차원 이동과 신세계(2) - 특수상대성이론 연구

- 시간에 대해 알고 싶다면, 먼저 아인슈타인의 상대성이론을 이해할 필요가 있다.

- 왜냐면, 상대성이론이 바로 시간과 공간에 대한 설명이기 때문이다.  

 

 

출처 : 일반상대성이론 - Daum 백과

 

 

 

특수상대성이론의 탄생 배경

 

- 아인슈타인은 1905년, 당시 26세의 나이로 특수상대성이론을 발표하였다.

- 원래 논문 제목은 '운동하는 물체의 전기역학에 대하여' 인데... 여기서 전기역학은 빛의 움직임을 말한다.

 

- 맥스웰이 사망한 1879년에 태어났던 아인슈타인은 빛에 대해 관심이 많았는데, 이는 당대 최고의 과학자였던 맥스웰로부터 크게 영향 받은 것으로 보인다.

- 맥스웰은 전기와 자기가 결국 한 몸이고, 전자기파의 속도가 초속 약 30만km 임을  밝혀낸 인물이다.

 

- 맥스웰은 "빛은 곧 전자기파이며, 빛의 속도는 일정하다." 라고 전제하고, 맥스웰 방정식을 만들었다.

- 하지만, 당대 과학자들은 맥스웰이 '광속불변의 원리' 를 내세웠다는 이유로 맥스웰 방정식을 부정하였다.

 

- 광속불변의 원리란, 빛의 속도가 일정하고 속도의 합산이 성립하지 않는다는 주장인데, 이는 뉴턴역학으로 볼 때 맞지 않는 것이기 때문에 사람들은 맥스웰 방정식이 틀렸다고 생각했다.

- 참고로, 뉴턴(1642~1727)은 갈릴레이(1564~1642)와 함께 '근대 과학의 아버지'로 불리는 사람이다. (신기하게도 갈릴레이가 죽은 해에 뉴턴이 태어났는데, 이는 맥스웰이 죽은 해에 아인슈타인이 태어난 것과 똑같은 상황이다.)

 

- 뉴턴역학에서는 속도의 합산이 성립하고, 이는 우리 생활에서 쉽게 관찰되기 때문에 절대적 진리로 여겨져 왔다.

상황1 : 만약 두 대의 기차가 나란히 같은 방향으로 시속 100km 의 속도로 달린다면, 기차 안에 있는 사람은 상대편 기차가 멈춰 있는 것처럼 보이게 되는데, 만약 그 중 한 대가 시속 120km 로 속도를 높이면 20km 의 속도만큼 상대 기차가 앞으로 가거나 뒤로 가는 것처럼 보이게 된다. 상황2 : 두 열차가 서로 반대 방향에서 각각 시속 100km 의 속력으로 마주 보고 달려온다면, 양쪽 모두 시속 200km 의 속도감을 느끼게 된다.  상황3 : 시속 100km 의 속도로 달리는 열차 안에서, 열차가 달리는 방향으로 누군가 시속 100km 의 공을 던졌다면, 기차 외부 관찰차 입장에서 그 공의 속도는 시속 200km 가 된다.

 

- 이러한 이유로 '광속불변의 원리'는 받아들여지지 않았으나, 1887년 마이컬슨과 몰리가 수행한 빛의 간섭실험에서 '빛의 속도는 항상 일정하다.' 는 것이 실제로 증명되면서 과학계는 큰 충격에 빠졌다고 한다. (마이컬슨과 몰리는 이 실험으로 노벨 물리학상을 받게 된다.) 

 

- 위 간섭실험을 하게 된 배경에 대해 잠깐 설명하자면, 다음과 같다.

 

- 갈릴레이 이전의 사람들은 빛의 속도가 무한하다고 생각했으나, 갈릴레이는 분명 빛이 유한한 속도를 가질 것으로 생각했다. 하지만 그가 살아있는 동안 이것을 증명하진 못했다.

- 뉴턴은 빛이 입자(알갱이)라고 주장했고, 이후 몇몇 과학자들은 "빛은 입자가 아니라 파동이다." 라고 주장했다. 하지만 뉴턴의 권위에 눌려 '입자설' 이 약 100년 가까이 정설로 받아들여졌다.

 

- 하지만 맥스웰이 '빛은 전자기파의 일종' 임을 이론과 실험을 통해 밝혀냄으로써, 이제 빛은 '파동설'로 굳혀지는 듯 했다.

- 맥스웰의 주장대로 빛이 파동으로 이루어져 있다면, 우주에서 빛이 전달되기 위해서는 반드시 매질이 있어야 하는데, 사람들은 이것을 '에테르' 라고 불렀다.

(소리가 전달되려면 공기라는 매질이 있어야 하고, 지구상에서 빛이 전달되려면 공기 혹은 물이라는 매질이 있어야 하듯, 우주 역시 에테르라는 미지의 물질로 채워져 있을 것으로 추정한 것이다. 참고로 소리는 우주에서 전파되지 않는데, 이는 우주에 공기가 없기 때문이다. 영화 '인터스텔라' 가 우주의 적막을 잘 표현했는데, 숨 막히는 고요함 속에서 우주선이 폭발하고 있을 때도 전혀 폭발음을 사용하지 않았다.)

 

- 아무튼, 마이컬슨과 몰리는 빛의 간섭실험을 통해 에테르의 존재를 확인하고 싶었던 것이다. 

- 그러면, 지금부터 빛의 간섭실험에 대해 설명해야 하는데... 흠... 이것을 제대로 설명하려면 빛의 파동현상에 대해 깊이 공부해야 하므로, 가볍게 결론 위주로만 언급하고 넘어가기로 하자.

 

 

 

- 위 그림이 바로 마이컬슨(좌)과 몰리(우)의 간섭실험 장치이다.

 

- 위 정사각형 그림은 간섭실험 장치를 정확히 위에서 수직으로 내려다 본 모습이다.

- A 지점에서 정확히 같은 거리의 B, C 지점 반사판으로 동시에 빛을 쏘았다가 이후 반사된 두 빛이 A 지점으로 되돌아왔을 때 나타나는 두 빛의 간섭무늬를 확인하고자 하였다.

- 실험 결과 A 지점에 도착한 두 빛이 간섭현상을 전혀 일으키지 않았는데, 이는 두 빛이 정확히 같은 속도로 도착했음을 의미하는 것이었다.

 

- 두 빛이 같은 거리를 움직였기 때문에 어쩌면 당연한 결과로 보일 수도 있겠지만, 사실 이 실험은 우주에 에테르가 존재하는지 여부를 확인하기 위한 것이었다.

- 즉, 위 실험은 움직이는 지구 위에서 수행된 것이고, 지구는 태양을 중심으로 A에서 C방향으로 움직이고 있었으므로, 만약 우주에 에테르가 존재한다면 지구가 에테르의 영향을 받아 두 빛 사이에 속도차가 발생하고, 그로 인해 빛의 간섭현상이 나타났어야 했다.

 

- 하지만, 두 빛의 속도는 동일했고, 지구 밖의 정지한 관찰자 입장에서 보아도 빛의 속도는 항상 동일했다.

- "잠깐! 뭐라구? 지구 밖의 정지한 관찰차 입장에서 본다구?" 라고 묻는다면, 지금부터 '갈릴레이의 상대성원리' 에 대해 설명해야 하는데, 이러한 개념은 곧이어 다룰 아인슈타인의 사고실험 편에서도 등장하므로 그때 자세히 살펴보기로 하자. (아인슈타인은 자신의 사고실험에  '갈릴레이의 상대성원리' 를 적용한 끝에  '특수상대성이론' 을 끄집어 낼 수 있었다.)

 

- 아무튼, 결론적으로 우주에 에테르 따위는 없었다는 것이고, 빛의 속도 역시 관찰자의 위치와 방향에 상관없이 항상 동일하다는 사실이 실험적으로 증명되었다.

- 또한 아인슈타인의  '광양자설'  덕분에  '빛의 이중성' 이 인정되면서,  '입자설' 과  '파동설' 간의 오랜 논쟁도 일단락 되었다.

 

 

- 이상의 내용을 종합하여 정리하면 다음과 같다.

 

- 뉴턴의 시대 이후 맥스웰이 등장하였고, 그는 '광속불변의 원리' 를 주장하였다.

- '광속불변의 원리' 는 뉴턴역학에 어긋나는 것이므로, 널리 인정받지 못하였다.

- 하지만, 마이컬슨과 몰리의 간섭실험을 통해 '광속불변의 원리' 가 사실로 증명되었다.

- 문제는 '광속불변의 원리' 가 뉴턴역학을 따르지 않는다는 것인데,  이는 과학계에 풀리지 않는 수수께끼였다.

 

- 여기까지가 아인슈타인의 '특수상대성이론' 이 태어나게 된 배경이라 할 수 있다. (꼬리에 꼬리를 물고 전개되는 과학의 역사가 매우 흥미롭다. 머지 않아 아인슈타인이 던진 떡밥을 물고 또다시 새로운 이론이 등장하겠지?) 

 

 

 

'광속불변의 원리' 가 몰고 온 파장

 

- '광속불변의 원리' 는 사실 알고보면 매우 충격적인 내용이다. 

- 빛의 속도는 관찰자의 위치와 속도, 방향과 관계없이 무조건  '초속 30만 km' 로 동일하다니... 처음 듣는 사람은 아마도 자신의 귀를 의심하게 될 것이다.

 

- 이게 얼마나 황당한 이야긴지 예를 한 번 들어볼까?

 

- 이제 막 지구에서 출발한 우주선이 안드로메다를 향해 초속 30만 km로 날아가고 있고, 이후 지구에 남은 사람이 날아가는 우주선을 향해 빛을 쏜다고 가정해보자.

- 그러면, 지구 위 관찰자 시점에서 빛은 초속 30만 km로 날아갈 것이고, 우주선에서 지구 방향으로 뒤돌아보는 관찰자 시점에서도 빛은 초속 30만 km로 달려오더니 결국 우주선을 앞지르고 계속해서 초속 30만 km로 날아가버린다는 것이다.

- 이상하지 않은가? 내가 빛의 속도로 달리고 있는데 뒤에서 쏜 빛이 나를 앞질렀고, 또 나로부터 빛의 속도로 멀어져간다니... ㄷㄷㄷ 

 

 

 

- 20대의 젊은 아인슈타인은 빛에 대해 다음과 같은 의문을 가졌다고 한다.

- "내가 만약 거울을 들고 빛의 속도로 움직인다면 거울 속에 내가 보일까?"

 

- 아인슈타인은 이 문제를 풀기 위해, 빛의 속도를 어떠한 경우에도 변하지 않는 고정된 상수로 놓고, '갈릴레이의 상대성원리' 를 적용하는 사고실험을 하기 시작했다.

- 사고실험이란, 어떠한 장비도 없이 머리 속 상상만으로 실험하여 결과를 이끌어내는 것을 말한다.

- 당시는 우주선이란 것이 존재하지도 않던 시절이었지만, 아인슈타인은 자신의 머리 속에 우주선을 띄우고, 계속해서  '갈릴레이의 상대성원리' 를 적용해 나갔다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 위 그림들은 '특수상대성이론' 을 설명하는 글이라면 빠짐없이 동일하게 등장하는 내용들인데, 실제로 아인슈타인이 위 예시를 놓고 설명했기 때문에 사람들이 그대로 갖다 옮긴 것이라 보면 된다.

- 하지만 나는 내가 이해하기 쉬운 방식으로 상황을 각색하여 설명해 보려 한다.

 

- 일단, 그전에 '갈릴레이의 상대성원리'가 뭔지 짚고 넘어가기로 하자. 

- 갈릴레이는 자신의 지동설을 입증하는 과정에서 처음으로 '상대성원리'를 설명하였다.

- 지구가 빠른 속도로 움직이고 있음에도 사람들이 그것을 전혀 느끼지 못하는 이유는 지구가 일정한 속도로 움직이는 등속운동을 하기 때문이고, 등속운동 하는 물체 위에 놓인 것들은 전부 하나의 관성계(관성좌표계)로 묶이기 때문에 물체가 정지해 있을 때와 똑같은 물리 법칙이 작용한다고 주장하였다.

- 그러면서 지구 위에 놓인 사람들을 같은 배에 탄 사람들로 비유하였는데, 배가 일정한 속도로 직선 운동을 할 경우 배 위의 사람들은 배가 움직이는 것을 느끼지 못하는 것과 같다고 하였다.

- 하지만 움직이는 배 밖의 정지한 관찰자 입장에서 보면, 이들은 분명 배와 함께 움직이고 있다는 사실이고, 이처럼 관찰하는 기준계에 따라 운동의 상태가 달라짐을 설명한 것이 바로 '갈릴레이의 상대성원리' 이다.

 

 

 

일단 여기까지...

정리중..

 

와~ 중간에 글을 임시저장 못했다가 실수로 다 날려먹고 멘붕 온 상태인데, 갑자기 글 쓰기 싫어지네... ㅡㅡ;;