기술은 감각이다, 밀론 블로그
아인슈타인의 상대성 이론 PART – 2 [시공간은 절대적인가?] 본문
상대성 이론 시리즈
1편 - 아인슈타인의 상대성 이론 PART - 1 [이상한 빛]
2편 - 아인슈타인의 상대성 이론 PART – 2 [시공간은 절대적인가?]
3편 - 아인슈타인 상대성이론 PART – 3 [시간지연 유도]
참고 - 본 이야기 구성은 실화가 아닙니다. 독자가 이해하기 쉽도록 구성한 필자의 창작입니다.
등잔 밑이 어둡다.
빛이 기준 없이 일정한 속도를 가졌다는 비상식적인 현상.
운동에 대한 기준의 불분명성.
기존의 믿음과 상식이 틀렸다는 것을 알게 된 순간 혼돈과 혼란이 사람들을 크게 강타했다.
뉴턴은 시간과 공간이 절대적이라고 했다.
그의 주장은 나름 타당했지만 어딘가 분명 꺼림칙한 직감을 느낀다.
절대공간과 절대시간은 사실인가?
빛의 매질 존재 여부는?
진실은 언제나 가까운 곳에 있었다.
아인슈타인은 두 원리를 통해 창의적이고 유연한 사고로 진리를 파헤친다.
편린의 호기심이 엄청난 결과를 만들어낸다.
어느 저녁. 아인슈타인과 마르셀 그로스만의 대화.
뉴턴이 분명 공간은 절대적이라고 했네. 근데 과연 그럴까?
아인슈타인. 뉴턴이 괜히 뉴턴이겠나?
들어보게, 내 친구 마르셀. 우린 지구에 서있고 멈춰있어. 그러나 이건 틀린 사실.
지구는 자전하고 공전하지. 태양 또한 은하계 중심으로 공전하겠지. 은하계 또한 어떠한 중심으로 공전하고 또…, 즉 애초에 절대공간이란 것은 없다는 게 아닐까? 상대적일 걸세. 분명히.
상대적인 공간이라..
또 하나. 빛의 매질 에테르. 에테르가 존재한다면 태양에서 오는 빛은 구불구불할 거야.
그런데 그렇지 않네. 즉 에테르라는 가설에 문제점이 존재함을 뜻하지.
근데 빛의 존재 자체가 증거 아닌가? 실제로 오고 있지 않나!
혹시 모르지 않은가? 에테르가 곧 절대공간일지? 맥스웰도 그랬지.
엉터리야. 자넨 맥스웰 방정식을 처음부터 다시 들여다봐야 할 것 같군. 생각해 보게 친구.
지구는 움직여! 한번 거울을 들여다 보세. 에테르가 존재한다면 반사된 자네의 몸은 흔들릴 테지.
실제론 그렇지 않아. 안 그런가?
이런, 시간이 늦었군. 자네 마누라가 몹시 분개할 걸세. 빨리 가보게나.
곧 얼마 지나지 않아 빛의 에테르 존재 여부에 대한 실험인 미켈슨-몰리 실험으로 인해 에테르는 존재하지 않음이 밝혀지게 된다.
신기한 일이다… 빛의 매질이 없다고? 그렇다면 빛은 무엇을 타고 오는 거지?
빛은 도통 알 수 없는 존재야… 파동인데 매질이 없다? 비상식적인 일이다..
거울엔 내가 비치지. 당연한 이치.
전속력으로 달리고 있어도 비친다.
속도가 점점 빨라진다..
빛의 속도에 근접한다면? 이번에도 거울엔 내가 비친다?
틀렸다.
빛이 파동이라고 가정한다면 거울에 빛이 도달하는 일은 없게 된다. 마치 바다에서 앞으로 나아가는 배가 만들어내는 파동처럼 말이다.
그렇다면, 나는 빛의 속도로 움직이고 있는 얘기인가?
어라? 잠깐. 이상하다. 내가 움직이고 있다는 걸 어떻게 안 거지? 알 수 없어야 하는데?
잠시 단순화해보자.
나는 사방이 어둡고 완전히 밀폐된 상자 안에 존재한다고 가정하자.
손전등으로 거울에 빛을 쏘아본다. 내 모습이 보이지 않아.
즉 내가 빛의 속도로 움직이고 있다는 얘기.
방금 나는 빛의 속도로 이 상자의 움직임에 대한 정보를 얻어냈다.
흠.. 분명 관성계에서 관찰자의 구별이 불가능하다고 했는데..?
나는 바깥의 정보를 몰라도 내 상태에 대해 알 수 있군.
이것은…
모순이다! 갈릴레이의 상대성 이론에 위배되어버려.
모든 공간. 관성계는 공평해야 한다. 즉 이런 현상은 존재해선 안돼. 말도 안 되는 일이다.
맥스웰 방정식에서 빛의 속도는 기준이 없다고 했다. 어떠한 상태라도 무조건 같은 속도.
내가 빛의 속도로 움직여도 빛은 여전히 30만 km/s이어야 해.
즉 거울에 반사되고 나는 거울에 비친 내 상을 볼 수 있어.
이러면 모순이 없어진다. 상대성 원리에 위배되지 않아.
그래 이거지. 그래도 뭔가…
어떠한 상태라도 빛의 속도에 변함이 없다고? 언제나 생각해 봐도 이상해. 비상식적이야.
모든 관성계에서 운동은 상대적으로 표현되며 모든 관찰자는 서로를 구별할 수 없다는 상대성 원리.
빛의 속도는 기준이 없다는 광속 불변 원리.
빛… 너는 무엇이냐? 일반적인 상식을 기반해서 빛을 취급하면 안 될 것 같다는 직감이 느껴진다.
빛… 관찰자… 빛… 관찰자…
나는 어느 절벽에서 서있다.
그리고 저기 먼 왼쪽 너머에서 기차가 달려오는 것이 보인다.
빛과 비슷한 속도로 움직이고 있군.
기차가 달리던 와중 그 중간에서 갑자기 번개가 쳤다.
음. 빛이 왼쪽에 먼저 도달했겠군.
근데 빛의 속도는 절대적이었지? 그럼 기차 안에서는?
기차 중간에서 같은 거리에 빛을 감지하는 센서가 있다 난 기차 안 그 중간에 서있다.
번개가 똑같이 중간에서 쳤다. 기차 오른쪽 왼쪽에 동시에 빛이 도달했겠군. 어라?
잠깐..
기차 밖과 안에서 빛의 도달 타이밍이 다르다.
기차 밖에서 멈춰 있는 관찰자 A. 내 시점이다.
기차 안에서 빛의 속도에 근사한 속도로 움직이고 있는 관찰자 B.
A 입장에서 분명 왼쪽에 먼저 빛이 도달했고 B 입장에서는 양쪽이 동시에 도달했다.
이상해. 나의 동시와 저들의 동시가 다르다고? 상대성 원리에 따르면 모든 관성계는 똑같아야 한다.
A가 보는 시점과 B가 보는 시점. 보는 시점에 따라 상황이 다르다?
서로 움직이고 보는 시점에 따라 다르다? 절대공간은 틀렸다! 공간 또한 상대적인 거야!
침착하자. 다시 생각해 보는 거야.
여기 특별한 시계가 두 개 있다.
이 시계는 광자의 왕복으로 시간이 측정된다.
시계 1. 정지한 상태.
시계 2. 빛과 비슷한 속도.
나는 이 두 시계를 바라보고 있다.
어떻게 보일까?
광속 불변의 원리. 내 입장에서는 두 시계의 광자 속도는 같아야 하므로 왕복 주기가 달라질 수밖에 없을 것이다.
시계 2에서 광자는 왕복 주기가 매우 느리다.. 이미 빛의 속도니까.
시계 1과 같은 왕복 주기를 가질 순 없다. 빛의 속도를 뛰어넘어 버릴 테니.
만약 시계 안에서 광자를 측정한다면…
시계 1이나 시계 2이나 같은 왕복 주기를 관찰했겠지.
거리는 시간과 속도의 곱. 속도는 절대값이므로 시간이 변해야 한다.
안에서 관찰하는 나의 시간은 평범하게 흘러간다.
바깥에서 관찰하고 있는 내 입장에서는 저 시계 2안의 광자가 느리게 왕복하고 있다.
즉 바깥에서 볼 때, 시계 안의 시간이 느리게 흘러간다고 볼 수 있을 터..
바깥 관찰자의 시간과 안의 관찰자의 시간이 서로 다르다?
허… 시간 또한 상대적이란 말인가?
갈릴레이의 상대성 원리와 광속불변의 원리. 이 두 원리만으로 특수상대성이론을 유도해낸 아인슈타인입니다.
뉴턴의 절대공간과 절대시간은 틀렸음을 사고실험을 통해 논리적으로 발견하고 당시 시대에 엄청난 파급력을 주었습니다.
이어 이를 기반으로 중력에 대한 사고를 시작할 것입니다.
중력이라는 놈은 등잔 밑에서 숨어 있었습니다.
진실은 언제나 가까운 곳에 존재합니다.
뉴턴이 있으라! Q.E.D
'상대성 이론' 카테고리의 다른 글
| 아인슈타인 상대성이론 PART – 3 [시간지연 유도] (0) | 2023.07.28 |
|---|---|
| 아인슈타인의 상대성 이론 PART - 1 [이상한 빛] (2) | 2023.07.12 |
