<상대성이론이란 무엇인가> 두번째 후기

곰곰
2019-10-05 13:12
160

<상대성이론이란 무엇인가> 두번째 시간이다. 이번 시간에는 아쉽게도 도도샘이 회사일로 참석을 못하셨지만, 그래도 일곱명이나 되는 세미나원들(지금샘, 무담샘, 잎사귀샘, 삼단샘, 아나샘, 그리고 저까지)이 있어 든든한 세미나였다 🙂

 

지난 주에 이어 특수상대성이론에 대한 내용이 연결된다. 

갈릴레오부터 뉴턴까지의 우주에서는 속도는 상대적인 반면 시간은 절대적인 것으로 이해되었다. 운동, 즉 속도는 상대적이다. 무언가가 얼마나 빨리 움직이고 있는지 알고 싶다면 ‘무엇을 기준으로?’ 했는지를 먼저 생각해야 한다. 관찰자의 운동상태에 따라서 각자가 느끼는 대상의 속도는 모두 다르다. 그러나 시간은 절대적이라 믿었다. 무엇을 기준으로 하든 달라지지 않고 오직 하나로만 존재하는 것이었다.

그러나 아인슈타인의 우주에서는 빛의 속도라는 단 하나의 속도만 절대적이고, 시간은 상대적인 것이 되었다. 관찰자의 운동상태에 따라서 각자가 느끼는 대상의 시간이 모두 다르다는 것. 그는 시간이 절대적이지 않고 상대적임을 깨달았다.

 

맥스웰과 로렌츠의 선구적 연구 덕분에 아인슈타인은 빛의 속도가 불변이라는 사실을 알고 있었다. 빛의 속도는 변하지 않는다. 빛의 속도는 모든 관찰자에게 똑같다. 절대적이다. 그리고 그 속도는 진공에서 대략 초속 30만km다. 빛의 속도는 관찰자의 운동상태에 따라 상대적으로 달라지지 않는다. 빛의 속도를 측정하는 관찰자는 자신의 기준틀이 무엇이든 간에 누구든 초속 30만km라는 속도를 얻게 된다. 그것 참 신기하다.

 

아인슈타인은 앞선 과학자들에 의해 얻어진 여러 실험 결과들과 수식들을 통합하여 잘 설명함으로써 당시 과학계의 난제들을 풀어내며 위대한 도약을 이루어냈다. 그는 빛의 속도(속도=거리/시간)가 불변량(절대값)이 되려면 무언가가 탄력있게 변해야 함을 알았고 그것이 바로 시간이었다. 아인슈타인은 각각의 기준틀이 자신만의 시계를 가지고 있고, 그 시계들은 서로 다른 속도로 돌아간다는 사실을 깨달았다. 시계는 특정한 조건 아래서 속도가 느려진다. 특수상대성이론에서 아인슈타인은 운동, 혹은 속도가 시간의 측정에 어떻게 영향을 미치는지 설명했다. 그리고 일반상대성이론에서는 중력과 가속 또한 시간의 측정에 영향을 미친다는 사실을 설명했다.

 

이번 파트에서는 특수상대성이론의 특성으로 만들어지는 현상들과 이를 입증하는 실험들에 대해 얘기한다.

1) 기준틀(관찰자의 상태)에 따라 시간이 달라지는 현상.

우주선 안에 광자시계(빛이 천장과 바닥을 직선 거리로 오가면서 똑.딱.똑.딱.)가 있다고 해보자. 이 우주선이 빠른 속도로 등속운동을 하면, 정지해 있는 다른 사람이 보기에 광자시계는 위아래 직선거리가 아니라 비스듬하게 삼각형 모양으로(즉, 더 긴 거리로) 움직인다. 그런데 빛의 속도는 누가 측정하든 언제나 똑같다고 했으니 더 긴 거리를 가는 빛은 시간이 더 많이 걸린다. 똑.딱. 소리는 똑….딱….똑….딱…. 소리가 된다. 이를 시간 지연, 시간 팽창이라 한다. 

 

2) 기준틀에 따라 시간이 달라지므로, 거리(길이)와 질량이 달라지는 현상.

빠른 속도로 움직이는 사람에게 시간은 더 느리게 흐른다. 그러므로 그 시간동안 움직이는 거리는 (진행방향으로) 더 짧아지고, 이를 관찰하는 정지상태의 다른 사람은 그 사람의 몸이 (진행방향으로) 납작해지는 것을 발견하게 된다. 이를 길이수축이라 한다. 또 똑같은 힘으로 밀어준다고 가정했을 때, 시간이 더 느리게 흐른다는 것은 더 짧은 시간을 밀어준 것이 되고 가속이 덜 되는 것이 되기 때문에 질량이 더 크다는 것으로 설명할 수 있다. 

3) 기준틀에 따라 사건의 순서도 바뀔 수 있다. 동시성의 상대성.   

상대성이론에서는 다른 기준틀의 관찰자들이 다른 장소들에서 일어난 사건들에 대한 순서를 말할 때, 반드시 같은 의견을 갖지 않는다. 모든 움직임, 사건은 상대적이기 때문에 사건들의 순서나 동시성에 대한 의견이 같지 않은 것이다.

세미나에서 얘기한 권력을 향한 정치인에 대한 비유가 인상적이었다. 외부의 관찰자인 우리가 보기에는 전혀 아닌 정치인이라도 각자의 기준틀에서는 대권까지의 거리가 압축되어 짧게 느껴지는 것은 아닐까? 그렇다면 동시성의 상대성 개념으로 그들을 이해해줘야 하는 것은 아닌가 하고 말이다. 그리고 30여년 전 국군의날 행사의 행진 연습에서 개개인의 동시성을 맞춘다는 것이 얼마나 어려웠던가를 몸소 체험하신 무담샘의 에피소드 역시 재미있었다. ㅋㅋㅋ 

 

어쨋든 이런 식으로 사물을 바라보는 것이 아무래도 낯설게 느껴진다. 특수상대성 이론은 빛의 속도와 비슷한 속도로 움직이는 물체를 다룰 때만 분명해지고, 이런 속도는 일상에서 경험할 수 없기 때문일 것이다. 하지만 느린 속도로 움직이는 일상의 시공간에 대한 우리의 상식은 오직 제한적일 뿐이고, 운동의 완전한 전체 범위에서 온전하려면 시간과 공간의 정의는 수정되어야만 한다. 앞으로 그러한 모순들을 바르게 수정해 나가는 (아주 혼란스러울 것이라 예상되는) 이 작업을 세미나를 통해 잘 해나갈 수 있으리라... 기대해본다. 

 

참, 세미나 말미에 무담샘께서 로렌츠변환을 특수상대성이론으로 이끌어내는 수식을 보여주셨는데.... 아쉽게도 수.알.못 나에게는 큰 의미를 주지는 못했지만, 땀을 뻘뻘 흘리며 화이트보드를 채워 나가시던 무담샘의 모습은 참 아름다우셨다. 감사합니다 🙂

 

 

  • 다음시간엔 3부를 다 읽고 옵니다. (-180페이지) 발제는 삼단샘께서 ^^

 

댓글 4
  • 2019-10-06 22:17

    와아 ~~ 특수상대성이론을 확실하게 요점정리를 해주셨네요
    역쉬 ! 정리의 여왕이네 ^^
    기존에 변하지 않는 절대적인 것으로 알고 있었던 시간이 기준틀에 따라 달라진다는 아인슈타인의 상대성의 원리는 우리가 일상에서는 도저히 알아챌수 없는 일이었죠.
    그러나 이런 우주의 원리, 운동의 법칙을 알아냄으로써 우리는 전혀 다른 세상에 살게 되었지요.
    질량이 에너지로 바뀐다는 것을 통해 핵폭탄, 원자력 발전을 만들어 냈고 (물론 태양이 빛나는 것도 그런것이고)
    현대의 모든 전기장치(라디오, TV,휴대전화,컴퓨터 )의 작동을 가능케 한 전자기 등식을 완결시켜 주었지요.

    일상에서 도저히 느끼지 못하므로 모르고 살아도 사실 아무 문제가 없었으나 알고 나니 새로운 세상을 보는 듯 합니다. 물론 완전히는 전혀 아니지만 ㅎ
    또한 모든 것이 (빛을 뺴고) 절대적이지 않다는 것을 인정하는 것이 인간이 세상을 살아가는 출발이겠다는 생각도 해 보았습니다.

  • 2019-10-07 09:38

    곰곰샘의 간결 명확한 정리 감사합니다. 진정 정리의 여왕이십니다. 아인슈타인의 위대한 점은 남들과 다른 자신의 생각을 포기하지않고 끊임없는 사고실험을 통해서 하나의 이론으로 완성했다는데 있는것 같습니다. 다름을 인정하는 것. 요즘 우리 사회에 필요한 것이 아닐까 생각해봅니다.

  • 2019-10-07 14:16

    이번 주 분량을 읽으면서 헤깔려 앞부분을 들춰봐야 했던 부분이 간결하게 설명되어 있으니 한눈에 쏙 들어오네요.
    시간과 공간이 내가 실제로 경험하는 것이 전부가 아님을 알게 되니 충격적인데 기분 좋은 부딪침입니다~

  • 2019-10-08 23:59

    머릿속에 박힌 시간과 공간 개념을 수정하는 것이 얼마나 어려운 일인지 이 공부를 하며 절감합니다.
    후기 감사합니다~

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