흥미돋 텅 빈 공간에서 연느가 스핀을 돈다면? (존나 쉬운 상대성이론 시리즈 -2편 )

[이게뭔소리여]

2011.6.20이후 적용 자세한사항은 공지확인하시라예

출처:피키캐스트 Curious_Park

http://www.pikicast.com/share/99390

피키 캐스트 글을 올렸더니
에디터 추천해달라는 댓이 있어서 생각해봤는데,
내 기준 그 어떤 역사, 과학 선생님들 보다

나를 잘 이해시켜준 사람이 생각나서 갖고 와 봄.

피키하는 사람들 내에서도 뇌섹남으로 통하고

문과라고 했는데 그 어려운 상대성이론이랑 그런것들

졸라 쉽게 설명해줌.

(존나 물리 1도 모르는 내가 이해했을 정도.)

- 이전글 -

 < 누구나 이해하는 상대성이론 시리즈 1편 >

http://cafe.daum.net/subdued20club/ReHf/1046718

(시리즈이기 때문에 이전글 먼저 읽어보는걸 추천함돵.)

< 누구나 이해하는 상대성이론 시리즈 2편 >

아인슈타인, 희대의 천재 뉴턴에게 도전장을 내밀다

안녕하세요.

Curious Park입니다.

지루해 보이지만,

절대 지루할 수 없는 <아인슈타인의 상대성 이론 시리즈 2편>에 오신 것을 환영합니다.

지난 편에서는, 인류가 시공간의 정체를 파헤치기 위하여 어떤 연구와 이론을 탄생시켰는지에 대해 살펴보았는데요.

'아인슈타인의 상대성 이론은 어떠한 과정을 통해 만들어졌을까?'

오늘은 이에 대한 해답을 들려 드리려고 합니다.

일상 속에는 여러분들이 눈치채지 못하는 아주 재미있는 비밀이 숨겨져 있습니다.

바로 '시공간'에 대한 비밀입니다. 하지만 우리는 그 비밀을 굳이 알려고 하지 않아요. 

재미로 보기에는 머리가 아플 것 같기도 하고, 그 비밀들은 아인슈타인과 같은 천재들만 이해할 수 있을 거라는 착각이 들기 때문이겠죠.

사실은 전혀 그렇지 않은데 말입니다. 

저는 피키 피플에게

우리가 사는 세상에 대한 '놀라움'과 '신비로움'을 전달하고자 합니다.

그리고 이는, 제가 처음으로 이 이론을 접했을 때 느꼈던 희열과 감동을 여러분과 공유하고 싶은 개인적 욕심 때문이기도 합니다.

많은 분들은 상대성 이론을 접하기도 전에 '어려울 것 같아서' 포기해 버리곤 합니다.

이 이론이 어렵게 느껴지는 이유는, 복잡한 수식이 우리를 괴롭히는 것이 아니라 우리가 갖고 있던 기존 상식과 다소 동떨어져 있는 이야기이기 때문이에요.

하지만, 조금만 노력하신다면 여러분은 엄청난 보람을 느낄 수 있으리라 확신합니다.

잡담이 길었네요.

그럼 2편 시작해 보겠습니다.

Let's Go!

지난 편에서 언급한 것처럼, 물리학은

'우리가 살고 있는 세계의 정체'를 밝히기 위해 탄생했습니다.

즉, 시간과 공간의 실체를 파악하는데 도전장을 내민 것이죠.

아인슈타인은 시간과 공간을 한 실체의 일부로 보았습니다.

마치, 동전의 앞 뒷면처럼 말이죠. 시간과 공간이란 뭘까요?

이 둘의 가장 큰 차이점이라면, 우리 눈에는 오직 '공간'만 보인다는 것입니다.

이 세상 만물은 모두 공간 속에 존재해서 우린 그것을 볼 수 있지만 시간은 눈에 보이지 않죠.

즉, 우리는 공간에 더 익숙해져 있다고 볼 수 있습니다.

그리고 이는 아인슈타인이 등장하기 전,

고전 물리학자들에게도 마찬가지였죠. 

그렇다면, 고전 물리학자들은 공간의 정체를 어떻게 생각했을까요?

이를 이해하기 위해, 메이저리그에 진출한

자랑스러운 류현진과 추신수 선수를 만나볼게요.

류현진 선수는 시속 160km의 속도로 추신수 선수에게 직구를 던졌습니다.

추신수 선수 입장에서 보았을 때, 당연히 야구공은 160km의 속도로 자신에게 다가오겠죠.

하지만, 야구공 입장에서 보면 상황은 180도 달라집니다.

야구공에게는 추신수 선수가 자신을 향해

시속 160km의 속도로 다가오는 것처럼 보일 것입니다.

즉, 똑같은 상황인데 2가지(야구공과 추신수) 관점이 존재하는 것이죠.

여러분들은 어떤 관점이 옳다고 생각하시나요?

둘 다 맞습니다.

모든 운동 상태는 '상대적'인 관점에서 비로소 의미를 가지기 때문입니다.

그리고 이러한 과학적 사실들을 뉴턴이나 갈릴레오와 같은 천재들이 몰랐을까요?

몰랐을 리가 없겠죠.

다시 말해 아인슈타인이 상대성이론을 만들기 전에도,

'상대성'의 개념은 물리학에서 중요한 역할을 하고 있었습니다.

그러나 '공간'을 바라보는 시각에 있어

아인슈타인과 이전의 물리학자들에는 다른 점들이 존재합니다.

바로 공간에 대한 정의가 달랐던 것인데요.

예컨대, 김연아 선수가 제자리에서 회전을 하고 있습니다.

근데 김연아 선수가 신고 있는 스케이트에는 작은 개미 한 마리가 앉아 있었고,

우리는 관중석에서 그녀의 공연을 지켜보고 있습니다.

그럼 이 운동을 바라보는 3개의 관측자가 있습니다.

먼저, 김연아 선수 본인의 관점입니다.

그녀가 봤을 때는 자신이 빙판에서 회전하고 있습니다.

개미의 입장에서 보면 자신은 가만히 있는데

'빙판을 포함한 세상'이 회전하고 있는 것처럼 보이죠.

마지막으로 관객의 입장에서 보면 우리는 가만히 있는데

김연아 선수와 개미가 빙글빙글 돌고 있다 생각하겠죠.

즉, 개미와 관객은 같은 상황을 두고 서로 전혀 다른 이야기를 하고 있는 셈입니다. 

각자 

"나는 가만히 있는데 너가 회전하고 있잖아!!!" 

라고 주장하는 것과 마찬가지이죠.

우리는 이 2가지 관점이 모두 옳다는 것을 알고 있어요. 

하지만, 뉴턴은 둘 중 한 쪽의 관점이 다른 쪽보다 더 옳다고 생각했습니다.

뉴턴은 회전을 하고 있는 주체가 김연아 선수라면,

그녀는 '절대공간' 속에서 회전하고 있는 것이고

그녀가 회전을 할 때 양 팔이 당겨지는 힘을 느끼게 될 것이라고 말했습니다.

이해가 되셨나요?

즉, 뉴턴은 어떤 경우라도 운동을 판단할 '기준'이 있다고 생각했습니다.

그리고 그 기준을 '공간 자체' 즉, 절대공간으로 설정한 것이죠.

그럼 하나의 가정을 해볼 수 있습니다.

만약, 이 세상에 아무것도 존재하지 않은 텅 빈 공간에

김연아 선수만 홀로 있다고 상상해볼게요.

여기서 텅 빈 공간이란 단순한 암흑 세계가 아니라

김연아 선수가 디딜 땅도 없고 중력도 존재하지 않는

우주 한 가운데에 있는 '무(無)'의 공간을 의미합니다.

이 상태에서 김연아 선수는 어떤 외부 힘에 의해 회전을 시작합니다.

이 때 김연아 선수는 자신이 회전하고 있다는 사실을 어떻게 알 수 있을까요?

추측해 보세요.

1번) 김연아 선수는 회전을 할 때, 팔이 당겨지는 힘을 받게 되므로

자신이 회전을 하고 있다는 사실을 짐작할 수 있다.

2번) 김연아 선수 주위에는 자신의 회전 운동을 증명할 수 있는

비교대상(물체, 별, 지구 등)이 전혀 없으므로

자신이 회전하고 있다는 사실을 눈치채지 못한다.

만약 1번이라 생각하셨다면,

여러분은 '뉴턴식 사고방식'을 따르고 있는 것입니다.

김연아 선수는 '절대공간'에서 회전운동을 하고 있으니까

그 자체로 팔이 당겨지는 힘을 받게 된다고 생각하신 거죠.

반면 2번으로 생각하셨다면, 절대공간을 부정하는 것과 같습니다.

보통 우주에는 천체나 별들이 존재하기 때문에

우리는 그것들을 기준으로 삼아서 몸의 움직임을 판단할 수가 있죠.

그러나 김연아 선수는 매우 특수한 상황에 처해 있습니다.

김연아 선수 주위에는 아무것도 없으므로

자신이 회전하고 있다고 판단할 수 있는 기준이 하나도 없는 것이죠.

즉, 2번의 관점에서 보면 무(無) 공간에서

어떤 운동을 논하는 것이 무의미해지는 것이죠. 

1편에서 언급했던 것처럼,

아인슈타인은 고전 물리학의 상대성에 대해서도

아주 잘 이해하고 있었습니다.

그리고 그가 집중적으로 연구한 것은 바로 '빛'이었죠.

만약, 아인슈타인의 걸작인 '상대성 이론'을 소재로 하여

스티븐 스필버그가 영화를 만든다면 아마

디카프리오가 아니라 빛을 주연으로 등장시켜야 할 것입니다.

그만큼 빛은 상대성 이론에서 막중한 역할을 하고 있죠.

그리고 이 빛의 정체를 밝히기 위하여 수많은 물리학자들이 일생을 바쳤습니다.

빛의 진실에 대해 한걸음 다가갔던 물리학자를 꼽자면 단연 '맥스웰'입니다.

그는 1800년대 중반에 '전기'와 '자기'를 연구한 사람이죠.

전기는 우리 일상 생활과 너무도 밀접한 용어라

따로 언급하지 않아도 될 듯 한데요. 그렇다면, '자기'는 뭘까요? 

자기장이란 단어도 사실 우리가 초등학교 때 접해봤던 개념인데요.

비행기를 타러 공항으로 가면 소지품 검색대가 있습니다.

제복을 차려 입은 분들이 몸에 손가락 하나 대지 않고,

어떤 기계를 이용하여 몸을 수색하죠.

탑승객이 칼이나 총과 같은 '금속성 물질'을 소유하고 있는지 조사하기 위해서 인데요.

이들은 어떻게 직접 만지지도 않고 이를 알 수 있을까요?

그 비밀은 자기장의 성질에 있습니다.

초등학교 때 했던 막대자석 실험을 기억하실 겁니다.

쇳가루를 자석 주위에 뿌리면, 쇳가루가 특정 패턴을 형성하면서 자석 주변에 배열되죠.

이는 막대자석(사진은 지구) 주변에 '보이지 않은 힘'이 작용하고 있다는 것을 의미하죠.

이것이 바로 자기장입니다. 자기장은 자신의 영역 내에 들어온 금속성 물체에 영향(힘)을 끼칩니다.

그리고 그 힘은 우리 몸과 물건을 그대로 '투과'하는 성질을 갖고 있습니다.

공항 검색대는 일종의 자기장을 발생시키는 기계와 같은 셈이죠.

맥스웰은 이 자기장의 정체를 수많은 실험을 통해 성공적으로 밝혀냈습니다.

그리고 동시대의 물리학자인 '패러데이'는 전기장을 연구하죠.

'번개'를 한번 상상해 볼까요? 번개가 치고 있을 때,

여러분이 나침판을 들고 있습니다.

그런데 번개가 칠 때마다 나침판 바늘이 이리저리 흔들립니다. 

아시다시피, 나침판은 지구의 자기장에 의해 움직입니다.

그런데, 번개는 전기이죠. 이때, 나침판에 왜 번개(전기)가 영향을 줄까요?

패러데이는 이러한 현상으로부터, 

전기와 자기가 아주 밀접한 연관이 있다는 것을 알아냅니다. 

그리고 오랜 연구 끝에, 다음과 같은 결론을 내립니다.

'전기장은 자기장을 변화시키며, 변한 자기장은 다시 전기장의 변화를 초래한다'

바꿔 말하면, 

자기와 전기는 서로 상호보완적인 개념이라는 것입니다.

이러한 사실이 밝혀진 후, 맥스웰은 전기장과 자기장이 서로 얽혀 있기 때문에

이들을 합쳐 '전자기장'이라 불렀습니다.

그리고 전자기장이 발생하는 힘을 '전자기력(Electromagnetic force)'라고 하죠.

여러분이 피키를 하는 것도 전자기장이 있기 때문에 가능한 겁니다.

휴대폰을 제대로 작동시키려면,

여러분들이 살고 있는 통신 기지국 근처에서 전자기파를 송출해야 하죠.

맥스웰은 전자기장을 연구했는데, 놀라운 결과를 얻게 됩니다.

바로 전자기장의 속도가 '초속 30만 km'라는 것입니다.

음? 뭔가 떠오르는 것이 있으시죠?

그렇습니다! 바로 '빛'의 속도이죠.

이전까지 빛과 전자기장은 서로 다른 물질인줄 알았는데,

연구해보니 속도가 정확히 같았던 것입니다.

그래서 물리학자들은, 빛이 곧 '전자기파'라는 결론을 내리게 됩니다.

아인슈타인은 전자기파인 빛을 연구했습니다.

그런데 빛을 연구할수록 이상한 성질이 발견됩니다.

먼저, 아인슈타인 이전의 고전 역학으로 하나의 예를 들어보겠습니다.

소매치기는 물건을 훔치다가 경찰차에 타고 있던 경찰에게 걸렸습니다.

범인은 오토바이를 타고 도주하고 있고, 경찰차가 이를 뒤쫓고 있죠.

이 때 범인이 탄 오토바이의 속도는 시속 150km이고,

경찰차는 시속 100km로 추격하고 있습니다.

여기서 오토바이와 경찰차의 속도인 150km와 100km는

모두 '정지해 있는 관측자' 입장에서 봤을 때의 속도입니다.

그러나 경찰차 입장에서 봤을 때 오토바이의 속도는 50km일 뿐이죠.

고전 역학의 핵심은 이 예제에 모두 들어있습니다. 

속도는 관측자에 따라 변하는 상대적인 양이라는 것이죠.

아인슈타인은 고전역학이 맞다면, 우주 어디에서나

혹은 어느 물질에게도 똑같이 적용되어야 한다고 생각했습니다.

다시 말해, 빛의 운동을 고전역학에 대입시키더라도

똑같은 결과가 나와야 했죠. 그러나 사실은 그렇지 않았어요. 

여러분의 이해를 돕기 위해,

오늘도 역시 제 친구인 앤드류와 린지가 출동했습니다.

앤드류와 린지는 술래잡기를 할 예정입니다.

린지는 피키캐스트에서 개발한 슈퍼보드를 타고 있었어요.

이 슈퍼보드는 빛의 속도인 초속 30만 km로 달릴 수 있었죠.

그래서 린지는 빛의 속도로 도망가기 시작했습니다.

그러나 불행히도 앤드류의 슈퍼보드는 낡아서

초속 20만 km로 밖에 달리지 못했죠.

앤드류는 린지를 열심히 쫓아갔습니다. 

여기서 확실한 것은, 정지해 있는 우리에게

린지는 초속 30만 km의 속도로 느껴지지만,

앤드류에게 린지의 속도는 초속 10만 km(30 - 20)라는 것이죠.

고전 역학에 의하면, 이는 당연한 사실입니다.

그런데 이번엔 린지가 마법을 부려 빛으로 변신했고,

앤드류가 빛을 쫓아가기로 합니다.

앤드류는 초속 20만 km의 속도로 초속 30만 km인 빛을 추격하죠.

그런데 앤드류는 추격전을 끝내고 우리에게 다가와 이상한 이야기를 하기 시작합니다.

자신이 아무리 빛을 쫓아가도 그 빛의 속도는

린지처럼 초속 10만 km가 아니라, 계속 초속 30만 km였다는 것입니다.

앤드류가 술을 먹은 걸까요? 아니면, 정신이 이상해진 걸까요?

아닙니다. 제가 알기로, 앤드류는 절대 그런 실수를 할 사람이 아닙니다.

이 실험을 통해 우리는 하나의 사실을 알 수 있습니다.

'빛은 관측자가 정지해 있거나,

혹은 빛의 99%의 속도로 달리고 있을 때와 상관없이

항상 초속 30만 km를 유지한다'

즉, 빛은 고전역학의 상대 속도가 적용되지 않는다는 것이죠. 

그리고 이 기묘한 현상은 1887년, 마이컬슨과 몰리의 실험에서 사실로 입증됩니다.

이것이 바로 '광속도 불변의 법칙'입니다.

빛의 속도는 이 세상 만물에 대해서 항상 30만 km/s로 이동한다는 것이죠.

그리고 광속도 불변의 법칙은 아인슈타인의 '특수 상대성 이론'의 핵심 전제와 같습니다. 

< 3편 예고 >

지금까지,

공간의 실체를 밝히려는 물리학자들의 서로 다른 입장과 이론들과

특수 상대성 이론의 핵심인 '광속도 불변의 법칙'을 소개해 드렸는데요.

제가 아인슈타인의 상대성 이론을 처음부터 소개하지 않고,

이렇듯 고전역학과 공간에 대한 개념, 배경들을 먼저 언급하는 이유에 대해 궁금해 하시는 분들이 계실거라 생각합니다.

그 이유는, 아인슈타인은 "아!! 이제 상대성 이론을 만들어야지!!!" 하고 뚝딱 상대성 이론을 만든 것이 아니기 때문입니다.

아인슈타인은 아주 오랜 기간에 걸쳐, 적어도 몇 개의 과학적 사실들을 충분히 검토하고 연구했고 이를 통해 상대성 이론을 만들었습니다.

바로 오늘 다루었던

'빛은 전자기파다'

'광속은 누구에게 일정하다'

'공간의 정의에 대한 새로운 인식'

등이 그것입니다. 

즉, 오늘 다룬 내용은 다음 편에 다룰 '특수 상대성 이론'의 유도 과정인 셈입니다. 

그래서 우리는 상대성 이론을 살펴보기 전에 반드시 이 유도 과정들을 알고 넘어가야 합니다.

다음 편에서는

아인슈타인의 걸작 '특수 상대성 이론'의 심장부로 들어가 볼게요.

감사합니다.

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워.....존나 스게.........bbb

문과 여시인 나는

2번 제대로 정독하고 이해함.............!!!!!!!!

어렵지만,  중고등교육 과정을 지나온 여시들이잖아?

제대로 정독하면 어느정도 이해가 갈거야.

포기하지 말자!!!!!!!!!!!!!

문제시 심한욕하면서 수정.

안문제시 다음편 가져옴.

(+추가)

혹시 상대성 이론 내용 미리 보고 싶은 여시들은 미리 보는거 강추.

피키 앱 있는 여시들은 '상대성이론' 검색하면 되고 없는 여시들은

http://www.pikicast.com/#!/menu=series&series_id=110415

여기 가서 보세여.

어려운 말 하나도 없이 설명 잘해줘서 꼭 한번씩 보길 추천함.

문제시 통곡하며 수정함..

안문제시 시리즈 또 갖고옴.

[이창섭.]

다시 읽어야 이해하겠다ㅋㅋ 과포자라서ㅠㅜ 하나 아는건 연아는 트악 안 뛰어..

[이게뭔소리여]

헐 그럼!!!!!!!뭐지? (나 사실 잘 모룸....)

[이창섭.]

그냥 3회전 점프를 뛴다면 이나 내용처럼 스핀을 돈다면? 괜한 고나리한 것 같아서 미안...

[이게뭔소리여]

아냐! 내가 쓴 글이 아닌데 제목은 내가 바꾼거라 틀리면 안돼!!+_+ 고마웡 수정할게!

[이창섭.]

다시 읽으니까 이해 된다 ㅋㅋㅋㅋ 잘 읽었어!!

[사랑둥둥잉]

연아는 트리플 러츠 트리플 토룹 구성 다음 트리플 플립을 뜁니다 악셀은 앞을 보고 뛰는 점프고 러츠는 발목을 콱 꺾는 점프고 플립은 보통 쓰리턴에 안쪽 엣지 사용 점프예요~ 연아 트악 안 뜁니당~

[왕포로리]

허억 짱좋아하는 주제야!! 존잼이다 이따 집가서 노트펴고 다시 봐야지! 공부를 하고나서도 3초뒤면 아리까리한 상대성이론....!

[한글영문숫자사용중]

고마봉 여시양!! 잘읽었어

[사랑둥둥잉]

와 재미써 나 진짜 과학 싫어하는데..존잼

[잘되기]

와 피키에서 다찾아보고왔는데 진짜겁나흥미돋ㅜㅜ짱재밌어ㅜㅜㅜㅡ여시고마워!!!!

[깔끔하게 밀어붙이기]

[존나쉬운 상대성이론] 헐 진짜 흥미돋ㅋㅋㅌㅋ 재밌게 잘봤어 언능 피키앱다운받으러 가야지 고마웡

[890428]

헐 광속도불변의법칙이라니 완저ㄴ 신기하다

[차곡차곡쌓아감]

상대적으로 봤을때도 빛의 속도는 그대로라니 대박 완전 쩌러 ㅋㅋㅋㅋㅋ 짱신기해!

[이든]

여시야 좋은 글 끌올 했습니다💕👍🏻

[윤 정 한]

존재뮤

[날개가없이도나는날아]

너무 재밌어서 토할 거 같아요.. 아 좋당 ㅠㅠㅠ

[둘리야안뇽]

와 진짜 빛 정체가 뭐냐 진심..!!!

[Orange is the new Black]

빛이 무서워져따리... 와우내

[벌꿀육소리]

진짜 재밌다 원래 물리극혐하는데 이렇게 얘기해주니까 존잼이네

[츠르츠츠]

흥미돋...