백조를 관찰하기 전까지만 참입니다.

 

아인슈타인 이론도 작은 원자 구성입자의 거동을 다루는 양자역학에 적용하면 무너집니다. 결과적으로 많은 과학자들은 중력에 대한 새로운 가설들을 계속 던지고 있습니다.

 

물론 아인슈타인의 상대성 이론이 틀렸다는 말도 아닙니다. 일반상대성 이론은 대다수의 관측을 설명해줍니다. 과학자들이 상대성 이론이 틀렸다는 증명을 시도할 때마다 실패하게 만들었습니다. 이것이 바로 과학적 이론(theory)의 강점입니다. 튼튼한 기초 위에 세워졌기 때문에 다소간의 균열이 발견되더라도 구조 전체가 흔들릴 걱정은 많지 않습니다.

 

다시 보자 뉴턴·아인슈타인

 

이 같은 배경을 바탕으로 다시 한 번 두 사람의 생각을 정리해볼까요? 1687년 출간된 과학도서 <프린키피아>에 명시된 뉴턴의 세가지 운동 법칙은 우주 모든 곳에 똑같이 적용됐습니다. 당시 우리의 일상을 지배하던 고전 물리학의 근간이죠. 뉴턴에 따르면 모든 물체의 입자는 다른 물체의 입자를 끌어당깁니다. 그 힘의 크기는 수학 공식으로 나타낼 수 있습니다.

뉴턴의 만유인력.
뉴턴의 만유인력.

 

  • 뉴턴의 제1법칙: 모든 물체는 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 현재의 운동 상태를 그대로 유지한다.
  • 뉴턴의 제2법칙: 가속도는 물체에 작용한 힘에 비례하고 물체의 질량에 반비례한다.
  • 뉴턴의 제3법칙: 물체 A가 다른 물체 B에 힘을 가하면 B는 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 A에게 되돌려준다.

 

1905년과 1016년 아인슈타인이 '특수상대성이론'과 '일반상대성이론'을 발표하며 고전 물리학을 송두리째 전복시킵니다. 현대 물리학의 새로운 토대를 마련한 건데요. 아인슈타인은 시간과 공간을 별개가 아닌 시공간의 개념으로 통합했습니다. 우주를 관통하는 중력의 근원과 그 효과에 대한 새로운 통찰을 제시했습니다.  

아인슈타인의 상대성 이론.
아인슈타인의 상대성 이론.

책 <우리가 절대 알 수 없는 것들에 대해>의 저자 마르쿠스 듀 소토이는 옥스퍼드대학교 수학과 교수이자 영국 왕립학회 회원입니다. 그는 수학자인 자신에게 '증명되지 않은 것에 대한 추측'은 생명줄이나 다름없는 것이라고 말합니다. "리만 가설이 참인지 거짓인지 확인하고 싶다. 자신이 수학에 몰입하는 이유는 아는 것이 많아서가 아니라 모르는 것이 많기 때문"이라고 말합니다. 

마커스 드 사토이, '우리가 절대 알 수 없는 것들에 대해' 출처: 반니
마커스 드 사토이, '우리가 절대 알 수 없는 것들에 대해' 출처: 반니

우리는 모르는 것과 알 수 없는 것, 불확실한 것과 함께 살아갈 수 밖에 없습니다. 이 책의 저자는 "만약 우주의 작동 원리를 만족스럽게 설명하는 이론이 등장한다고 해도 어떤 미지의 이야기가 인간에게 발견되길 기다리고 있는지 알 수 없다"고 말합니다. 그와 함께 물질과 우주, 공간 시간, 무한대, 의식에 이르는 미지의 여정을 따라가보세요. 답을 알 수 없는 질문과 파생된 온갖 다양한 모순들이 이웃님을 기다립니다.

책 '우리가 절대 알 수 없는 것들에 대해'의 저자 '마르쿠스 듀 소토이'는 옥스퍼드 대학교 수학과 교수. 출처: Univerisy of Oxford
마르쿠스 듀 소토이 옥스퍼드대 수학과 교수. 출처: Univerisy of Oxford

 



##참고자료##

 


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