상대성이론- 책 내용(쉬는 시간 : 상대성의 뜻)

[tjkk]

상대성이론- 책 내용(쉬는 시간 : 상대성의 뜻)

책만 너무 많이 읽으면 피로를 느끼므로 한 시간(時間) 정도는 쉬는 시간이라 생각하고 상대성이론의 기본 개념에

대해 잠시 생각해 보는 것도 좋을 것 같다.

상대성원리와 상대성이론의 차이점을 생각해 보자.

[1] 상대성원리(相對性原理)

일차적으로 상대성원리(相對性原理)에 대한 인터넷상의 내용을 보자.

https://dic.daum.net/search.do?q=%EC%83%81%EB%8C%80%EC%84%B1%EC%9B%90%EB%A6%AC&dic=all&search_first=Y

상대성 원리 相對性原理

1.물리의 기본 법칙은 좌표계를 변환시키더라도 변하지 않는다는 원리

2.아인슈타인에 의하여 확립된 물리학 이론

https://search.daum.net/search?w=tot&DA=YZR&t__nil_searchbox=btn&sug=&sugo=&sq=&o=&q=%EC%83%81%EB%8C%80%EC%84%B1%EC%9B%90%EB%A6%AC

상대성 원리[相對性原理]국어

뜻 : 물리의 기본 법칙은 좌표계를 변환시키더라도 변하지 않는다는 원리

고려대 |우리말샘

(1)

(기본의미) [물리] 물리의 기본 법칙은 좌표계를 변환시키더라도 변하지 않는다는 원리. 갈릴

레이의 상대성 원리는 모든 관성계(慣性系)에서 역학 법칙이 같은 형을 취한다는 것이다. 아인

슈타인의 특수 상대성 원리는 모든 관성계에서 전자기(電磁氣)를 포함한 모든 기본 법칙이 같

은 형을 취한다는 것이고, 일반 상대성 원리는 모든 좌표계에서 모든 기본 법칙이 불변이라는

것이다.

참고어

광속도 불변의 원리(光速度不變-原理)

유의어

상대율(相對率)

(2)

[물리] 아인슈타인에 의하여 확립된 물리학 이론. 근본적인 특징은 시간과 공간이 절대성을 가

진다는 기존의 개념을 부정하고 시간과 공간이 관측자에 대하여 상대적으로만 의미를 가진다

는 점이다. 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론으로 이루어져 있다.

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

위의 인터넷상의 내용을 보면 기본 개념을 망각한 암기식 설명 위주의 글이라 생각한다.

상대성원리(相對性原理)의 개념은 아마도 다음의 내용에 잘 표현된 것이라 생각한다.

“첫째는, 에테르의 딜레머에 해답을 주었는데, 간단히 말하자면, 에테르는 발견되지 않는다는

것이었다. 즉, 정지 에테르는 우주에서 움직이지 않는 유일한 것이므로, 절대운동을 하고 있

다. 실제로 별이나 혹성으로부터 아주 멀리 떨어져 있어서, 자기가 움직이고 있는 속도를 측

정하기 위한 기준점으로 삼은 것이 아무것도 없다면, 우주 공간에 단 혼자 있는 당신이 움직

이고 있는지 움직이지 않는지 결코 알 수 없다. 아인슈타인이 주목했던 것은 다음과 같은 사

실이다. "모든 운동"은 상대적인 것이다(그러므로 상대성이론이라는 명칭이 붙어 있다). 절대운

동이라는 것은 결코 취급할 수 없다. 다른 무엇에 대한 운동만이 문제다. 대체로 우리는 물체

가 이러이러한 속도를 갖는다고는 말하지 않고, 그 무엇에 '대해서' 이러이러한 속도를 갖는다

고 말하지 않으면 안된다.”

                      [상대성원리. 박봉렬감수. 현암사. 1974. p.15~~72 요약]

이 내용을 정리하면,

(1) 정지 에테르는 우주에서 움직이지 않는 유일한 것이므로, 절대운동을 한다.

(2) 자기가 움직이고 있는 속도를 측정하기 위한 기준점으로 삼은 것.

(3) 우주 공간에 단 혼자 있는 당신이 움직이고 있는지 움직이지 않는지 결코 알 수 없다.

(4) "모든 운동"은 상대적인 것이다.

(5) 절대운동이라는 것은 결코 취급할 수 없다. 다른 무엇에 대한 운동만이 문제다.

(6) 대체로 우리는 물체가 이러이러한 속도를 갖는다고는 말하지 않고, 그 무엇에 '대해서'

이러이러한 속도를 갖는다고 말하지 않으면 안된다.

라 할 수 있겠다.

이 말을 압축하자면, 우리가 생각했던 절대적 정지한 우주적 기준계인 충만한 Ether가 없다는 것 때문에

두 관측자는 서로에 대해 상대적으로 운동을 따져야 한다는 것이 “상대성원리”인 것이다.

결국 Ether의 부재로 인해 나온 것이 “상대성원리(相對性原理)”라 하겠다.

[2] 상대성이론(相對性理論)

상대성이론이라는 말이 나오게 된 동기를 보면, Michelson-Morley 의 하지도 않은 실험의 결론 즉,

“광속도 불변의 원리(光速度 不變의 原理)”라는 말에서 비롯된 것이라 할 수 있다.

먼저 인터넷상의 설명을 보자.

https://dic.daum.net/word/view.do?wordid=kkw000134541&supid=kku000167412

상대성 이론 [相對性理論]

아인슈타인에 의하여 확립된 물리학 이론

고려대 |우리말샘

[물리] 아인슈타인에 의하여 확립된 물리학 이론. 근본적인 특징은 시간과 공간이 절대성을 가

진다는 기존의 개념을 부정하고 시간과 공간이 관측자에 대하여 상대적으로만 의미를 가진다

는 점이다. 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론으로 이루어져 있다.

https://100.daum.net/encyclopedia/view/147XX49400037

[발췌]

“관측자가 없거나 움직임을 비교할 대상이 없다면 움직인다는 것을 정의할 수 없다. 기준은

두 사람이 있는 방일 수도 있고, 배 위에서라면 배일 수도 있으며, 지구일 수도 혹은 은하일

수도 있는 것이다.

하지만 아인슈타인은 이 법칙의 예외를 찾아냈다. 빛은, 관측자와 비교 대상에 관계없이 항상

같은 속도로 움직인다. 이 말은 관찰자가 아무리 빠르게 움직여도 관찰자의 눈에 보이는 빛의

속도는 언제나 초속 299,792,458m라는 뜻이다. 만물 중에서 빛의 속도만이 항상 일정하다는

말은 시간의 속도가 일정하지 않다는 뜻이다. 실제로 빛의 속도에 가까울 정도로 빠르게 움직

이면 시간의 흐름은 느려지고, 거리는 짧아진다.“

이 내용을 정리하면,

(1) 기준은 두 사람이 있는 방일 수도 있고, 배 위에서라면 배일 수도 있으며, 지구일 수도 혹은 은하일 수도 있는 것

이다.

(2) 아인슈타인은 이 법칙의 예외를 찾아냈다. 빛은, 관측자와 비교 대상에 관계없이 항상 같은 속도로 움직인다.

이 말은 관찰자가 아무리 빠르게 움직여도 관찰자의 눈에 보이는 빛의 속도는 언제나 초속 299,792,458m라는

뜻이다.

(3) 만물 중에서 빛의 속도만이 항상 일정하다는 말은 시간의 속도가 일정하지 않다는 뜻이다.

실제로 빛의 속도에 가까울 정도로 빠르게 움직이면 시간의 흐름은 느려지고, 거리는 짧아진다.

(1)의 해석.

기준의 뜻인 방, 지구, 은하라 하는 것은 기준부피(즉, 기준계 또는 이동 공간)를 뜻하며, 그 크기를 나타낼 때 x, y, z

혹은 x', y', z' 와 같이 나타낸다.

여기서 배에 대해서는 두 가지로 생각해야 한다.

배의 갑판 상이라면 당연히 기준면의 뜻으로 평면을 나타내는 x, y 혹은 x',y' 로 그 크기를 나타낼 수 있다.

그러나 배의 선실(船室)이라고 한다면 기준부피(즉, 기준계 또는 이동 공간)의 의미를 갖기 때문에 선실의 크기 즉,

부피를 나타내는 x, y, z 혹은 x', y', z'로 나타낼 수 있다.

대기를 포함한 지구 공간을 x, y, z 로서 크기를 나타내고 “S 계”라고 한다면,

배의 선실로서 기준부피(즉, 기준계 또는 이동 공간)는 x', y', z'로 나타낸 “S' 계” 라 한다.

(2)의 해석.

Michelson-Morley 의 하지도 않은 실험에서 잘못 만들어낸 “광속일정의 원리”라는 뜻 자체를 모르기 때문에 후세 사람들이

Einstein을 미화하려고 만들어 낸 말이다.

https://dic.daum.net/word/view.do?wordid=kkw000024009&supid=kku000033408

광속도 불변의 원리 [光速度不變-原理]

1905년 아인슈타인이 제창한 특수 상대성 이론의 기본 원리의 하나

고려대 |우리말샘

[물리] 1905년 아인슈타인이 제창한 특수 상대성 이론의 기본 원리의 하나. 서로 등속도 운동을 하는 모든 관측자

또는 좌표계에 대해 광속도는 늘 일정한 값을 가진다는 원리이다.

사실 인터넷상에서 나타낸 “광속도 불변의 원리”의 진정한 의미인,

““자유공간에서의 빛의 속도는 광원이나 관측자가 어떠한 운동을 하더라도 어디에서나 동일하다”

라는 뜻은 대기로 둘러싸여 “계”를 이루고 있는 지구를 알지 못한 Michelson-Morley의 하지도 않은 실험의 변명에

서 나온 것이다.

Einstein의 논문을 참고하여 발췌하면,

“Any ray of light moves in the “stationary” system of co-ordinates with the determined velocity c,

whether the ray be emitted by a stationary or by a moving body.“

‘whether the ray be emitted by a stationary or by a moving body’ 라고 했지 어디에 움직이는 관측자에

대한 이야기가 있는가?

다른 말로 표현한다면, Einstein의 두 번째 가정이 뜻하는 것의 설명을 보면

"이 가정이란, 한 관측자에 의해 측정되는 빛의 속도는, 그 광원이 관측자에 대하여 균일한 속도로 운동하고 있는

한, 관측자에 대한 이 광원의 속도가 얼마이든 관계없이 늘 일정하다는 것이다."

                              [아인슈타인 1 . 장회익역. 전파과학사. 1993. p.95]

라고 한다.

또 다른 설명을 보면,

"이 원리가 말하는 것은 가령 우리가 빛을 발하는 손전등을 가지고 이것이 발하는 빛의 속

도를 측정한다고 할 때, 이 빛을 발하는 손전등이 관측자에 대하여 아무리 빨리 움직인다고

하더라도 이 움직임에는 관계없이 항상 동일하다는 것이다." [아인슈타인 1. 위의 책. p.95~96]

"우리는 지금 이 "광속일정의 원리(principle of constancy)"에 대해 직접적인 실험적 증거

를 제시할 수 있다. 가장 극적인 예는 <2중성>(double stars)-서로의 주위 궤도를 돌고 있

는 한 쌍의 별들-으로부터 나오는 별 빛에서 찾아 볼 수 있다. 이 2중성의 운동 궤도 안에

는 별이 지구로 향해 움직이는 부분과 또한 지구에서 멀어지는 부분이 있을 것이 틀림없다.

만일 궤도상의 이 두 위치에서 발생한 빛의 속도가 서로 다르다면 이 움직이는 별을 보게

될 때 여러 가지 <유령>(ghost)형상들이 우리에게 나타나 보이리라는 것을 쉽게 증명할 수

있다."

                                    [아인슈타인 1. 위의 책. p.96]

즉, Einstein의 광속일정이란 말은 광원이 어떠한 운동을 하더라도 광속이 일정하다는 의미인 것이다.

이것은 날라리 한국일보 기고 글과 같이,

“달리는 자동차에서 나오는 빛은 정지한 자동차에서 나오는 빛과 마찬가지로 광속으로 진행한다. 이는 우리의 일상

경험과 맞지 않는다.”

라는 우스꽝스러운 말까지 만들어 내고 있다.

이러한 논리라면 음속도 마찬가지임을 알아야 한다.

총소리나 비행중의 비행기에서 나오는 소리나, 나로호 우주선의 발사과정에서 나오는 소리나 모두 음속은 동일하기

때문이다.

그렇다고 “음속도일정의 원리”라고 만들어 내야 할 것인가?

비록 잘못된 결론으로 매겨진 Michelson-Morley 의 실험에서의 광속도일정의 원리라는 것은 음파에 비유할 경우,

음원을 향하여 ‘관측자가 접근하거나 멀어지는 경우’에도 음속도가 일정해야 “음속일정의 원리”라고 할 수 있는

것이다.

Einstein 의 가정에 관측자의 운동이 있는가?

Maxwell의 투자율(permeability), 유전율(permittivity)로 나타낸 전자기파를 입증한

H. Hertz 가 “빛은 전자기파”라고 했다면 Hertz의 전파발생기를 향하여 접근하거나 멀어지는 관측자가 전자기파의 속력을

측정했는가?

그래야 “Maxwell의 광속일정”이라고 하지!!!

결론적으로 말해서 Michelson-Morley 나 Maxwell 은 실험은 하지도 않고 “광속일정의 원리”라는 용어를 만들어 낸 것일

뿐이다.

결국 무슨 이야기인가?

[정지한 매질에 대한 파동의 속력은 매질 고유의 특성에 따른 일정 속도를 갖는다]

라고 하면 되는 것이다.

이때 매질이 수면일 때는 “기준면”인 x, y 로 나타내고,

공간일 경우에는 “기준계”(기준부피)의 크기를 나타내는 x, y, z 나타내는 것이다.

여기서 “기준계”(기준부피)라는 “계”의 정의가 필요한데,

“계”의 정의

“ "계(系)" 란 '열역학에서 문제가 되는 일정량의 물질군을 가리킨다.

​즉, 자연현상을 생각할 때, 그 성질을 명백히 하기 위해서는 자연계의 일부를 임의로 나누는 경계를 설정한다.

​이와같이 하면 자연계는 경계의 내측과 외측으로 나누어진다. ​

경계 내를 "계(系)", 경계 외를 주위 또는 외계(外界)라고 한다. ​이러한 "계(系)"는,

개방계 혹은 열린계[系:open system] : 외계와의 사이에 물질과 Energy 출입이 가능

밀폐계 혹은 닫힌계[系:closed system]：Energy 만 이동이 가능

고립계[系:isolated system] : 물질과 Energy 의 수수가 없음

로 구별이 된다. "

따라서

대기로 둘러싸인 지구는 개방계 혹은 열린계[系:open system]

우주선과 같은 경우는 밀폐계 혹은 닫힌계[系:closed system]

라 할 수 있으며, 고립계[系:isolated system]라는 것은 상상으로 존재하는 “계”인 것이다.

이러한 “계”의 정의를 알고 나면 “우주 공간에 단 혼자 있는 당신이 움직이고 있는지 움직이지 않는지 결코

알 수 없다“ 라는 생각의 상대성원리는 잘못된 개념이 되는 것이다.

그 이유는 “우주 공간에 단 혼자 있어도 나의 움직임을 알 수 있기 때문”이다.

[3] 상대성(相對性)

Michelson-Morley 의 하지도 않은 실험에 의하여 우주적 기준으로 삼을 Ether의 존재가 부정되면서 모든 운동은

상대적이라는 “상대성원리” 라는 말이 나오게 되고, 잘못 얻어진 결론인 “광속도 불변의 원리”가 나오게 된 것이며

이로 인해,

“속도란 진행거리를 소요시간으로 나눈 값이다. 광속도를 억지로(억지라기보다도 자연계의 실정에 따라서라고

말하는 편이 낫다. 결코 억지가 아니기 때문에) 일정하게 한 것이므로 거리라든가 시간 쪽에 여파가 가는 것이

당연하다.“

                              [4차원의 세계. 김명수역. 전파과학사. 1987. p.174]

광속도를 일정하게 하기 위하여 거리나 시간쪽에 여파가 간다는 것이 “상대성이론”인 것이다.

[4] 우주 공간에서 자신의 속도측정

상대성원리의 근본 개념적인

“우주 공간에 단 혼자 있는 당신이 움직이고 있는지 움직이지 않는지 결코 알 수 없다“

라는 생각은 ”계“의 개념을 모르기 때문에 나온 것으로 자신의 속도 측정 방법에 대해 알아본다.

여기서 백진태 개인적으로는 우주를 충만하고 빛의 전달 매질인 Ether 존재를 믿지만, Ether 가 없다고 해도

빈 공간 그 자체에 대한 나의 속력을 구할 수 있다면 “상대성”원리든 이론이든 모두 쓸모없는 말장난일 수밖에

없으므로 독자적인 속력 측정방법은 중요하다.

우선 참고로 보아야 할 내용을 소개한다.

“이러한 에테르 속을 천체가 움직이고 있는지 어떤지를 어떻게 하면 알 수 있을까? 지금 우

리가 배에 타고 있다면, 그 배가 움직이고 있는 것은 배 옆의 물이 움직이고 있는가 어떤가를

봐서 알 수 있다. 그런 것은 뱃머리의 물결을 보거나 물속에 손을 넣어 보면 간단하게 알 수

있다. 그리고 물이 배의 주위를 흐르고 있으면, 배는 물속을 지금 움직이고 있다고 생각할 수

있다. 이것이야 말로 과학자가 에테르를 발견하는 데에 쓴 방법이다. 이것은 <에테르의 흐름>

또는 <에테르의 바람>이라고 얘기되어 오던 것을 발견하려는 한 시도였다. 만약 에테르의 바

람을 발견할 수 있었더라면, 지구가 에테르 속을 운행하고 있다는 것이 증명될 수 있을 뿐만

아니라, 아주 중요한 결론을 얻게 된다. 즉, 에테르는 상상했던 대로 실재한다는 것을 알 수

있기 때문이다.”

                 [상대성원리. 박봉렬감수. 현암사. 1974. p.15~~72에서 발췌]

“타고 있는 배가 움직이는지 아닌지 알 수 있는 방법은 배 옆으로 흐르는 물속에 손을 넣어보는 것” 이라는 내용을

숙지할 필요가 있다.

물속에 손을 넣는다고 해서 배 내에 있는 풀장의 물이나 물그릇의 물속에 손을 넣는다면 내 배의 운동을 알 수 없는 것은

누구나 알 수 있으리라 본다.

<실험방법>

일반 학생들에게 널리 알려진 엉터리 시간팽창에 관한 내용 중에 빛 시계를 이용한다.

절대 정지한 혹은 Ether로 충만한 아니면 아무것도 없는 빈 공간인 우주를 Rocket을 타고 여행을 한다고 하자.

우주선은 당연히 밀폐계 혹은 닫힌계[系:closed system]라 할 수 있으며, 창문도 모두 닫아 외부에 보이는 항성이나 상대적

목표로 삼을 그 무엇도 안 보인다고 하자.

이때 우주선 내부에 Michelson-Morley 의 간섭계를 갖고 있다고 해서 우주선 자신의 속도를 측정 할 수 있을 것인가?

백진태가 확신을 하지만 계절을 달리하거나 거실, 안방으로 위치를 달리하거나 후손 대대로 실험을 한다 해도 자신의 속도를

알 방법은 없을 것이다.

이것이 바로 Michelson-Morley 가 행한 실험?이라는 ‘물속에 손을 넣는다고 해서 배 내에 있는 풀장의 물이나 물그릇의 물속에

손을 넣는’ 결과인 것이다.

그러니 백진태가 늘 주장하듯이 Michelson-Morley 는 간섭계를 만들기는 했지만 실험을 하지 않았다는 것이고 그 결과로 나타

난 것이 “상대성원리”라는 것이다.

유일한 방법은 Michelson-Morley 의 간섭계를 우주선 외부에 설치하는 방법뿐이다.

그래야 “배 옆으로 흐르는 물속에 손을 넣는 것과 같은 효과”가 있는 것이다.

그러나 그들의 간섭계는 정밀도가 있을지 모르지만 다루기에는 너무 번거로울 수 있다.

아주 간단한 방법은 CD( compact disc )와 같은 반사판을 우주선 표면에서 거리 R되게 설치하는 것이다.

                                                     [그림] 우주선 표면의 반사판

우주선이 그 어떤 공간 내에서 어느 속도 v 로 운동할 때

[그림 A] 는 닫힌계[系:closed system]인 우주선 내부에서 천정으로 발사된 빛의 왕복이고,

[그림 B] 는 계의 표면인 우주선 외부에서 거리 R 되게 설치한 CD에서 반사된 빛이다.

그림의 표현이 어줍어서 사선으로 그렸지만 빛은 관성을 갖지 않기 때문에 거리 R을 왕복한 것이라는 표현이다.

[그림 A]인 경우에 시각(時刻) t1 에 발사된 레이저 빛이 거리 R되는 천정에 시각(時刻) t2에

반사하여 시각(時刻) t3 에 원점에 도착한 그림으로 빛의 왕복 시간(時間) 2t 는

2t = t3-t1

으로 나타낼 수 있다.

편도의 시간은 t 가 된다.

그러나 우주선 내부에서는 빛이 상하로 운동을 했을 뿐 이동 거리는 나타나지 않는다.

특히 주의해야 할 것은 “반드시” 시각(時刻)을 알아야 시간(時間)을 구할 수 있다는 것이다.

상대론자들이 하는 것처럼 시간(時間)을 저절로 알 수 있는 것이 아니다.

[그림 B] 의 경우는 사정이 조금 다르다.

우주선 외부에서 발사된 빛은 관성을 갖지 않으므로 시각(時刻) t2에 반사판에서 반사되고(이때 편도 시간을

t = t2-t1 이라 하자), 시각(時刻) t3 에 우주선 관측자에게 도착한다면 빛이 거리 R 왕복 시간(時間)은 2t = t3-t1

으로 나타낼 수 있다.

이 시간(時間) 2t 동안 우주선에 도달한 빛의 이동 거리가 빛의 발사 원점으로 부터 2x 라 한다면

2t 는 2R(왕복)을 빛이 왕복한 시간(時間)이므로 우주선의 속도 v 는

                              v = 2x/2t = x/t

로 나타나게 된다.

여기서 t = R/c 이므로 윗 식을 다시 쓰면

                      v = x/t = x/R/c = (x/R)c

로서 우주선 자신의 속도를 구할 수 있다.

문제는 “계”의 개념을 알아야 얻어지는 실험 방법인 것이다.

Michelson-Morley의 실험? 이라는 것은 윗 그림의 [B] 와 같은 질점적인 계산을 했지만,

[그림 A]와 같이 “열린계[系:open system]”를 이루고 있는 지구 내에서 실험을 한 것이기 때문에 그들이 기대했던

빛의 간섭무늬가 나올 수 없었던 것이다.

이것은 Michelson-Morley 의 간섭계를 지구 대기권 밖 외계로 갖고 가야 제대로 된 실험임을 나타내는 것이며,

지구 대기 내에서 간섭계를 만들어 놓기만 한 행위는 옛날에 Newton 선생이 언급했듯이

" '배 안'에서 어떤 실험을 하더라도, 배가 물위를 달리고 있는지 어떤지를 판정할 수 없다. 마찬가지로, 지구위에 있는 우리들

은 '지구위' 에서 어떤 실험을 하더라도 "에테르" 속을 통과하는 지구의 운동을 발견 할 수는 없다. "

                               [상대성원리. 위의 책. p.83]

역시 관찰력의 대가(大家) 다운 안목이 아니겠는가?

[결론]

“계”의 개념을 알았더라면 ‘상대성원리’든 ‘상대성이론’의 “상대성”이라는 말은 없었을 것이다!