[물벽깨-1] 특수상대론은 무엇인가

물리는 어렵지 않습니다. 단지 관심과 그에 맞는 시간을 요구할 뿐...

특별기획 물리의 벽을 깨라!-제 1회 기획글입니다.

먼저 연당선생의 홈페이지에는 실체진실의 장이라는 코너가 있습니다. 이에 대해 반론하기 전에, 특수상대론이 무엇인가를 알아봐야 하겠지요. 먼저 특수상대론이 무엇인지 알아봅시다.



특수상대론은 무엇인가요?

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특수상대론은 '특별한 상황에서 적용되는 상대론'입니다. 특별한 상황이란 우리가 지구위에 서 있도록 해 주는 중력이 없는 경우를 말하지요. 여담이지만 물리학자들에게 이 중력이란 놈처럼 여러곳에 산재하면서 골치아픈 녀석도 없습니다. 과학쪽에 관심이 있는 사람이라면 다 알고 계실 통일장이론에서 유일하게 마지막까지 해결하지 못한 녀석이 중력이지요. 지금은 해결 되었는지 모르겠습니다만...

다시 돌아와서, 특수상대론이 등장하게 된 이유는, 빛(전자기파)의 속도가 일정하게 관측되어야 한다고 전자기학이 예측하였기 때문입니다. 자, 상식적으로 생각해 봅시다. 100키로로 달리고 있는 도주차량이 있습니다. 이 자동차를 50키로로 쫓아가는 경찰차에서 바라보면 당연히 이 도주차량의 속도는 50키로로 보여야 하겠지요. 그런데 빛의 경우에는 그렇지 않더라는 말입니다. 50키로로 쫓아가서 바라보더라도 여전히 100키로로 도망가고 있는 것처럼 보인다는 것이지요.(경찰관 입장에서는 통탄할 노릇이군요) 더 나아가서, 이 도주차량을 1키로로 쫓아가던지, 99키로로 쫓아가던지 이 도주차량은 계속 100키로로 도망가는 것처럼 보인다는 것입니다. 그러니까, 누가 쫓아가더라도 이 도주차량을 잡을 수 없다는 것이 전자기학이 예측한 현상입니다.(전자기학에서는 이 도주차량이 빛입니다.)

여기까지는 이해하셨죠??

원래 전자기학이 예측한 상황은 이게 아니었습니다. "누군가가 측정하기에 빛의 속도는 항상 c이다"였지요. c는 초속 299,792,458미터로, 우리가 자주 쓰는 키로미터 단위로 환산하면 초당 약 삼백만 키로미터가 됩니다. 이 속도는 1초만에 지구 둘레의 일곱배 하고도 반을 돌 수 있을 정도로 빠른 속도입니다.(80일간의 세계일주에서 포그씨가 80일동안 지구 한바퀴를 겨우 돈 것을 생각하면 이건 그야말로 혁명적(?)인 속도이지요.) 그래서 '광속'이란 단어는 매우 빠른 속도를 일컫는 일반명사로 쓰이기도 합니다. '광속으로 갔다와라'는 말에서처럼 말이지요. 그런데, 이 광속이 "누가 측정하기에 항상 c인가?"라는 의문이 남습니다. 누구일까요?

옛 사람들은 이 누군가가 "완전히 정지해 있는 사람"^[각주:1]이라고 생각했습니다. 초등교육때부터 계속적으로 주입된 과학교육으로 아시다시피, 지구는 멈추어 있지 않아요. 지구는 태양 주위를 돕니다(이를 서로 돌고 있다고 해서 공전이라고 부릅니다.). 자체적으로 돌고 있기도 하구요(이를 스스로 돈다고 해서 자전이라고 부르지요.). 그래서, 옛 사람들은 지구 위에서 빛의 속도를 측정할 수 있다면 이 빛의 속도는 c가 아닐 것이다라고 결론내렸습니다. 100키로로 달리는 자동차들만 가득한 고속도로에서 90키로로 달리고 있을 때, 반대편의 차는 매우 빠르게 지나가지만 주변의 차는 천천히 앞으로 지나가는 것처럼, 빛의 속도도 방향에 따라 다르게 느껴질 것이라는 것이었지요. 논리적으로는 전혀 문제될 부분이 없어 보입니다. 하지만, 실제 자연 현상은 그럴까요?

이런 느낌입니다.
(스캐너가 없어요...ㅠㅠ 디카 사진입니다.)

실제로는 그렇지 않았습니다. 마이켈슨-몰리 실험에서 "지구에서 측정한 빛의 속도는 방향에 상관없이 일정하다"는 결론이 내려진 것입니다.(이 실험에 대한 자세한 설명은 다음에 다른 글에서 하겠습니다. 이게 할 말이 상당히 많은 흥미로운 주제이거든요.) 패닉이지요. 쉽게 설명하자면, 위의 고속도로에서 달리고 있는데 이쪽의 자동차나 저쪽의 자동차나 같은 빠르기로 지나가는 것처럼 느낀다는 것입니다. 여기서 상식이 깨지기 시작합니다. 왜 빛은 쫓아가도 그 속도 그대로 도망갈까?(여담이지만, 빛이 도둑이었다면 치안유지가 상당히 힘드리라 생각되네요. 무슨 도둑이 다 홍길동이야 -_-)

이에 아인슈타인은 상식 비틀기를 시도합니다. "움직이면 시간이 늘어나고 거리가 줄어든다"는 것이었지요. 단, 주의해야 할 것이 있습니다. 이때 늘어나고 줄어드는 것은 기준이 되는 시간과 거리입니다. 그러니까, 움직이는 녀석의 1초가 제가 보기엔 1.1초인 것이고, 움직이는 녀석의 1미터가 제가 보기엔 0.9미터인 것이지요. 그러면 제가 관측한 55초는 움직이는 녀석에게는 50초처럼 느껴지는 것이고(수정)제가 관측한 50초는 움직이는 녀석에게는 55초처럼 느껴지는 것이고, 제가 관측한 50미터는 움직이는 녀석에게는 45미터로 느껴지는 것이지요. 환율에 빗대어 설명해 보자면, 1 달러의 값(측정하는 값-미터나 초가 여기에 해당합니다.)이 1100원(자연상태의 값-아직 측정하지 않은 거리나 시간입니다.)이었는데 줄어들어 1000원이 되어 버리면, 실제로는 전혀 변하지 않은 5만 5천원이 50달러였다가 55달러로 늘어나는 것과 같은 이치입니다. 이렇게 기준이 되는 시간과 거리가 늘어나고 줄어들기 때문에, 실제 관측값은 줄어들고 늘어나게 됩니다. 이 부분이 오해하기 가장 쉬운 부분입니다. 이제 다시 돌아가 보지요.

속도는 다들 알다시피 이동거리를 시간으로 나누어 정의합니다. 이런 분수에서 분자(윗 부분)를 키우고 분모(아랫 부분)를 줄이면 분수는 커지게 됩니다. 위처럼 관측된 거리가 늘어나고 관측된 시간이 줄어들면 분수의 분자가 커지고 분모가 작아지면 분수의 크기가 커져, 속도가 늘어난다는 것이었지요. 이 늘어나는 정도는 정말 절묘하게 설정되어 있어서, 빛의 속도는 쫓아가는 정도만큼 그 속도가 정확히 늘어나서 그 속도 그대로 유지된다고 설명하는 것입니다.^[각주:2]

이정도 수학은 중학교때 배우지 않나요?

이것이 특수상대론입니다. 최대한 쉽게 설명해 보려고 했는데, 이해하기 쉬웠는지는 잘 모르겠네요.^[각주:3]

재미있는 것은, 이런 가정을 처음으로 한 사람은 아인슈타인이 아니라는 것입니다. 이런 가정을 처음으로 한 사람은 네덜란드 사람인 핸드릭 안톤 로렌츠(Hendrik Antoon Lorentz)였습니다. 애석하게도 이 분은 위의 "완전히 정지해 있는 사람"이 있을 거라고 생각해서 특수상대론에 다다르지는 못했지요. 그래도 이 사람이 만든 로렌츠 변환은 아직까지도 살아 남았습니다.(변환이란, "A라는 사람이 관측한 C라는 사건을 다른 B라는 사람은 어떻게 볼까"라는 질문에 답하기 위해 만들어진 수학적 과정을 말합니다.) 이제 이처럼 상식을 약간 비튼 일이, 얼마나 상식에서 벗어나는지는 다음 글에서 알아보겠습니다.


덧1. 원래 이 글은 다음 글과 같이 포스트하려고 공개를 미루었던 글인데, 공개가 너무 늦어지는 것 같아서(^-^;;) 지금 공개합니다. 다음 글은 사진만 구하면 금방 금방 쓸 것 같으니(기말이 코앞이긴 하지만 -_-;;) 오래 기다리실 필요는 없을 겁니다 ^^;;

덧2. 특수상대론이 문제가 아예 없는 이론은 아닙니다. 물론 상대론 자체에는 문제가 없지만, 이게 전자기학과 연계되는 과정에서 문제가 만들어지게 된다고 해야겠네요. 이에 대한 것은 나중에 다루겠습니다.

1. 옛 사람들이 도입했던 개념인 '에테르'를 아시는 분이 있으련지 모르겠네요. 이 '에테르'가 보기에 멈추어 있는 사람이 '완전히 정지해 있는 사람'입니다. [본문으로]
2. 정확히 말하자면 이건 상대론이 아닙니다. Preferred reference Frame Theory(PFT)에 해당하는데, 현 시점에서는 따로 구분할 필요는 없어 보이니 그냥 그대로 진행하도록 하겠습니다. [본문으로]
3. 제가 설명을 하면서 한가지 빼먹은 것(상대성)이 있는데, 이것에 대해서는 다음 글에서 말해야 할 것 같습니다. 상대성에 대해 간단히 말하자면 '관성 운동(가만히 움직이거나 멈춰있는 운동)을 하는 관찰자들이 관측하는 물리법칙은 동일하다' 입니다. 역시 다른 글에서 설명하는게 낫겠네요. [본문으로]