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아인슈타인의 상대성 이론 PART - 1 [이상한 빛] 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]
알베르트 아인슈타인 독일 태생의 이론 물리학자입니다.
지구 역사상 가장 위대한 인물 중 하나이지요.
imagination is more important than knowledge.
- Albert Einstein
지식보다 중요한 것은 상상력이다. - 알베르트 아인슈타인
그는 1879년 3월 14일 독일에서 태어났습니다. 유명한 업적으로는 브라운 운동의 설명, 광전효과, 세계에서 가장 유명한 공식인 질량 에너지 등가 식, 특수 상대성 이론 등이 있습니다.
위에서 언급한 업적은 1905년 "기적의 해(annus mirabilis)"라고 불리는 날에 과학 저널인 《물리학 연보》(Annalen der Physik)에 발표한 4편의 논문으로 출판되었습니다.
이것은 과학적 혁명을 일으킬 만하고도 남았습니다.
이후 일반 상대성 이론이 발표되며 현대 물리학의 기초를 정립하게 됩니다.
논문의 4편 중 첫 번째 편인 광전효과는 노벨 물리학상을 받게됩니다.
아래는 더보기는 아인슈타인 생 전 목소리를 녹음한 것입니다.
관심이 있다면 한 번 들어보시길 바랍니다.
이번 글에서는 4편의 논문 중 상대성 이론의 특수 상대성 이론("Zur Elektrodynamik bewegter Körper"(움직이는 물체의 전기 역학),[einstein 3])에 대해서 써보려합니다.
상대성이론 PART - 1에서는 특수 상대성 이론이 어떻게 세상에 나오게 되었는지, 역사를 통해 이해하여 이론의 설명을 이어가겠습니다.
이론 탄생 계기
잔잔한 호수에 돌을 던지면 퍼져나가는 파동이 보인다. 이 파동은 '무엇' 때문에 퍼져나가는 것인가?
바로 '매질'이다.
그렇다면 '빛'은
파동인가?
아니면
입자인가?
상상해보라.
빛이 만약 입자라면 왜 '회절' 현상이 일어나는가?
파동이라는 뜻인가? 그렇진 않다.
빛이 파동이라면 왜 구름의 빛 내림(틴들 효과)이 가능한가?
축구에서는 날아오는 축구공이라는 입자를 골기퍼는 잡아낸다. 빛 또한 손으로 가릴 수 있다.
정리하면 빛은 파동 처럼 회절하며 입자 처럼 가릴 수 있다는 결론이 나온다.
엄밀이 말하자면 빛도 회절하여 가릴 수 없기도 하다. 허나 이는 파장이 매우 길어야 한다.
빛은 파동으로 보아도 될 것이다.
그렇다면 빛 또한 매질을 타고 전달될 것이 분명하다.
과거 물리학에서는 이 수면파 또는 음파 등이 진행하기 위해서는 매개물(물, 공기)가 필요하듯 빛이 또한 진행하기 위해 '광학 에테르'라는 매질이 필요하다고 결론지었다.
음파는 공기가 존재하는 곳에서만 진행하지만 빛은 진공 환경인 우주에서도 진행한다. 그래서 에테르라는 빛의 매개물이 존재 해야한다고 생각한 것이다. 이 당시 검증은 없었다. 왜냐면 확인할 길이 없었으니까!
맥스웰이라는 과학자는 전자기파가 상수로만 이루어진 속도를 가졌다는 이상한 사실을 발견했다. 이는 속도의 기준이 없다는 것인데, 이상하게도 빛의 속도와 전자기파의 속도가 같음을 발견한다. 즉 빛은 전자기파에 속한다고 볼 수 있었다. *이에 대해 또 포스팅 하겠다.
이제 이 에테르의 존재 여부를 확인해야한다.
그렇게 진행된 실험. 1887년, 2명의 야심찬 실험가인 앨버트 마이컬슨(Albert Abraham Michelson)과 에드워드 몰리(Edward Morley)에 의해 수행된 인류 역사상 가장 위대한 실패. 마이켈슨-몰리 실험이다. 이 실험 관련해 나중에 또 포스팅 하겠다.
이 실험에서 빛은 어떠한 상황이더라도 속력에 변함이 없다라는 결론을 얻게 된다. 즉 에테르란 존재하지 않았다.
여기서 하나 의문이 든다. 공간과 시간도 과연 절대적일까? 직관적으로는 변함 없어보인다.
*이것은 아주 중요하다. 뉴턴의 절대공간, 절대시간에 대해서 설명해야하므로 다음 파트에서 설명 하겠다.
당시 빛의 속도에 대해 진지한 사고를 하는 사람은 없었다. 그러나 누구보다도 순수하게 이를 받아들이는 사람이 존재했다.
젊은 아인슈타인은 광속불변 원리와 갈릴레이의 상대성 원리의 가정만으로 사고실험을 준비한다.
뉴턴이 있으라 Q.E.D.
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