스크랩 흥미돋 썸남이 이렇게 고백을 한다면...ㄷㄷㄷㄷㄷ (누구나 이해하는 상대성이론 시리즈 -4편 )

[신 신지 말고 맨발로 뛰쳐 가자]

2011.6.20이후 적용 자세한사항은 공지확인하시라예

출처:피키캐스트 Curious_Park

http://www.pikicast.com/share/110390

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.)

※ 이미지 50장 제한이 있어서 사진을 다 가져오진 못했어.

내용은 다 가져오긴 했지만, 이미지와 함꼐 좀 더 완벽한 이해를 원한다면

원출처 링크로 가서 읽어보는걸 추천할게.

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 < 누구나 이해하는 상대성이론 시리즈 1편 >

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

 < 누구나 이해하는 상대성이론 시리즈 2편 >

http://cafe.daum.net/subdued20club/ReHf/1047415

 < 누구나 이해하는 상대성이론 시리즈 3편 >

http://cafe.daum.net/subdued20club/ReHf/1051264

 < 누구나 이해하는 상대성이론 시리즈 4편 > 

  '특수 상대성이론을 이해하자'  

*본 콘텐츠는 '상대성이론 1,2,3편'과 내용상 이어지므로, 앞 시리즈를 먼저 봐주실 것을 추천합니다.

안녕하세요.

오늘은 <상대성이론 시리즈 - 4편> 

"특수 상대성이론"에 대하여 포스팅할 예정입니다.

근 한 달만에 상대성이론 포스팅을 하는 것 같은데,

늦어진 점에 대해 양해의 말씀을 드립니다.

오늘 4편은, 

특수 상대성이론의 핵심에 해당되는 내용을 다룰 예정이라,

제작 시간이 상당히 오래 걸렸습니다.  :)

먼저 "상대성 이론은 결코 어렵지 않습니다"

이 이론이 난해하게 느껴지는 이유는,

복잡한 수식 때문이 아니라 기존에 우리가 알고 있던 '세계관'과 ‘상식’에 정면으로 충돌하기 때문입니다. 

따라서, 본 편을 진행하기에 앞서 피키 피플께

▣ 열린 상상력

▣ 수식에 대한 거부감 버리기

이 2가지만 당부드리고 싶습니다. 

이 콘텐츠는 평소 과학에 관심이 없는 분이라도,

깊게 생각하면 충분히 이해할 수 있는 수준으로 제작되었습니다.

하지만 수식이 들어있는지라, 어느 정도 '집중'을 해주셔야 할 부분들이 있습니다.

아무쪼록 많은 분들께서 포스팅의 마지막 부분을 보실 때, 

전에 느껴보지 못한 과학의 신비함과 희열을 느껴보실 수 있길 바랍니다.

그럼 지금부터 세상에서 

가장 신기한 세계로 떠나볼게요.

Let's Go!

▣ 시간과 공간의 기묘한 성질

지난 1~3편은 특수 상대성이론의 핵심을 다루기 전에 알아야 할 '기본 전제'를 다뤘었는데요.

이를 한 문장으로 요약하면 다음과 같습니다.

"빛의 속도는 관측자가 어떤 운동을 하고 있을 지라도 30만 km/s로 일정하다"

즉, 광속도 불변의 법칙으로 요약할 수 있습니다.

우리 자연계는 바로 이런 광속도 불변의 법칙을 '의도적으로' 지키기 위해,

시간과 공간에 대한 굉장히 기묘한 성질 하나를 설정해 두었습니다.

그것은, 이 글을 쓰고 있는 저나 여러분은

사실은 모두 '빛의 속도'로 움직이고 있다는 사실이죠.

"엥?!! 이건 뭔 x소리야..!" 라는 생각이 드신 분들께서는,

어떤 운동은 오로지 '공간'에서만 이루어진다는 사고를 하신 것입니다.

어떤 물체는 공간 속에서 이동할 수도 있고 시간을 따라 이동할 수도 있습니다.

다만, 시간은 우리 눈에 보이지 않으므로 우리가 의식하지 못하고 있는 것 뿐이죠.

빛의 속도는 초속 30만 km입니다. 

빛은 오로지 공간으로만 이동하기 때문에 시간이 '정지'되죠. 

그런데, 만약 여러분이 초속 1만 km로 움직인다고 가정해 볼게요.

그러면 여러분은 30만 km/s 중에서 1만 km/s를 공간으로,

나머지 29만 km/s를 시간으로 움직인 셈이죠.

따라서 빛보다는 시간이 좀더 빠르게 흐를 것이고,

반대로 정지해 있는 사람보다는 시간이 느리게 흘러갈 것이 자명합니다.

신기하시죠? 이렇게 되는 이유는, 앞서 언급한 것처럼

우리 자연계가 누구한테라도 빛의 속도를 항상 30만 km/s로 보이게 만들기 위해

'시공간'을 교묘히 설정해 놓았기 때문입니다.

아직 이해하기 어려울 수 있는데요. 지난 3편에 '막대 그래프' 예를 들면서,

신호등 여자와 린지의 운동을 비교한 내용이 있습니다.

이것을 참고하시면 충분히 이해하실 수 있을 거예요

"자연계에서 모든 물체는 공간뿐만 아니라 '시간'으로도 이동한다."

바로 이것이 특수 상대성이론의 기본 원리이자 핵심입니다.

하지만, 시간은 우리 눈에 보이지 않기 때문에 이 사실을 받아들이기가 힘듭니다.

그래서 상대성이론이 어렵고 뜬구름 잡는 이야기처럼 느껴질 수 있죠.

그리고 아인슈타인은  약 100년 전에 이 사실을 밝혀낸 사람입니다.

그는 절대적 시공간이란 애초부터 존재하지 않는다는 사실을 수식으로 증명했죠.

그렇다면, 관측자에 따라 시간과 공간은 어느 정도로 달라질까요?

지금부터, 아인슈타인의 달달한 뇌 속으로 여행을 떠나볼게요.

▣ 특수 상대성이론

: 로렌츠 변환으로 보는 '시간의 상대성'

지난 <인터스텔라 해설: 밀러 행성 편>에서 '로렌츠 변환'을 소개해 드렸었는데요.

오늘은 좀더 디테일하고 직관적으로 바라볼 수 있는 특수한 상황을 설정해 보겠습니다.

오늘도 역시 앤드류와 린지가 도와주실 예정입니다.

둘은 저번에 야구장에 같이 가면서, 급격히 친해졌는데요.

오늘 앤드류는 린지에게 고백을 할 예정이라고 하네요.

앤드류는 오늘의 고백을 위해 ‘광자시계’ 이벤트를 준비했어요.

이 광자시계의 아래에는 빛이 나오고, 정확히 ‘1초’ 후에 천장에 도달하게끔 설계되어 있습니다.

그리고 빛이 천장에 도달하면, 자동적으로 “린지야! 사귀자!”라는 불꽃 메시지가 위로 분출합니다.

앤드류는 극적인 상황을 연출하기 위해 린지를 달로 데려갔습니다.

그리고 본인은 우주선에 광자시계를 실었죠.

앤드류는 린지에게 “달 표면에서 1초만 기다리면,

놀라운 일이 벌어질거야!!!”라고 호언장담하며 유유히 우주선에 탑승합니다.

근데 린지는 앤드류를 믿지 못했어요.

그래서 본인도 앤드류와 똑같은 광자시계로 1초를 정확히 재기로 합니다.

그리고 1초 후에 아무 일도 일어나지 않으면 앤드류에게 꿀밤을 먹이기로 다짐하죠.

앤드류는 이 이벤트에서 신뢰를 잃지 않고 멋지게 사랑을 고백할 수 있을까요?

앤드류는 우주선에 탑승했고, 이 우주선은 오른쪽으로 빛에 가까운 속도로 이동할 예정입니다.

그리고 달 표면에는 린지가 이벤트를 볼 준비를 마쳤어요. 

둘은 서로의 위치에서 동시에 광자시계를 작동시킵니다.

먼저, 린지의 관점에서 이 상황을 바라보겠습니다.

린지가 볼 때, 우주선에 있는 광자시계의 빛은

‘사선’으로 비스듬히 나아가는 경로로 보입니다.

광자시계를 실은 우주선이 오른쪽으로 이동하기 때문에 이는 당연한 결과겠죠.

그런데 매우 중요한 사실이 있습니다.

그것은 광자시계의 원래 높이(a)보다 ‘빛의 사선 경로(b)’의 길이가 더 길다는 점입니다. 

자~ 눈 크게 떠보세요! 광자시계의 빛은 1초 만에 천장에 도달합니다.

우주선에 타고 있는 앤드류의 눈에 광자시계의 빛 경로는 a입니다.

(앤드류는 광자시계와 같은 공간에 있으므로)

그러나 달 표면에 있는 린지에게는 같은 광자시계라 할 지라도 ‘사선(b)’으로 보이며,

길이도 더 길어지죠. 즉, 똑같은 현상에 대하여 린지와 앤드류가 다르게 본다는 것을 알 수 있어요.

한편, 앤드류의 우주선이 움직이는 동안 달 표면에 있는 린지의 광자시계도 작동되었겠죠.

린지의 광자시계는 정확히 1초 후에 천장에 도달합니다.

린지는 우주선을 바라보면서 정확히 1초를 쟀어요.

근데, 1초가 지난 순간에도 이벤트가 발생하기는커녕, 아무 일도 일어나지 않았습니다.

분명, 두 광자시계는 정확히 같은 시간에 작동했는데도 불구하고 말이죠!!

1초 후에 린지는 “역시..앤드류가 그럼 그렇지..”라고 탄식하며 한숨을 내쉬며,

앤드류의 광자시계를 봤어요. 근데 놀라운 일이 벌어진 것을 눈치채게 됩니다.

1초가 지난 순간에 린지가 우주선을 보면, 우주선 안에 있는 광자시계의 빛은 천장에 도달하지 않았습니다.

그 이유는, 광자시계의 높이(a)보다 ‘사선(b)’의 길이가 더 길기 때문이죠!

결국, 린지의 눈에는 ‘1.67초’가 지나서야 “린지야! 사귀자!”라는 불꽃 메시지를 받게 됩니다.

즉, 우주선에 있는 광자시계의 빛은, 달 표면에 있는 광자시계의 빛보다 조금 더 ‘늦게’ 천장에 도달한 것이죠.

언급했듯이, 광자시계의 빛이 천장에 닿을 때가 ‘1초’입니다.

그렇다면 린지가 볼 때, 우주선의 1초는 달 표면의 1초보다 좀 더 길어진다고 볼 수 있겠죠.

이 말은, 린지가 보면 우주선의 시간이 0.67초 만큼 느리게 흘러가는 것처럼 보인다는 의미입니다.

즉, 앤드류의 시계가 린지의 시계보다 0.67초 만큼의 '시간 지연'이 발생하죠.

이게 어떻게 된 일일까요?

분명, 우주선에 있는 광자시계와 달 표면에 있는 광자시계는 동일한 제품입니다.

그런데, 린지의 1초가 앤드류에게는 1.67초가 되는 신기한 현상이 일어난 것이죠.

즉, 동일한 사건 (앤드류의 광자시계 빛이 천장에 도달)을 두고 앤드류와 린지의 시간 차이가 발생한 겁니다.

그래서 린지가 볼 때, 앤드류의 시간이 느리게 흘러가는 것처럼 보이게 되죠.

우리는 아까 유도한 ‘로렌츠 변환식’을 이용하여 

시간이 어느 정도 느려지는 지를 구할 수 있습니다.

여기까지 이해하셨다면,

'등속 운동'을 다루는 특수 상대성이론의

시간 지연을 로렌츠 변환을 이용하여 언제든지 구할 수 있습니다.

다시, 앤드류와 린지가 있는 달 표면으로 가보겠습니다.

앤드류는 1초 후에 불꽃 이벤트를 한다는 약속을 지키지 못했는데요.

그렇다면, 앤드류는 꿀밤을 맞아야 할까요?

아니죠! 앤드류는 잘못이 없습니다.

왜냐하면, 자신의 시간으로는 분명 1초 맞춰서 불꽃이 터졌기 때문이죠.

(굳이, 하나 꼽자면 우주선을 광속의 80%로 운전한 것?)

그런데 방금 언급한 것 외에, 굉장히 재미있는 현상이 숨겨져 있습니다. 

지금까지는 린지 입장에서 앤드류의 시간을 이야기했었죠. 

그런데 우주선에 있는 앤드류 관점에서 움직이고 있는 것은, 자신이 아니라 오히려 ‘달과 린지’입니다. 

린지가 볼 때 앤드류의 시간이 느리게 흐릅니다.

그렇다면, 앤드류가 린지를 볼 때

린지의 시간은 빠르게 흐르는 것처럼 보일까요?

아까와 같은 상황에서 앤드류의 관점을 살펴보겠습니다.

앤드류는 창문 너머로 린지와 광자시계를 봅니다. 

그런데 놀라운 일이 벌어지죠. 아까 린지가 앤드류의 광자시계의 빛 경로를 사선으로 본 것처럼,

앤드류도 린지의 광자시계를 보면 똑같이 ‘사선’으로 보게 됩니다.

따라서, 아까와 동일한 논리로 인해, 앤드류 입장에서 린지의 시간이 느리게 흘러갑니다.

즉, 린지와 앤드류는 각자 상대방의 시간이 느려지는 것처럼 보이죠

(결국, 피장파장인 겁니다)

바로 이것이 상대성 원리입니다.

단, 지금까지 다룬 특수 상대성이론은 어디까지나 ‘등속 운동’으로 제한되어 있죠. 

가속 운동까지 고려한 상대성이론이 바로 ‘일반 상대성이론’입니다.

아인슈타인은 특수 상대성이론을 만들고 정확히 10년 후인 1915년에 이 이론을 발표하죠.

마지막으로, 아까 언급한 ‘로렌츠 변환식’을 떠올려 주세요.

이 공식에는 특수 상대성이론에 대한 아주 중요한 개념이 들어 있습니다.

언뜻 보면, 이 이론은 사기치는 것 같기도 하고 교묘한 말장난처럼 보이기도 합니다.

하지만, 우리가 속한 우주는 분명히 이런 형태로 운영되고 있죠..!

지금까지 '움직이는 물체의 시간은 늦게 흐른다'는 특수 상대성이론의 핵심 내용을 살펴보았는데요.

그렇다면, 앤드류의 사랑 고백은 어떻게 되는 걸까요? 

앤드류는 1초 이벤트에 실패했습니다.

그러나 이는 앤드류의 잘못이 아니었죠.

우주는 원래 그렇게 돌아가니까요.

그는 달로 돌아가서 린지에게 납득할만 한 설명을 해야할 겁니다.

굿럭~ 앤드류!

< 5편 예고 >

오늘은 특수 상대성이론의 핵심 내용인

'시간 지연' 현상에 대하여

여러 수식들과 앤드류&린지의 상황을 활용하여 포스팅해 보았습니다.

되돌아보니,

지난 <인터스텔라 시리즈>의 '추가 보충 카드'에 있는 내용을 다시 풀어 쓴 느낌인데요.

최대한 쉽게 풀어 쓰려고 노력했지만, 

이로 인해 오히려 더 혼란을 드린 것은 아닌지 살짝 걱정이 되네요.

결코 짧지 않고 난해한 이 포스팅을 읽으시면서

'이해하려는 노력'을 보여주신 피키 피플께 감사의 인사를 전합니다.

아무쪼록, 어렵다고 소문난 이 이론을 이해하는데 본 포스팅이 조금이라도 도움이 되었길 바랍니다.

다음 편에서는,

오늘 미처 소개하지 못한 특수 상대성이론에 대한 나머지 부분과 오늘 피키 피플들이 해주시는 질문에 대한 답을 해볼까 합니다.

기다려 주시는 분들이 많으셔서 일주일 안에 속편을 제작할 것을 약속드립니다.

편안한 밤 되세요.

▣ 질문이 있다면..? 

본 시리즈에 대해

궁금하신 점이 있다면 이 카드에 댓글을 남겨주세요. :)

피키 피플이 하신 소중한 질문들을 뽑아

다음 5편에서 답을 드리도록 할께요!

감사합니다!

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나는 아직 이번 편을 완벽하게 이해하지 못했어..........

내가 한 4번 정독 했는데...

긍까 개념은 뭔진 알겠는데........ㅠㅠㅠㅠ

 어쨋든 저 수식은 모르겠다구.........ㅠㅠ

.................................

문과의 한계일까?

아니 그냥 내 머리의 한계...........

그래도 울 여시들은 나보다 똑똑하니까

이해하지?!!!!!!!!!

(+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.

[Leonardo DiCaprio]

여시 덕분에 이시리즈 정독중 넘 흥미돋