아인슈타인의 특수 상대성 이론에 등장하는, 세상에서 가장 유명한 방정식 E=mc². 많이 들어봤지만 이 방정식에 담긴 진정한 의미는 무엇일까?
약 110여 년 전 E=mc²이 가져온 질량과 에너지가 서로 연결될 수 있다는 발견은 과학계를 발칵 뒤집어 놓는 거대한 혁신이었다. 지식채널e에서는 세상을 지배해온 방정식 E=mc²의 진정한 의미를 생각해보는 '두 세계의 이야기' 편을 방송한다.
20세기 초반까지 과학계에는 'm(질량)의 세계'와 'E(에너지)의 세계', 두 세상이 존재했다. m의 세계에는 산과 나무, 사람처럼 부피를 가진 물질의 고유한 양인 '질량'으로 가득 차 있었다. 반면 E의 세계에는 번개와 불꽃, 바람과 같은 눈에 보이지 않는 힘인 '에너지'가 가득했다.
마치 하늘과 땅을 대표하듯 두 개의 세계는 서로 다른 모습을 보인다.
m의 세계에서는 물질이 타거나 고체가 액체로 모습을 바꾸어도 질량은 절대 사라지지 않고 보존되었고, E의 세계에서는 운동으로, 열로, 화학으로 에너지가 전달되어도 절대 사라지지 않고 보존되었다.
이렇게 질량과 에너지는 서로 독립된 공간에서 각자의 균형을 유지하고 있었다. 그러나 당시 과학자들에게 m의 도시와 E의 도시는 절대 이어질 수 없는 별개의 세상이었다.
빛의 속도(c)로 날아가는 우주선이 있다고 가정해보자. 우주선에 에너지를 더 공급하면 빛의 속도보다 빨라질까? 아무리 에너지를 더해도 우주선의 속도는 더 빨라지지 않는다. 그렇다면 추가한 에너지는 모두 어디로 가는 걸까? 이 질문의 답을 하는 하나의 공식이 있다.
'에너지는 질량이 되고 질량은 에너지가 될 수 있다.'
1905년 더 큰 세상을 관찰하던 어느 무명 과학자, 아인슈타인에 의해 탄생한 'E=mc²'이다. 남은 에너지는 우주선의 질량으로 전환되어 우주선이 무거워진다. 질량과 에너지는 서로 통하고 있었다. 그동안 질량과 에너지는 결코 연결될 수 없는 별개의 것이라고 여겼던 과학자들의 견고한 믿음이 무너지는 순간이었다. 사람의 느린 속도로는 볼 수 없었던 세상의 모습들이 비로소 설명되기 시작했다. 스스로 에너지를 내는 방사성 원소, 수소의 폭발로 엄청난 빛을 내는 태양의 모습 속에서 우리는 E=mc²의 의미를 어렴풋이 짐작할 수 있게 되었다. 오래전부터 질량-에너지 관계 속에서 균형을 유지해온 세상, 그 세상을 설명하는 방정식 E=mc²이 가지는 진정한 의미를 생각해보는 지식채널ⓔ '두 세계의 이야기' 편은 EBS1에서 방송된다.
김지영기자 kjy@dt.co.kr
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