모든 물체는 왜 질량이 줄어들지 않을까?

과학자들의 이론대로라면 우주의 모든 물체는 그 물체가 존재한 이후부터 계속해서 만유인력과 광자를 발사하고 있다. 그런데 물체가 그렇게 끊임없이 에너지를 소모하고 있는데도 물체의 질량은 전혀 줄어들지 않는 신비한 현상이 일어난다. 만유인력과 광자를 계속 발사하고 있는 물체의 질량에 아무런 변화가 없다면, 역으로 그 물체는 만유인력과 광자를 발사하지 않았음이 증명된 것이 아닌가? 그리고 만유인력과 광자를 제조하고 발사하는 시스템이 물체 안에 어디에 어떤 형태로 존재할까?

물체란 물질로 이루어져 있으며 구체적인 형태를 지니고 있는 사물의 모양을 말한다. 크게 보면 태양도 물체이고 지구도 물체이며, 작게 보면 분자나 원자도 물체이다. 그리고 만유인력은 뉴턴에 의해 발견 된 물체와 물체 간 끌어당기는 힘으로, 지구 중심 방향으로 말하면 지구 중력이 되며 이는 곧 중력질량을 의미한다. 반면에 광자는 빛의 전달을 파동이 아닌 입자로 표현한 것으로, 빛이 퍼져나가는 것을 매개한다는 의미로 빛의 파동과 구분하여 광자라고 이름 붙인 것이다.

지금 여기에 커다란 항아리 하나가 놓여있다고 치자. 이 항아리가 보이는 이유는 자체 발광이 아니라 태양으로부터 오는 빛 입자의 반사를 인간의 망막이 받아 뇌로 전달하여 인식하기 때문이다. 빛의 반사를 접수 할 수 있는 망막이 잘못되거나 태양으로부터 오는 빛이 없다면 항아리의 존재를 어떻게 알 수 있을까? 항아리를 인식할 수 있는 다른 방법은 무게감을 느끼는 것이다. 다만 이때는 정확한 모양을 알 수 없을 것이다. 어쨌든 항아리를 들어보고 무게감을 느끼는 것은 질량이고, 질량은 중력에 의해 발생하며, 그것은 힘으로 나타난다. 여기까지가 고전물리학을 바탕으로 한 관점이다. 아인슈타인의 상대성이론이 등장하기 전까지는 물체들의 힘은 물체가 지니고 있는 질량이나 질량의 변화로 나타나는 현상으로 보았다.

그럼 이번엔 상대성이론의 관점으로 생각해보면, 여기에 콩이 가득 담긴 항아리가 있다고 치자. 누군가 항아리 가운데에 손을 깊이 집어넣어 콩을 한주먹 끄집어내면 들어낸 만큼 빈 공간이 형성될 것이다. 그리고 주변에 있던 다른 콩들이 쏠려 내려가면서 들어낸 만큼의 빈 공간을 채워줄 것이다. 누가 일부러 힘을 주어 밀어 넣은 것도 아닌데 콩들이 쓸려 내려가는 현상은 지구의 중력 때문이다. 그렇다면 중력이 없는 우주공간에서 이런 행위를 하면 어떻게 될까? 우주공간에서는 위아래 방향 구분 없기 때문에 콩들은 단지 빈공간으로만 이동하게 될 것이다. 이때 빈 공간으로 쏠려 이동하는 콩들은 어떤 끌어당기는 힘이 작용한 것이 아니라, 단지 빈 공간이 만들어졌기 때문에 관성력에 의해 굴러 떨어진 것이다. 그리고 이때 이 콩들의 움직임은 가장 빠른 경로를 따라 이동하는데 이를 지오데식 이동 혹은 측지선방정식 이동이라고 한다. 자, 이제 이러한 항아리 속의 콩알들의 운동현상을 우주의 시공간으로 확대하여 생각해보자. 만약 우주에서 시공간이 함몰되는 현상이 발생하면 별들을 포함한 우주의 물질들이 그리로 쏠리게 될 것이다. 이 때 발생하는 힘은 중력에 의해서가 아니라 관성력에 의해서이다. 이것이 아인슈타인이 주장한 상대성이론의 관성력이자 관성질량이다. 이때까지 인류가 생각했던 중력은 곧 질량이라는 개념에서 벗어나 질량은 에너지의 한 덩어리라는 것이 아인슈타인의 등가원리 에너지 개념이다. 그래서 아인슈타인은 뉴턴의 운동방정식 대신에 에너지 공식을 사용한 것이다. 이처럼 상대성이론에서의 물체의 질량변화나 운동을 일으키게 하는 원인은 물체 자체에서 에너지를 발산하거나 끌어당기는 힘이 존재하는 것이 아니라, 물체간의 상호 작용성에 있다. 이는 물체와 물체, 행성과 행성뿐만이 아니라 원자 단위 이하의 소립자들 사이에서도 상호작용성의 원리가 작용한다.

따라서 결론적으로 말하면, 어떤 물체가 질량이 줄지 않으면서 광자에너지를 내는 것은 신비한 현상이 아니다. 물체가 질량 변화 없이 에너지를 발생시키는 방법은 물체와 물체간의 상호 작용으로 가능하다. 이 상호작용으로 생성된 에너지가 바로 양자에너지이다. 이 양자에너지를 좀 더 우리 주변의 물체의 운동현상으로 바꾸면 교차에너지 정도로 묘사가 가능하다. 즉, 교차에너지는 상대성이론과 양자역학을 이어주는 연결 고리가 될 수 있을 것이다.

어떤 물체가 내는 힘은 물체의 내부에만 존재하는 것이 아니라 물체와 물체 간의 상호작용에 의해 발생할 수 있는데, 다만 현대과학이 그 메커니즘을 일반이들이 알기 쉽게 규명하지 못하고 있을 뿐이다. 그리고 물체가 에너지를 소모하는데도 질량이 줄어들지 않는 이유를 알고자 하는 이 질문은 지구적 차원의 질문이지 우주적 차원의 질문은 아니다. 우주적 차원에서 보면 물체의 질량은 에너지보존법칙에 의거 다른 형태로 전이되어 변화될 뿐 줄지도 않으며 없어지지도 않는다. 에너지의 작동원리는 질량의 변화에 의한 것이 아니라 상호 작용성의 원리에 의한 것이라는 말이다.