상대성이론 - 책 내용(질량과 에너지)

[tjkk]

상대성이론 - 책 내용(질량과 에너지)

이 책 내용은 오래 전에 백진태가 배웠던 ARTHUR BEISER 의 "Concepts of Modern Physics" 의 윤세원 외 5명의 공역판으로 탐구당에서 발행된 책 내용이다. 
아마도 상대성이론의 입문 과정으로서는 아주 쉽게 설명된 내용일 것이다.
[현대물리학. 윤세원외 5명역. 탐구당. 1974. p. 28~34]의 내용들이다. 

이전에 올렸던 내용 중 누락분을 올린다.

[상대성이론과 관측 효과]

1. 상대성이론의 본질 : Lorentz좌표변환식이 Doppler효과의 오류이므로 관측현상일 뿐이다.
2. 음파의 Doppler효과(축 상의 운동일 때 최대)
   (1) 접근
   (2) 이탈
3. 신호의 속도보다 큰 운동체의 관측 방법



[체렌코프 효과(Čerenkov效果, 영어: Čerenkov effect)]

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%B2%B4%EB%A0%8C%EC%BD%94%ED%94%84_%ED%9A%A8%EA%B3%BC

"바빌로프-체렌코프 효과(Vavilov–Cherenkov radiation) 라고도 알려져 있다.
하전 입자(예:전자)가 매질에서의 빛의 위상속도(c = 1/√εμ)보다 더 빠른 속도로 유전체 매질을 통과할 때 전자기파를 방출하는 효과"

여기서 문제는 신호(음파, 빛 등)의 속도는 해당 매질의 특성에 따른다는 것이다. 
음파도 공기 중에서, 물속에서, 철로에서 전파되는 속도가 각기 다르다.
빛도 매질 내에서의 속도가 다른 것을 감안하면, 빛은 “신호일 뿐”이다.

따라서 가속입자와 같은 운동체가 각 매질 내에서 신호(빛, 음파 등)의 속력보다 빠를 경우에는 어떻게 관측이 되고 어떻게 나타내야 할 것인가?를 생각해 보아야 한다.
이것이 백진태의 “신호를 이용한 정확한 관측법”이 나오게 된 이유이다.




[Doppler효과와 역학]

Lorentz 좌표변환식에 의미를 부여한 것이 상대성이론인데, Lorentz 좌표변환식 자체가 빛의 Doppler 효과를 오판한 것이므로 

상대성이론 그 자체도 오류일 수밖에 없다.
Doppler 효과는 관측현상일 수밖에 없고, 시간(주기, 생명 등)으로 나타낸 Lorentz 좌표변환식의 시간식(주기식)을 그 역수를 

취하면(주기와 진동수는 역수 관계이므로) 진동수로 나타낸 빛의 상대론적 Doppler 효과가 되는 것으로 관측현상일 수밖에 

없음을 증명할 수 있다.

따라서 관측 행위는 중요한 것인데, 현대 물리학의 관측법은 가장 기본적인 Doppler효과부터 
이해를 못하고 있다. 
이것의 가장 간단한 이해 방법은 “음파를 이용하여 빛의 속도를 측정” 해 보는 것이다.
가장 손쉬운 예는 번개 빛과 천둥이다. 
이를테면, 우리는 번갯불을 본 (시작)시각(ti)에 초시계를 작동하고, 천둥소리가 들렸을 때 끝난 시각(tf)의 초시계를 작동한다. 

그러면 빛과 천둥소리의 시간(t)은 
                    t = tf-ti
로 나타난다. 
관측자로부터 번개 발생 장소까지의 거리 x 는 고정되어 있으므로 빛과 음파가 관측자에게 도달하는 과정은 
                   ti = x/c
                   tf = x/V     (여기서 c : 광속, V : 음속)
이므로 
                   t = tf-ti = (x/V)-(x/c)
로 나타난다. 
일반적으로 c 가 너무 커서 x/c ≈ 0 으로 보고 t = x/V  로 하는 경우가 많다.
한마디로 번갯불을 보고 10초 후에 천둥소리가 들렸다면 이때의 음속이 340m/sec 라면 번개는 관측자로부터 약 3400m 떨어진 곳에 발생했다고 보는 것이 초등학교 때 배우는 과정이다.

이제 V 가 음파가 아니라 미지의 운동체가 갖는 속력이며, 빛보다 빠르다면 어떻게 관측 가능할 것인가?를 생각해 보아야 한다. 
이제까지 파장 변화나 진동수 측정으로 결정되는 미지 운동체의 속도는 

         “진동수에 (–) 가 되므로 의미가 없어진다”
[大學物理學. 인하大學校 物理學敎室. 인하大學校出版部. 1979]

이렇게 되면, 결국 사용된 신호(여기서는 음파)의 속도보다 빠른 운동체(여기서는 빛)인 경우에는 관측불능이 되는 것이다. 
이것이 현대물리학의 한계이기에 백진태의 “신호를 이용한 정확한 관측법”은 꼭 필요한 과정이라는 것이다.

참고로 말해두자면
               t = tf-ti = (x/V)-(x/c)
인 식에서 x/c 를 무시할 수,
         있다면 Newton 역학이 되고,
         없다면 그것이 날라리 상대론이 추구하는 방향
인 것이 되는데, 이것을 좀 더 설명하자면 이제까지의 Newton 역학은 관측에서 신호인 빛이나 음파의 전달 과정을 

무시할 수 있는 경우이지만, 운동체의 관측에 영향을 줄 만큼 운동체의 속도가 커진다면 관측에 있어서 신호의 전달 과정을 

무시할 수 없다는 것이 상대성이론이 추구하려는 요지인 것이다.




[원자폭탄?]

“질량과 에너지의 또 다른 유도방법” 에서도 알겠지만 수식은 어떻게 해도 만들 수 있다. 
그렇다고 아무데나 E = mc^2 이라고 써 붙이면 그게 원자폭탄이 되는가?
나 백진태는 이 식이 아니라 연쇄반응실험을 성공시킨 이탈리아 출신 물리학자 페르미(Fermi, Enrico, 1901~1954)와 같은 

진정한 의미의 과학자의 공로를 인정하게 되는 것이다.

결국 상대성이론에 의한 원자폭탄의 개발이 아니라 페르미(Fermi, Enrico, 1901~1954)나
1939년 독일의 화학자 오토 한(Otto Hahn, 1879~1968년)과 같은 과학자들의 노력의 결실인 
것이다.
아무렇게나 수식이라고 E = mc^2라고 끄적인 Einstein의 결과물이 아니라는 말이다.
위의 책 본문 “질량과 에너지의 또 다른 유도방법”에서 보듯이 원자핵 반응과 연쇄반응을 
일으키는 물질의 발견이 중요한 의미가 있다는 말이다.