[박종진의 과학 이야기] 에테르

박종진

제5원소라고도 불리는 에테르의 존재는 아리스토텔레스로 거슬러 올라간다. 기원전 5세기경 그리스의 엠페도클레스는 불, 물, 흙, 공기로 이루어진 물질의 4원소설을 주창했고 아리스토텔레스는 여기에 다섯 번째 원소를 추가했는데 이것을 아이테르라고 했다. 아리스토텔레스는 이 세상을 천상계와 지상계로 나누었고 우리가 발붙이고 사는 지상의 세계는 불, 물, 흙, 공기로 이루어져 있으며 이것들은 항시 생겨나서 변하다가 결국엔 사라지며 지상의 모든 물체는 마치 사과가 나무에서 떨어지듯 직선 운동을 한다고 생각했던 반면, 달을 포함한 천상의 세계는 원운동을 하는데 그런 영원한 힘의 원천이 천상의 세계를 채우고 있는 아이테르라고 생각했다. 고대 그리스 단어 아이테르가 나중에 에테르가 되었다.
 
소리는 공기라는 매개체가 있어야 전파되기 때문에 공기가 없는 진공에서는 소리가 들리지 않는다. 물결파는 물이 전달하고, 지진파는 땅이 그 매개체가 되어 전달된다. 그래서 빛 역시 그런 일을 하는 매개체가 있어야 할 것이라는 생각에 아인슈타인 시절까지 빛을 전달하는 매개체로 에테르란 것이 있을 것이라고 철석같이 믿었다.  
 
역사상 가장 위대한 과학자를 꼽으면 만유인력의 아이작 뉴턴이 항상 1위를 차지하는데 사실 뉴턴은 평생 연금술에 많은 시간을 보냈다. 연금술이란 납과 같은 값싼 광물로 황금을 만들어보려는 시도인데 운동 법칙을 정리하고 만유인력을 생각해 낸 사람이 그런 일을 평생 했다니 믿기지 않는다. 뉴턴은 빛이 입자의 흐름이라고 주장했지만, 그 역시 에테르의 존재만큼은 인정했다.  
 
뉴턴 시절 빛은 파동이라는 주장을 한 과학자가 많았지만, 만유인력을 발견한 뉴턴의 영향력에 밀려 빛을 보지 못하던 중 토머스 영의 이중슬릿실험과 전자기학의 아버지 제임스 클러크 맥스웰 이후 빛의 파동설이 주류로 떠오르게 되었다. 그러기 위해서는 파동으로서의 빛이 퍼져 나갈 매질의 존재가 필요했고 우리에게 보이지는 않지만, 우주를 채우고 있을 것으로 에테르를 상상했다. 마치 현재, 관찰할 수는 없으나 분명 우주에 존재할 것이라 믿는 암흑물질과 암흑에너지 같은 아이디어였다.
 
20세기 초 미국으로 망명한 유대인 과학자 앨버트 마이켈슨이 에테르 속을 움직이는 지구에서의 빛의 속도 변화를 알아보려고 실험했는데 전혀 엉뚱한 결과를 얻었다. 그 후 동료 물리학자 에드워드 몰리와 함께 더욱 정교한 실험을 하여 빛의 속도를 거의 정확하게 구했고 빛은 어떤 상황에서도 속도가 같다는 사실을 알게 되었다. 양자역학의 모순을 파헤치려고 고안한 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험이 결과적으로 양자역학을 가장 잘 설명한 것이 된 것처럼 마이켈슨-몰리의 실험은 에테르라는 것은 없고, 광속은 불변이라는 아인슈타인의 상대성이론을 뒷받침하는 바탕이 되었다. 이 공로로 1907년 마이켈슨은 노벨 물리학상을 받았다.
 

에테르의 존재를 제대로 부정한 사람은 아인슈타인이었는데 그의 특수상대성이론에서 빛은 어떤 경우에서라도 일정한 속도를 갖는다는 광속불변의 원칙을 전제로 했다. 아인슈타인이 그의 연구실 벽에 붙여 놓고 평생 존경했던 초상화 속 세 사람은 아이작 뉴턴, 마이클 패러데이, 제임스 클러크 맥스웰이었는데 공교롭게도 그들은 에테르의 존재를 믿었다.  
 
당시 마이켈슨은 빛이 초속 약 30만km로 나아간다고 했는데 이는 현재 측정된 속도와 거의 같다.  (작가)  
 
 
 

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