115번째:박성관의 ＜아인슈타인과 광속 미스터리＞: 2018년 07월 15일

[원진호]

책 익는 마을의 책 이야기

박성관의 <아인슈타인과 광속미스터리>

상대성 원리

  쉬운 버전- 속도는 상대적이다. 무엇을 기준으로 삼느냐에 따라 속도는 달라진다. 절대 속도란 없다. 고속도로에서 달리는 차 안에서 다른 차들의 속도를 보면 알 수 있다.

  심오한 버전- 어떤 물체가 등속 직선 운동을 하면, 그 안에서는 정지 중인지, 이동중인지 알 수가 없다. 정지 상태와 똑같기 때문이다. 그 물체 안에서는 어떤 실험이나 관찰을 해도 정지 상태와 차이가 없다. 초속 20Km로 달리는 지구 위에서 타자를 치고 있는 나를 보라!

상대성 이론

  특수- 등속 직선 운동을 두 물체가 있고 둘의 속도가 다를 때, 시간 지연과 거리 단축 효과가 나타난다. 물론 광속은 불변이다. 우주 공간에서 광속으로 서로 지나치는 두 사람이 있다. 같은 거리 만큼 이동시 내 시계는 1초인데 상대방의 시간은 0.6초로 측정된다. 지금이라는 시간이 1초이면서, 0.6초라는 상황이 발생한 것이다. ‘지금이 하나가 아니라 여럿이며, 내겐 동시인 사건이 상대방에겐 동시가 아닐 수 있다’ 아인슈타인이 그의 나이 26세때인 1905년에 발표하였다.

  일반- 시간과 공간이 따로 존재하지 않는다. 하나의 시공만이 있을 뿐이다. 또한 시공은 무거운 물체 주변에서 휘어져 버린다. 물체가 무거울수록 크게 휘어진다. 지구가 태양 주위를 도는 것은 뉴턴의 만유인력 법칙때문이 아니라 지구보다 33만배 무거운 태양 주위의 시공이 휘어져 있기 때문이라는 것. 1919년 두 팀의 탐사대가 브라질과 아프리카 중서부로 가 개기일식때 태양 주위 사진을 동시에 찍었다. 그리고 비교검토 결과,‘별빛이 태양 주변을 지날 때 완만하게 흰 궤적’이 보여 일반 상대성 이론을 입증했다. 이 이론은 1916년에 아인슈타인이 발표하였다.

마이컬슨-몰리 실험

  속도는 상대적이므로 빛도 발광체의 운동상태에 따라 다른 속도로 측정되어야 한다. 그러나 빛은 어떠한 상황에도 초속 30만km였다. 해서 마이컬슨과 몰리가 아주 정교한 실험 장치를 이용해 두 가지 빛의 속도를 측정해 보았다. 결과는 같다는 것. 여기에 과학계는 빛은 상대성 원리의 예외적인 존재라는 결과 수용파와 수용불가파로 나뉘었다. 특히 후자는 이동하는 방향과 반대방향으로 길이가 수축되고 시간이 지연된다고 주장했다. 로런츠가 1892년에 제시했다. 아인슈타인은 당대의 과학자들의 이런 가설과 주자이 심오한 상대성 원리를 무시했다고 생각했다. 광속이 불변해야 심오한 상대성 원리가 충족이 된다고 생각했다. 그럼 무엇이 변해야 하나? 바로 시간과 거리. 아인슈타인은 기차-번개 상상 실험을 통해 이를 입증했다. ‘광속불변’과 ‘상대방의 시간 지연’이라는 결론은 아인슈타인이 쉬운,심오한 상대성 원리를 포기하지 않은 결과였다.

광선총과 황금차

 광선총에서 빛이 나가 1초가 되었다. 빛이 간 거리는 30만km. 초속 18만km로 달리는 황금차가 있다. 1초 후 간 거리는 당근 18만km. 그런데 황금차에서 잰 빛의 속도는 30만km/초. 쉬운 버전의 상대성 원리로는 빛의 속도는 12만km/초 여야 했다. 특수상대성 이론에 근거하여  이 모순을 해결해보면, 황금차 입장에서는 1초에 18만km갔지만, 괸측자 입장에선 황금차는 0.8초에(시간지연), 24만km를(거리단축) 달려갔다.

시공간의 여행

  우주여행을 빛의 속도에 가깝게 간다면, 시간은 지연되고 거리는 단축된다. 시공간은 압축되고 휘어진다. 축지법과 미래로의 여행이 가능하다. 이란성 쌍둥이인 15살의 견우와 직녀. 직녀가 광속의 80%(초속 20만km)로 20광년 떨어진 별로 여행을 다녀오면 견우는 65세가 된다. 그러나 직녀의 시간은 0.6배로 지연되어 30년 후 45세가 되어 돌아 온다. SF나 있을 상황이 가능하다. 다만 속도를 무지하게 올려야 한다는 것. 그런 날이 언제 가는 올까?

책 익는 마을 원 진호