자.. 계속해서
과학인사이드 이어갑니다.
과학스토리텔러
웹진 인저리타임
조송현 대표와 함께 합니다.
대표님, 어서 오세요~
안녕하세요.
01 자, 이 시간에는
상대성이론의 세계,
함께 탐험하고 있습니다.
상대론 오디세이~
오늘 여섯번째 시간인데요.
Q1. 지난 순서까지
특수상대성이론의 골간을 이루는
'광속 불변의 원리'와
'상대성 원리'의
기초를 세워봤어요.
상대성 원리에
빛의 속도를 적용하니까
신기하게도 광속불변의 원리가
자연스럽게 유도되더라..
이걸 아인슈타인이
보여준건데..
아인슈타인이
등장하기 전까지는
물리학자들이 이 부분에서
아주 곤란을 겪고 있다구요?
> 맞습니다.
당시 물리학자들은 광속불변의 원리와
갈릴레이의 ‘상대성 원리’가 충돌한다고 여겼어요.
그건 바로 속도합산 정리와 상대성 원리를 혼동한 때문인데요,
속도합산 정리는 상대성 원리에서 도출된 간단한 정리입니다.
이를테면 앞에서 예로 든 무빙워크 위에서 걸어가는
관광객 속도(보도에 서 있는 사람 기준으로)는
‘무빙워크 속도 + 관광객 속도’로 계산되죠.
그런데 이 정리가 빛에는 적용되지 않아
혼란이 빚어진 겁니다.
그래서 광속불변의 원리와 상대성 원리가 충돌하니 둘 중에
하나를 버려야 하는 게 아니냐며 아우성이었던 거죠.
Q2 바로 이 문제를 멋지게 돌파해낸 게
바로 아인슈타인이었구요.
-> 그렇습니다.
광속불변의 원리가 상대성 원리와 충돌하는 게 아니라
빛에 대한 속도합산 법칙이 잘못 적용됐다는 걸
처음 깨달은 사람이 아인슈타인입니다.
거기에는 기존의 시간 개념에
근본적인 문제가 있다는 사실을
통찰했던 것이지요.
Q3. 드디어 시간이라는 개념이 등장을 하는군요.
> 네. 오늘 주제를
‘시간은 우주 곳곳마다 다르게 흐를 수 있다’로
잡아봤어요.
혁명적 천재 아인슈타인이
기존의 시간 개념을 뛰어넘어
어떻게 새로운 접근과 통찰을 보여줬는지
오늘 함께 좀 짚어보겠습니다.
이게 특수상대성이론 이해의 핵심 길목이니까요.
Q4. 네. 일단 '기존의 시간 개념에 근원적인 문제가
있다는 사실을 깨달았다' 말씀을 해 주셨는데..
시간이 시간이지..
뭐가 더 필요하지? 싶긴 합니다.
하나씩 차근차근 짚어볼게요.
우선 그때까지의 시간 개념부터
짚어보는 게 순서겠죠?
-> 네. 그 당시까지는 뉴턴의 절대시간과 절대공간이 신봉됐지요.
절대시간은 ‘스스로 존재하며 외부의 어떠한 것과도 관계가 없이
자신의 본성에 따라 늘 똑같이 흐른다.’
절대공간은 ‘자신의 본성에 따라서 스스로 존재하며,
외부의 어떠한 것과도 관계가 없고,
늘 똑같으며 움직이지 않는다.’로 정의되었습니다.
사실 이 절대시간, 절대공간 개념은
추상적인 가설이라며 많은 비판을 받은 것도 사실입니다.
Q5. 어떤 조건에도 변함없는
절대적인 시간과 공간이 존재한다는 건데요.
일단은 상식선에서 동의가 됩니다.
그런데 이게 틀렸다는 거잖아요.
아인슈타인의 생각이 궁금합니다.
> 네. 다시 아인슈타인이 새로운 시간 개념을 통찰한
순간으로 들어가보겠습니다.
상대론 오디세이를 시작할 때 언급한 아인슈타인의 공명판 역할을 해준
친구 미셸 베소를 기억하시나요?
1905년 봄이었습니다.
광속불변의 원리와 상대성 원리를 융합시키는 방법을 고민하던 아인슈타인이
베소를 찾아가 고민을 털어놓았다고 해요.
두 사람은 몇 시간 동안 토론했는데,
절대시간과 절대공간 개념이 ‘빛의 속도가 일정하다’는
맥스웰방정식의 결론과 상충한다는 데까지 이르렀다고 해요.
그러나 더는 진전되지 못했지요.
Q6. 뭔가 문제가 있는데..
그게 뭔지는 모르겠다..
그런데 오래지 않아
이걸 돌파해내죠?
-> 아인슈타인이 집에 돌아가기 위해 베른 역에서 전차에 올랐을 때였습니다.
전차가 베른 역을 빠져나갈 즈음 역사 쪽으로 뒤돌아보았는데,
시가지에 우뚝 솟아있는 시계탑을 보았습니다.
순간, 전차가 시계탑으로부터 빛의 속도로 멀어진다면
어떤 상황이 벌어질 것인가를 상상해보았습니다.
어떤 일이 일어날까요?
Q7. 글쎄요. 전차가 빛의 속도로 달린다면 시계탑의 시계 바늘은
사실상 멈춘 것과 다름없지 않을까요?
-> 훌륭합니다.
아인슈타인과 같은 답을 내신 거예요.
아인슈타인 역시 시계탑의 시계 바늘이 정지한 것으로 보일 것이라고
순간적으로 깨달았습니다.
그렇게 깨달은 이유가 있습니다. 뭘까요?
Q8. 영화 엑스맨에서 봤는데..
빛의 속도로 달리는 퀵실버라는
초능력자가 나오는거든요.
이 친구가 빛의 속도로 달리면
세상 모든 게 멈춘 것처럼
느려지더라구요.
당연히 사람들 눈에는 퀵실버가
보이질 않구요.
마찬가지 아닐까요?
-> 네. 일견 맞습니다.
빛이 빛의 속도로 달리는 전차 혹은 퀵실버를
따라오지 못하기 때문에 사람들 눈에는
보이질 않겠죠.
초침이 12에 있을 때 전차가 빛의 속도로 달리기 시작했다면
그 이후 초침이 1로 갈 때
초침을 비춘 빛은 전차에 탄 아인슈타인에 도달하지 못하겠죠.
아인슈타인 눈에는 12에 있는 초침만 보이는 거죠.
그러니 아인슈타인 눈에는 시계탑의 시계는,
혹은 시간은 정지한 것처럼 여겨지는 겁니다.
그렇다면 전차에 탄 아인슈타인이 자신의 시계를 들여다보았습니다.
시계는 보통처럼 잘 가고 있을까요?
아니면 베른 시가지 시계탑의 시계바늘처럼 멈추었을까요?
Q9. 전차 안이라면
상황이 다르지 않을까요?
시계가 정상적으로
작동하지 않을까 싶습니다.
-> 맞습니다. 아인슈타인이 시계를 들여다보니
시계 바늘이 정상적으로 움직였습니다.
자, 또 문제입니다.
베른 시가지 시계탑을 지키는 시계탑지기가
시계탑의 초침이 움직이는지를 살펴본다고 가정합시다.
시계탑지기가 볼 때 시계는 제대로 갈까요,
멈춰 있을까요?
Q10. 시계탑지기 눈에도
시계탑의 시간은
정상적으로 흘러가겠죠.
우리가 지금 시계를
보고 시간을 확인하는 것과
마찬가지로요.
-> 맞습니다. 가만히 있는 시계탑 시계나
빛의 속도로 움직이는 아인슈타인의 시계나 꼭 같이 흐릅니다.
이게 바로 ‘상대성 원리’이죠.
‘물리법칙은 가만히 있는 관성계나
이와 일정하게 상대운동하는 관성계에서나 꼭 동일하다’.
이게 갈릴레이의 상대성 원리이니까요.
Q11. 아인슈타인의 시계도
시계탑지기의 시계도
시계 주인의 눈 앞에서는
정상적으로 작동을 하는데..
하지만
아인슈타인이
시계탑을 바라볼 때는
얘기가 달라진다..
이 말씀이로군요.
그래서
‘시간은 곳에 따라 다르게 흐를 수 있다'
-> 맞습니다. 이제 우리는 특수상대성이론의 핵심에 다다랐습니다. 상대운동하는 관성계는 제각각 자신들은 정지해 있고, 다른 관성계가 움직인다고 생각합니다. 시계탑 입장에서는 자신은 정지해 있고 전차가 움직이지만, 전차 안의 아인슈타인 입장에서는 자신은 가만히 있는데 시계탑이 빛의 속도로 멀어집니다.
Q12. 결국 절대적인 시간 같은 건 없다는 말씀~
-> 맞습니다. 다만, 나를 기준으로 할 때 나와 상대적인 운동 속도에 따라 그곳의 시간의 흐름 속도가 다르다고 생각할 수 있다는 겁니다. 뉴턴의 절대시간이 내가 있는 곳의 ‘시간 흐름’이나 나와 상대운동하는 보이저 2호 안의 시간 흐름이 똑 같다고 한 것과는 엄청난 개념 차이죠. 뉴턴의 절대시간 개념을 뒤엎은 거죠. 다음날 아인슈타인은 베소를 찾아가 이렇게 말했습니다. “고마워, 이제 문제를 완전히 해결했네. 답은 시간의 개념에 대한 분석에서 나왔다네. 시간은 뉴턴의 절대시간처럼 절대적으로 정의될 수 없는 것이었어.”
Q13. 아인슈타인이 16세 때 ‘빛과 나란히 달리기’ 상상에서 마침내 새로운 시간 개념의 창안이라는 엄청난 발견을 해내는군요. 시간 흐름과 관련해 이것 하나는 기억해두어야 겠습니다. 아인슈타인이 자신이 탄 전차가 빛의 속도로 달리면 시계탑의 시계바늘이 정지한 것으로 보일 것이다. 왜냐하면 시계탑에서 오는 빛의 전차의 아인슈타인에게 도달하지 못할 것이기 때문에. 그러나 아인슈타인의 시계는 정상적으로 간다. 다음 시간에 또 흥미로운 상대론 이야기를 기대하겠습니다.
자.. 그럼 여기까지 할까요?
조송현의 과학인사이드
상대론 오디세이 편
지금까지 과학스토리텔러
조송현 대표였습니다.
귀한 말씀 감사합니다~
<pinepines@injurytime.kr>
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