광속불변의 법칙

[유토피아]

아인슈타인의 특수 상대성 원리를 설명할 때 '광속은 항상 일정하다'라는 광속 불변 원리를 얘기합니다.

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저 역시 어떤 이유로 빛만 관측자의 운동에 관계없이 일정한지 궁금하여 공부해보았습니다.

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빛은 입자의 성질과 파동의 성질을 가지고 있습니다. 빛의 이중성이라고 하죠.

보통 파동은 매질이 필요합니다.

물결이 치기 위해서는 물이라는 매질이 필요하고, 음파가 전달되기 위해서는 공기라는 매질이 필요하죠.

진공상태에서는 소리 전달이 되지 않습니다.

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그런데 특이하게도 빛이라는 이 녀석은 매질이 필요 없는 파동입니다.

이는 1887년 마이컬슨과 몰리가 했던 실험을 통해 '에테르'라는 매질이 없다는 것이 밝혀지죠.

만약 에테르라는 것이 있다면 에테르 흐름이 지구의 움직임에 따라 흐름이 변하며 빛의 속도에 영향을 주리라 생각했던 것입니다.

하지만 광원을 반거울에 쏘았을 때 검출기에 도달하는 두 빛 간의 시간차는 나타나지 않았습니다.

이 실험기기(간섭계)는 100조 분의 1초 차이도 검출할 수 있었는데 말이죠.

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이 실험 이전까지 빛은 '에테르'라는 매질을 통해 전달될 것이라고 믿었습니다.

그래서 이 '에테르'라는 물질을 확인하기 위해 실험을 했던 것이죠.

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하지만 이 실험을 통해 '에테르'라는 매질은 존재하지 않는다는 것이 밝혀졌고, 이 공로로 노벨상까지 받게 됐습니다.

실패한 실험으로 상을 받게 된 것이죠.

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그렇다면 매질이 필요 없는 파동이라는 것이 광속 불변과 무슨 관계인지 알아볼까요?

하나의 가상 상황을 만들어 설명하겠습니다.

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아래 그림과 같이 잔잔한 호수가 있습니다.

거기에 돌을 던진 후 바로 물결의 진행 방향으로 뛰어간다고 생각해봅시다.

파동의 속도는 10m/s, 사람이 뛰어가는 속도는 5m/s 일 때 파동이 진행하는 속도는 5m/s로 진행하는 것으로 보일 것입니다.

하지만 빛의 경우 매질이 없으므로 정지한 사람이 보아도, 빛의 속도로 달리는 사람이 보아도 30만 km/s로 이동합니다. 매질이 없기 때문이죠.

직관적으로 이 현상은 이해가 불가능합니다. 그래서 상대성 원리가 어렵게 느껴진다고 생각합니다.

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자 그렇다면 광속의 90%로, 서로 반대 방향으로 달리는 두 사람이 있다고 합시다.

그러면 두 사람은 각각 다른 사람이 달리는 속도를 광속의 180%로 느낄까요?

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결론은 아닙니다.

두 사람이 각각 느끼는 상대방의 속도는 아래 식과 같습니다.

사실 저 공식이 나온 원리까지는 모릅니다.

하지만 위 공식을 통해 절대 광속을 넘어설 수 없다는 것을 알 수 있습니다.

아울러, 우리가 흔히 알고 있는 상대속도는 광속에 비해 매우 작기 때문에 분모가 1이라고 보아도 무방합니다.

따라서 v = v₁ + v₂라고 쓰고 있는 것이죠.

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고전물리학에서 현대물리학으로 넘어오며 우리가 직관적으로 이해하기 힘든 부분이 많습니다.

이 직관을 깨고 물리학을 한 걸음 더 발전시킨 것이 바로 아인슈타인이죠.

실험 없이 오로지 사고실험과 직관만으로 엄청난 이론을 완성시킨 아인슈타인. 정말 대단하지 않나요?

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지금까지 광속 불변 원리에 대해서 알아보았습니다.