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상대성 이론이란 무엇인가(Qu'est-ce que la relativite?)
프랑수아 바누치, 김성희, 민음IN: 009, 2006, P.71.
- 프랑수아 바누치(Francois Vannucci, s.d.) [파리7대학 물리학교수] Qu'est-ce que la relativite? 2005(?), 아틀라스: 기본입자들의 새로운 도전(ATLAS: Le nouveau defi des particules elementaires, 2007), 중성미립자들은 천국으로 가는가?(Les neutrinos vont-ils au paradis ?, 2002), Le vrai roman des particules elementaires, 2011 - 공저: Francois Vannucci, Michel Crozon, 기본입자들(Les particules elementaires, 1993) [크로종(Michel Crozon, 1932-2008) 프랑스 물리학자.] ,
- 김성희: 부산대 불어교육과 동 대학원졸
- 곽영직: 서울대 물리학과 미국 켄터키대 박사학위, 현 수원대 물리학과 교수
*지구상에는 기준계로 번역된 기준좌표계에 따라 상대성이 있다는 것이 갈릴레이 설명을 따라가면 그렇게 이해된다는 것이다. 이 상대성에 기준계라는 것이 없다는 방향으로 가게되는 것은 빛의 성질 때문일 것이다. 그런데 이 책은 빛의 성질로서 절대속도가 당연히 있는 것으로 설명하였다. 내 생각으로는 절대속도를 좌표계 없이 설정할 수 있다는 것은 절대공간을 설정하는 것과 마찬가지 일 것으로 보인다. 우주 천체현상에서 시간-공간의 상대성을 설명하기 위해 빛을 통한 설명이 어쩌면 우주에 대한 절대 공간의 설정으로 바꿔 놓았고, 이로서 시초와 종말에 대한 선입견을 갖는 것은 아닐까? 시초를 점으로 보면, 점 자체는 한계가 없는 페라스, 즉 아페이론이라는 플라톤 가설에 빠진다. 아페이론의 설명을 위해 끈이론을 끌어들이는 것은 아페이론에 한계를 부여하는 방식처럼 보인다. 즉 점이 아니라 끈이라는 것은 한계의 설정으로부터 시작할 수 있기 때문이다. 플라톤이 아페이론에서 이데아와 만날 수 있는 쪽을 효라(코라)라고 했듯이 끈이론도 마찬가지로 한계설정에 들어간 것으로 보인다. 그러나 물질자체는 한계설정이 아니라는 전제를 뒤엎을 수 없다. 이게 인간인식의 한계(지성의 능력)일 것이다.
다른 한편, 오랜 만에 벩송의 지속과 동시성: 아인슈타인 이론에 대하여(Duree et simulateite: A propos de la theorie d'Einstein, 1922)과 동시성을 펼쳐보았다. 벩송의 수식이 어려운데 비해, 바누치는 꼭 필요한 수학적 계산들을 추려놓았다. 이해가 어렵지만 왜 변환에 대해 그토록 연구자들이 논쟁하는 것일까를 볼 수 있다. 사실 자연적 실재성의 근원과 종말에 대해 아직 모른다는 것에 대해 인간 지성이 도전하고 있는 중인 것 같다. 그래 그 분야도 열심이고, 아직도 50억년 동안 남은 태양연료가 문제도 아니고, 지구상에 지성이 할 수 있는 우주에 관해서 말고도, 인간들 사이에 기아, 질병, 불평등에 대한 고민이 그보다는 훤씬 커야 하는 것이 아닐까 한다.
새로운 사회의 건설을 위해서, 거시와 미시 물리학적 사유가 필요할까? 아뇨이다. 생물학적이고 심리(영혼)적인 것이 더 필요할 것이다. 그래도 이 생명의 내부를 알기 위해 전자와 빛에 대한 연구가 학제간에 필요하다는 것은 인정해야 할 것이다. 그런 의미에서 물리학도 필요하다.
참조: 빛의 속도는 어떻게 잴까?(Quelle est la vraie vitesse de la lumiere? 2004)(장루이 보뱅, 김희경, 민음IN: 029, 2006. P.72)
(47VMD)
# 이 책의 이해를 위한 년표****
전300? 에테르 (플라톤에서 또는 아리스토텔레스에서)
1632 갈릴레이의 종교재판
1887 마이컬슨(Albert Abraham Michelson, 1852-1931)[과 몰리]의 실험, 빛의 속도를 재는 실험을 했다. 이것은, 나중에 아인슈타인 등에 의해 빛은 상대속도가 없다는 것을 증명하는 첫째 시도가 되었다. 그는 독일(프러시아) 출신 미국 물리학자. 1907년 노벨 물리학상 수상.
1904 로렌츠는 기준계 R1(x1, t1)과 기준계 R2(x2, t2) 사이 이동은 로렌츠 변환이라고 불리는 공식[방정식]으로 표현하였다. 다음해 아인슈타인은 자기 이론의 틀에서 이 방정식을 독립적으로 만들게 될 것이다.
1905 아인슈타인(Einstein, 1879-1955)의 특수상대성이론(La relativite restreinte)이 발표되었다.
1916 아인슈타인의 일반상대성이론(la relativite generale) 발표.
1919년 5월. 어떤 별에서 나온 빛이 태양 근처를 지나갈 때, 그 빛은 인력 때문에 태양쪽으로 끌려 들어갈 거라는 예측이었다. 이러한 주장은 개기일식이 일어났던 1919년 5월 영국의 천문학자 에딩턴(Arthur Eddington)에 의해 확인 되었다.
1922 베르그송의 지속과 동시성: 아인슈타인 이론에 대하여(Duree et simulateite: A propos de la theorie d'Einstein, 1922)(1923년 판에는 본문의 수정 없이, 새로운 「서문(Aant-Propos)」와 세 편의 「부록(Appendices)」을 첨가하였다.) 여기에 마이컬슨과 몰리의 실험, 로렌츠 변환, 아이슈타인의 일반 및 특수 상대성원리 그리고 우주 여행의 ‘뽈과 삐에르’의 예들에 대한 수학적 논의를 하고, 시간지속은 시간을 공간화하는 4차원과 다르다고 한다.
1927 르메트르(Georges Lemaitre, 1894–1966)가 우주 진화의 기원을 서술하기 위하여 빅뱅(Le Big Bang) 모델을 제시했다.
# 우선 참고자료*****
빛의 속도는 어떻게 잴까?(Quelle est la vraie vitesse de la lumiere? 2004)(장루이 보뱅, 김희경, 민음IN: 029, 2006. P.72)
E=mc² 이란 무엇인가: 물리학의 혁명을 이룬 위대한 공식(장-루이 보뱅, 김성희, 민음IN: 055, 2008, P.73)
상대성 이론이란 무엇인가(Qu'est-ce que la relativite?, 2005)(프랑수아 바누치, 김성희, 민음IN: 009, 2006, P.71)
*** 내용
차례 5
* 질문: 상대성 이론이란 무엇일까? 7
아인슈타인(Albert Einstein, 1879-1955) (7)
아인슈타인이 1905년 처음 발표한 상대성 이론의 성과를 이해하려면, 우선 17세기로 거슬러 올라가야 한다. 상대성이라는 개념이 처음으로 생겨난 것이 그 무렵이기 때문이다. 그리고 최초로 그런 생각을 한 사람은 바로 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564-1642)였다. (8)
1. 상대성이란 무엇일까? 9
- 갈릴레이의 상대성이란 무엇일까? 11 / 물리 법칙은 언제나 똑같이 적용될까? 20 / 빛의 속도가 왜 문제일까? 25
지구는 우주의 중심이 아니다. 지구는 우주 속에서 끊임없이 운동하고 있다. 자기 스스로 돌고(자전), 그러면서 태양주위를 도는(공전) ... 그런데 사실은 .. 태양계 전체가 은하의 중심을 돌고 있으며, 우리 은하 역시 우주를 이루는 다른 수많은 은하들과 함께 운동하고 있다. (11) [자연철학의 토대는 운동이며 그것도 회오리 같은 운동일 것이다. 중심에서 이탈하며 확장하는 운동, 그렇다면 이탈 또는 확장하면 어떻게 될까? .. 아직은 모른다. (47VLG)]
갈릴레이는 배의 돛대 꼭대기에서 한 선원이 칼을 떨어뜨린 경우를 생각해 보았다. 물론 그 순간에도 배는 계속애서 같은 속도로 육지에서부터 벌어지고 있는 중이다. 그 때 칼은 어디에 떨어지게 될까? 배에 탄 선원들은 칼이 수직으로 곧장 갑판 위에 떨어진다고 대답할 것이다. 하지만 부두에 산책하다가 마침 망원경으로 그 모습을 본 사람이 있다면, 그 사람은 칼이 포물선을 그리며 떨어졌다고 할 것이다. 칼이 손에서 털어지는 순간의 수평 속도가 0이 아니라, 움직이는 배의 속도와 같은 상태니까 말이다. / 누구 대답이 맞을까? / 어느 쪽이 더 맞다고 할 것도 없이 양쪽 모두가 옳다. (14-15)
배와 항구의 예는 어떤 움직임을, 서로 다른 두 가지 틀을 기준으로 시술할 수 있음을 보여준다. 이때 기준이 되는 틀을 기준계라고 부른다. (15) [les referentiels inertiels].
물체가 아무 힘도 받지 않는 상태, 그래서 계속 정지해 있거나 계속 등속 직선운도을 하는 상태를 갈릴레이 기준계 또는 관성계[Un referentiel galileen, ou inertiel, le principe d'inertie]라고 부른다. 뒤에서 살펴볼 상대성 이론은 바로 그러한 두 관성계 사이의 이동 공식을 밝힌 것이다. (17)
상대성이론은 관측자의 이동이 물리량에 미치는 영향을 분석한다. 예를 들어 어떤 물체의 길이와 질량이 그것을 측정하는 기준계에 따라 다른 값이 된다는 것이다. .. 이런 것들을 갈릴레이의 상대성[la relativite de Galilee]이라 한다. 반면에 나중에 살펴볼 내용이지만 입자의 평균 수명이 연장되는 것과 같은, 일상에서는 전혀 느낄 수 없는 상대성도 있다. .. 이런 현상을 두고 아인슈타인의 상대성[la relativite d'Einstein]이라고 한다. (18-19)
상대성 이론[la theorie de la relativite]은 한 가지 현상을 두 개의 다른 기준계에서 측정할 때 어떻게 되는가를 검토하는 것이지 철학자가 말하는 상대성과는 같은 뜻이 아니다. 굳이 비교하자면 상대주의 철학[le relativisme]은 인간의 지식이 절대적일 수 없고 주관적인 것일 뿐이라는 주장이며, 따라서 이 경우에는 기준계 자체가 아예 없다. (19) [고대 상대주의라는 개념은 프로타고라스처럼 기준계가 각각이기에 어는 것을 기준계로 삼을 수 없을 때 쓰인다. 기준계가 없다면 회의주의라고 표현해야 할 것이다. (47VLG)] 속도 합성(20)
물체가 정지 상태로 나타나는 기준계는 항상 존재하는데, 이때 기준계는 물체와 함께 이동 한다. (23) [(기차를 타고 가듯이) 같이 움직이는 물체들은 기준계가 동일하다. 즉 부동이다. 봄 여름 가을 겨울의 간격을 줄이거나 늘여도 똑같은 순서이다. (47VLG)]
갈릴레이적인 사고에서 따르면, 시간의 움직임은 기준계를 바꾸어도 변하지 않는다. 시간은 모든 기준계에서 동일하게 흐르며, 거의 절대적인 것으로 생각할 수 있다. 고속 전철에 내가 찬 손목시계와 플랫폼에 있는 역장이 찬 손목시계가 같은 속도로 돌아가듯이, 시간은 언제나 똑 같다고 생각한 것이다. 이 경우에 어떤 사건의 지속시간, 즉 그 일이 일어난 순간 t와 끝난 순간 t'사이의 간격은 ΔT= t'-t로 표시되는데, 이 값은 기준계와 상관없이 일정하게 나타난다. (24) [데카르트가 도깨비가 아무리 시간을 빨리 돌려도 (등속도)일 경우에 그 값은 불변한다고 했다. 벩송도 (47VLG)]
빛의 속도는 초속 29만9792킬로458미터로서 오늘날에는 매우 정확하게 측정되고 있다. 이는 측정 결과로 머무는 것이 아니라 파리 세브르 박물관에 있던 1미터 길이의 표준금속을 대신하여 표준비터를 보여주는[제시하는] 근거로 활용되기도 한다. (26)
사람들은 이 특별한 매질에 에테르라는 이름을 붙였다. .. 고대 그리스 사람들은 세계가 물, 불, 흙, 공기라는 네가지 요소로 이루어져 있다고 믿었는데, 그 네 가지와는 달리 에테르는 변하지 않는 매질로 여겨졌다. (27)
1887년 미국의 마이컬슨과 몰리가 이를 증명하기 위해 유명한 실험을 했다. .. 즉 지구가 에테르 속에서 운동한다고 가정한 후 에테르에 대해 빛의 속도가 일정하다면, 지구의 운동과 같은 방향으로 잰 빛의 속도와 지구의 운동과 수직인 방향으로 잰 속도를 비교함으로써 지구가 움직이는 속도를 알 수 있으리라는 발상이었다.(28-29)
그런데 실험 결과 두 방향에서 잰 빛의 속도는 전혀 차이가 나지 않았다. .. 빛의 속도는 냉정하리만치 고정된 한 가지 값으로만 계속 나타났고, 속도 합성법칙도 따르지 않았다.(29)
2. 아인슈타인의 상대성은 어떻게 다를까? 31
- • 아인슈타인은 어떻게 문제를 해결했을까? 33 / 시간이 어떻게 변하는가? 40 / 상대성 이론을 방정식으로 풀면? 44 / E=mc2이란 무슨 뜻일까? 49 / 상대성 이론을 일반화할 수 있을까? 54
아인슈타인은 우선 어떤 물체가, 예를 들어 거울이 빛과 같은 속도로 이동할 수 있다면 어떠한 일이 일어날까를 생각해보았다. 거울에 대해 빛은 정지 상태에 있게 될 테고, 빛이 거울에 반사되는 일도 일어나지 않을 것이다. 이 말은 광학에서 만든 법칙들이 이러한 조건에서는 무효가 된다는 뜻이다. (34)
아인슈타인은 놀랍고도 대담한 방식으로 이 딜레마를 해결했다. 그는 두 가지 가설을 세웠다. 첫째 가설은 모든 관성계 내에서 물리법칙이 동일하다는 갈릴레이의 상대성 원리를 일반화하는 것이었다. ../.. 둘째 가설은 빛은 광원의 운동이나 관찰자의 운동과는 무관하게 항상 변함없이 속도 c로 공간에 전파된다는 것이다. (34)
갈릴레이 속도 합성공식을 이용해서 수학적으로 말하자면, 그 공식은 c+v=c로 표현된다... 극단적인 예를 들자면 c+ c=c가 된다는 것이다. .. 설마 그럴까 싶은 데도 자연은 이 터무니없게 보이는 성질을 따르고 있다. (35-36)
아인슈타인이 세운 가설대로라면 빛의 속도에 대해서는 특별한 공간이 없을 뿐만 아니라 특별한 시간도 없다. (36)
삐에르와 뽈이라는 쌍둥이 형제가 있다. .. 뽈은 지구에서 25.3광년 떨어져 있는 별 베가로 가는 로켓을 탔다. ../ 그 로켓을 타고 베가에 무사하게 도착했을 때 폴의 나이는 23세 6개월로 여전히 청년이었다. .. 그런데 지구에 남아있던 피에르는 이미 마흔다섯째 생일을 치른 후였다. (36-38) [벩송이 생명의 시간을 기준으로 이런 계산이 있을 수 없다고 부정했다. / 25.3광년인데 3년 6개월인지에 대한 답은 47쪽에 로렌츠 변환의 공식을 설명하여 일곱배 차이가 난다고 한다. 25.3년을 7로 나누면 3하고 6인데, 설명이 맞다면 3년하고 4.3/7년이니 어림잡아 7월이 되어야 하지 않을까? 한다. 왜냐하면 3.5가 6개월이니까. (47VMB)]
시간은 정지해 있는 관찰자보다 움직이고 있는 관찰자가 측정할 때 더 느리게 가는 것으로 측정된다. 이 현상을 상대성 이론에서는 시간의 지연이라 부른다. 그리고 사건이 정지해 있는 것으로 고려되는 기준계(폴에게 로켓)에 묶여 있는 시간을 고유시간[temps propre]이라고 한다. 동일한 한가지 현상(로켓이 출발해서 도착하기까지의 시간)에 대해 측정할 수 있는 모든 시간들 중에서 고유시간이 가장 느리게 흘러간다. 운동하는 물체의 시계는 항상 더디게 가는 시간을 나타낸다. (38-39) [벩송이 반대한 이유는 물리적 시간은 공간이라는 틀 속에서 시간을 잰 것이고, 생명은 자기 생성의 시간이 따로 독립변수로 있다는 것이다. 벩송의 말에 비추어 보면, 뽈과 삐에르의 생명현상의 각자의 고유성이 있는 것이 아니라, 인간이란 생명의 고유성이 있다. 그런데 뽈의 생명현상의 진행은 삐에르의 생명현상의 진행보다 더 느리게 진행하는 즉 늙음 현상의 상이한 방식의 지연이 있다고 하게 된다는 것은 잘못이라는 것이다. 내 생각으로는 뽈이 여행할 수 있는 몸이라면 이미 다른 생명종일 것이다. 그 뽈과 삐에르의 삶의 비교는 비교 대상이 아니라고 해야 할 것이다. 물리적으로 둘 사이의 시간 지연의 차이가 있다고 하더라도. (47VMB)] [시간지연(時間遲延, time lag , time delay, time dilation) - des intervalles de temps] / [시간, 길이들, 속도들(Le temps, les longueurs, les vitesses)에서 동시이지만 길이들의 차이로 시간지연을 설명한다.]
만약 실제 나이를 비교하기 위하여 로켓이 지구로 돌아오려고 한다면 로켓은 지구로 돌아오기 위해서는 커다란 가속 과정을 거쳐야 한다.[50.6광년이상 걸릴 것이다. 빛보다 빠른 속도를 생각해야 하다니..] 따라서 더 이상 관성계 사이의 관계를 설명해 주는 특수 상대성 이론이 성립되지 않는다. 가속계를 다루는 일반 상대성이론에 의하면 가속계에 있던 폴이 나이를 덜 먹는다. (39) [시간을 공간의 종속변수로 놓은 것은 되돌아오는 것을 생각하는 것에서 오류가 생기는 것이 아닌가? (47VMB)]
•시간이 어떻게 변하는가? 40
[시간이 변하는 것이 아니라 물리학적 시간 속에서 양적으로 변환하는 것은 아닐까? 질적 변환(입자의 에너지 변환처럼 비유하면 곤란하겠지만)은 다른 방식이 아닐까? ]
시간 지연은 상식만으로 생각해서는 이해하기 어려운 개념이다. 우리가 경험할 수 있는 차원에서는 시간이 팽창하는 효과를 전혀 지각할 수 없기 때문이다. (40)
상대성 이론이 필수적으로 적용되는 영역은 두 가지가 있다. 하나는 입자 물리학이고[양자역학], 다른 하나는 천체 물리학이다. 다시 말해서 극도로 작거나 극도로 큰 영역의 이야기다. (40) [시간의 적용이 생명현상이 아니라 미립자의 수준이다. 이 수준을 생명에 적용하는 것은 적용의 오류가 아닐까? / 천체물리학에서 우주선도 또한 입자 물리학과 같은 범주에 속하는 것이 아니겠는가? (47VMB)]
[미시적 차원] 시간 팽창은 원소의 입자들에 엄청난 속도를 가할 수 있는 입자 가속기에서 항상 일어나고 있다. 그러나 입자들은 대부분 불안한 상태이기 때문에 쉽게 분열되고, 따라서 수명이 아주 짧다. ... 뮤온의 경우 수명 t는 2.2마이크로초 밖에 되지 않는다. (40-41) [뮤온(muon) 또는 뮤 입자는 렙톤의 3 세대 중 둘째 세대의 전하를 띤 기본입자이다. 뮤온의 평균 수명은 약 2.2 마이크로초이며, 질량은 약 0.11 원자 질량 단위다. / 우주선이 지구 대기권으로 들어올 때 대가 상층부의 입자들과 충돌하는 과정에서 뮤온을 비롯한 입자들이 만들어진다. / 우주선(Le rayonnement cosmique)은 원자핵의 흐름이며 고에너지 미립자의 흐름이다(flux de noyaux atomiques et de particules de haute energie) / 우주선은 1895년 스코틀랜드 물리학자 윌슨(Charles Thomson Rees Wilson, 1869-1959)에 의해 발견되었다. 1927년 노벨물리학 수상자이다.]
[거시적 차원에서] 초신성의 폭발은 가까이에서 관찰하면 십여 초 동안 입자가 폭발하는 현상이라고 할 수 있다. 그런데 초신성이 훨씬 더 물리 있을 경우 폭발이 더 오래 지속되는 것처럼 보인다. .. 이때 신성이 멀어지는 것은 우주의 팽창 때문인데, 이는 뒤에 가서 다시 다룰 것이다. (42) [초신성의 폭발에서 팽창.. 그것은 우주의 팽창이라기보다 초신성의 영역이 확장되는 것일 것이다. 왜냐하면 우주의 다른 부분이 팽창이라고 하면 우주 전체의 팽창이어야 할 것인데 그것을 검증하지 않고서 초신성이 지닌 능력(puissance)를 보면 팽창(확장)이 맞을 것이다. 즉 초신성의 팽창이 지구에도 미쳐서 지구도 밀려난다면 우주팽창이란 용어가 맞지만, 초신성(성운)의 팽창이라는 말은 그 영역에서 확장일 것이다. (47VMC)] 시간과 공간의 개념이 이렇게 바뀌면 ‘동시’라는 개념도 이해하기 힘든 모순에 부딪힌다. 상대성 이론에서 동시성은 절대적인 개념이 아니라 상대적인 것이 되기 때문이다. (42-43)
앞에서 말한 동시성의 예에서 역장 입장에서 사건의 선후를 따지긴 했지만 두 사건 사이의 차이는 10-20초 정도이다. 측정하기에는 너무나 미미한 차이라 하겠다. (44)
•상대성 이론을 방정식으로 풀면? 44
기준계 R1(x1, t1)과 기준계 R2(x2, t2) 사이 이동은 로렌츠 변환[Transformations de Lorentz]이라고 불리는 공식으로 표현할 수 있다. 1904년 수학자 로렌츠가 발표한 방정식인데, 아인슈타인은 자기 이론의 틀에서 이 방정식을 독립적으로 만들어냈다. (45)
시간지연과 함께, 우리는 길이 수축 또는 거리 수축도 인정해야 했다. (47) :
•E=mc2이란 무슨 뜻일까? 49
질량m0는 물리 공식에서 매개 변수로 개입한다. .. 한편 v의 속도로 움직이는 물체에 작용하는 힘은 운동에너지이며, 이를 나타내는 공식은 1/2m0v2 (49)
에너지가 증가하는 것은 질량이 증가한다는 뜻이니까 말이다. 그렇게 해서 상대론적 질량이라는 개념이 도입되는데, 물체의 정지 질량m0을 라고 할 때, 상대론적 질량 m은 m=γm0라고 기술된다. (49-50)
질량이 0인 것으로 알려져 있는 자유 입자는 빛 알갱이, 즉 광자[(光子, un photon)]뿐이다. 이러한 사실로 또 한 번 빛의 속도가 c라는 하나의 기호[le signe ]로 불릴 자격이 충분히 있다는 것을 알 수 있다.(50)
E=mc2 이라는 공식은 항상 유효하며, 특히 물체가 정지 상태에 있을 때, 즉 v=0인 경우에 쉽게 확인할 수 있다. 이 경우 γ=1, m=m0 이고, 따라서 E=m0c2 이 된다. 움직이지 않는 입자도 이미 에너지를 가지고 있다는 말인데, 이를 두고 그 입자의 정지질량에너지라고 부른다. (50-51)
질량에서부터 에너지를 만들어 내는 방법은 실제로도 알려져 있다. 원자로 기술의 근거가 되고 있는 핵분열[la fission nucleaire] 과정 말이다. (51)
태양에서도 E=mc2 이라는 공식이 통하는 현상이 하나 일어나고 있다. 바로 핵융합[la fusion nucleaire]이다. 네 개의 양성자가 결합해서 한 개의 헬륨 원자핵을 만드는 것인데, 여기서도 역시 질량이 일부분 사라지면서 에너지가 만들어 진다. (52)
질량이 에너지로 변환되는 현상은 또한 입자[(粒子, une particule)]와 그 반입자[(反粒子, une antiparticule)]가 만나서 소멸할 때도 일어난다. 예를 들어 전자와 양전자가 만났을 경우 두 입자가 소멸하면서 그 질량에 해당하는 만큼의 에너지를 가진 광자가 만들어 진다. (52-53) - 주) 뇌 영상: 양전자 방출 단층 촬영(La tomoscintigraphie par emission de positons (TEP), ou PET scan pour ≪englais: positron emission tomography ≫ 양전자를 방출하는 무해한 방사성 의약품을 체내에 투여하면 양전자가 뇌의 전자와 충돌하면서 많은 양의 에너지를 발산한다. 이때 에너지는 두 개의 감마선 형태로 나타나는데, 감마선을 기록하는 한편 방사능 물질의 경로를 추적함으로써 뇌의 영상이 만들어진다. (53)
날
[반대현상으로] 에너지가 질량으로 변환되는 현상 .. 이 현상은 입자 가속기를 통해 실험적으로 잘 입증되며, 빅뱅의 순간에 특히 활발하게 이루어 진다. / “생성되는 것도 없고, 소멸되는 것도 없다. 모든 것은 그 형태를 바꿀 뿐이다.” 프랑스 화학자 라봐지에가 말한 것으로 알려져 있는 격언이다. 아인슈타인 덕에 이 격언이 새삼 달라 보인다. (53- 54)
•상대성이론을 일반화할 수 있을까? 54
아인슈타인의 특수상대성이론[(La relativite restreinte, 1905)] (54)
가속도가 없다면 세계는 지나키게 밋밋할 것이다. 아인슈타인은 특수상대성이론을 가속도라는 새로운 환경에서도 들어맞도록 확장하고자 했다. 그렇게 해서 완성된 이론이 1916년 발표한 일반상대성이론[(la relativite generale, 1916)]이다. (56)
이처럼 중력과 가속도의 효과를 구분할 수 없는 것을 등가원리라고 한다. (57)
어떤 별에서 나온 빛이 태양 근처를 지나갈 때, 그 빛은 인력 때문에 태양 쪽으로 끌려 들어갈 거라는 예측이었다. 이러한 주장은 개기일식이 일어났던 1919년 5월 영국의 천문학자 에딩턴에 의해 확인 되었다. (58)
일반상대성 이론의 클라이맥스를 지켜보았던 영국의 수학자이자 철학자인 화이트헤드는 왕립천문학회에서 에딩턴이 자신의 관측 결과를 발표한 역사적인 강연에 대한 보고서에 “물리학의 법칙은 신의 명령이다” 라고 쓰면서 감탄해 마지않았다. (59)
특수상대성이론은 한편으로 시간과 공간을, 다른 한편으로는 질량과 에너지를 통합하는 것이었다. 이제 일반상대성이론에서 아인슈타인은 시간-공간과 질량-에너지 사이에 새로운 결합을 시도한다. (59)
공간의 변형부터 살펴보자. 모든 물질은 주변에 일종의 함몰을 일으키면서 공간의 속성을 바꾸는 변형을 일으킨다. .. 질량이 큰 물체 근처를 지날 때 빛이 가는 길은 더 이상 직선이라고 할 수 없다. 휘어진 공간을 가야하기 때문이다 (60)
시간의 흐름 또는 그 속에 존재하는 질량에 영향을 받는다. 쌍둥이 형제 삐에르와 뽈의 이야기를 다시 꺼내 보면, .. 뽈은 높은 산으로 보내고 삐에르는 벌판에 남아있게 하는 것으로도 비교할 수 있다. 이때 산에 사는 뽈은 지구 중심에서 더 멀리 떨어져 있기 때문에 더 빨리 늙게 된다. (61)
비르고 간섭계(L'interferometre VIRGO) 이탈리아 피사에 세워진(2003) 간섭계이다. 비르고은 약자가 아니며, 라틴어로서 처녀좌(la constellation de la Vierge, Virgo)에서 온 것이다. (62)
3. 상대성 이론의 한계는 무엇일까? 63
- 상대성 이론의 한계는 무엇일까? 65
일반상대성 이론의 방정식을 풀면 시간적으로 진화하는 우주가 당연히 답으로 나오게 된다는 것을 증명한 것은 러시아의 프리드만과 벨기에의 르메트르의 공로 ... 빅뱅이론[Le Big Bang]은 간단히 말하자면, 우주 태초의 질량은 초고온, 초고밀도의 기체로 가득 찬 무한히 작은 어떤 한 점 안에 집중되어 있었고, 그 후 공간이 팽창되면서 온도가 내려간 물질이 별과 은하를 이루게 되었다는 설명이다. (66) [한 점안에 초고온 초고밀도 이면 나머지 부분은 무엇일까? 이온으로만 되어 있을까? 비어있을까? 물질의 변화(확장)으로 우주의 팽창이란 이온부분(비존재(non)-etre)로 확장이 아닐까? 그러면 비존재의 영역은 어디까지라는 공간개념으로 설명가능한가? ]
일반 상대성 이론에서 내놓은 또 다른 예측으로 블랙홀[Le trou noir, The Black Hole)]을 들 수 있다. 질량이 고밀도로 축적될 경우, 예를 들어 수명 말기에 이른 별이 폭발하여 질량이 공중으로 흩어질 때 중심 부분에는 밀도가 엄청나게 큰 천제가 만들어지는데, 이 천체의 질량이 어느 정도만 커도 중력이 너무 커져서 빛조차 거기서 빠져나올 수 없게 된다. .. 일반상대성 이론은 블랙홀의 크기까지 제시하고 있다. 호두알 하나 만 한 공간에 지구 질량의 모두가 들어있다는 것이다. (67)
불랙홀 근처로 지나가던 별은 부서질 만큼 강한 인력을 받게 된다. 거기서부터 떨어져 나온 물질은 블랙홀에 삼켜지기 전 그 별이 남긴 조난 신호인 셈이며, 망원경에 잡히는 엑스선은 그 마지막 비명이라 할 수 있다. (68)
마르셀 프루스트(Marcel Proust, 1871-1922) ... [“]그러한 모든 것으로 인해 나에게 성당은 거리의 다른 장소와 전혀 다른 어떤 것이 되었다. 성당은 말하자면 4차원적인 공간(그 넷째 차원은 시간이다)을 차지한 건물이었다. 들보와 들보 사이로, 제단에서 재단으로, 그렇게 몇세기에 걸쳐 확장된 건물의 성소는 단비 몇미터의 공간이 아니라 수많은 시대를 정복하며 뛰어 넘고 있다. [”] [이 4차원은 물리적 4차원이 아니라, 의식의 4차원 즉 추억의 형성과 확장일 것이다. / 벩송에서 4차원은 인격의 지속으로 추억이라기보다 기억의 다양체의 자기 생성과 확장의 속성이다. 그 속성의 드러남의 일부가 양태이며 일반적으로 말하는 의식(지성) 그리고 본능(직관)일 것이다. (47VMB)]
20세기 초 한편에서 상대성이론이, 다른 한편에서 양자이론이 4차원에 대한 이론에서 결정적인 진보를 일궈냈지만 .. 숙제는 남아있다. /... 상대성이론 천체물리학에서 .. 양자역학은 원자 이하의 입자들 사이에서... (69)
그렇지만 이후에 다른 학자들이 최종이론이 될지도 모를 새로운 이론, 즉 끈이론[string theory]을 정립했다. 이는 우주를 구성하는 최소 단위가 점같이 생긴 입자가 아니라 끊임없이 진동하는, 매우 가느다란 끈이라고 보는 이론이다. 일반상대성 이론의 생각을 일반화한 개념으로, 이 이론에 따르면 굳어 있는 구조는 존재하지 않으며, 모든 것은 변형될 수 있다. 이 새로운 이론은 또한 시공을 11차원으로 예측하고 있다. 아인슈타인보다 훨씬 버 나간 셈이다. 하지만 추가된 차원들은 몹시 작은 단계에서만 개입하기 때문에, 우리 일상생활에 혼란을 주지는 않는다. (70) [끈이론은 10차, 11차, 26차가 있다는데 어느 것이 실재상의 이론이 될지 알 수 없겠구나.]
* 더 읽어 볼 책들 71
- 정완상, 아인슈타인이 들려주는 상대성원리 이야기, 자음과 모음, 2004
- 브라이언 그린, 박병철, 엘러건트 유니버스, 승산, 2002. [Brian Greene, (1999초, 2003, 2판), The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. ]
- 스티븐 호킹(Hawking 1942-), 김동광, 그림으로 보는 시간의 역사, 까치글방, 1998.
* 논술. 구술 기출 문제 72
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** 인명
[크로종(Michel Crozon, 1932-2008) 프랑스 물리학자. CNRS 원장을 지냈다.]
에딩턴(Arthur Stanley Eddington, 1882-1944) 영국 천체 물리학자.
아인슈타인(Albert Einstein, 1879-1955) 독일 출생 미국 이론 물리학자. 광양자설, 특수 상대성이론. 일반 상대성이론, 통일장 이론. 1921년 노벨 물리학상
프리드만(Alexandr Alexandrovich Friedmann, Алекса́ндр Алекса́ндрович Фри́дман, 1888-1925) 러시아 수학자, 천문학자. 기상학자.
갈릴레이(Galileo Galilei, 1564-1642) 이탈리아 천문학자, 수학자, 물리학자. 진자의 등시성, 관성법칙. Le Operazioni del compasso geometrico et militare di Galileo-Galilei, nobil Fiorentino, 1606, 세계의 큰 두 체계에 관한 대화(Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, 1632, fr. Dialogue sur les deux grands systemes du monde),
[그린(Brian Randolph Greene, 1963-) 미국 이론 물리학자. 끈이론가. 매력적인 우주: 초끈이론(The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory 1999, 감춰진 실재성(The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos, 2011]
[스티븐 호킹(Stephen William Hawking 1942-) 물리학자 (영국) 학력캠브리지대학교대학원 물리학 박사 경력 1980 켐브리지대학 제17대 루카시언 석좌교수 1974 영국왕립학회 회원, 1963 루게릭병(근위축증) 진단 시간의 간략한 역사(A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes, 1988],
르메트르(Georges Lemaitre, 1894–1966) 벨기에 카톨릭 신부, 천문학자 물리학자. 루방 카톨릭 대학 대교수 그는 1927년 우주 진화의 기원을 서술하기 위하여 빅뱅(Le Big Bang) 모델을 제시했다.
로렌츠(Hendrik Antoon Lorentz, 1853-1928) 네델란드 물리학자. 1902년 노벨 물리학상.
마이컬슨(Albert Abraham Michelson, 1852-1931) 독일(프러시아) 출신 미국 물리학자. 1907년 노벨 물리학상 수상, 1887년 빛의 속도를 재는 실험을 했다. / 간섭계(L'interferometre de Michelson)
몰리(Edward Morley, 1838-1923) 미국 과학자. 1887년 마이컬슨과 같이 실험.
마르셀 프루스트(Marcel Proust, 1871-1922) 프랑스 소설가.
프랑수아 바누치(Francois Vannucci, s.d.) [파리7대학 물리학교수] 아마도 크로종의 제자? Qu'est-ce que la relativite? 2005, 아틀라스: 기본입자들의 새로운 도전(ATLAS: Le nouveau defi des particules elementaires, 2007), 중성미립자들은 천국으로 가는가?(Les neutrinos vont-ils au paradis ?, 2002), Le vrai roman des particules elementaires, 2011 - 공저: Francois Vannucci, Michel Crozon, 기본입자들(Les particules elementaires, 1993) [크로종(Michel Crozon, 1932-2008) 프랑스 물리학자.]
화이트헤드(Alfred North Whitehead, 1861-1947) 영국 수학자, 철학자. 말년에 미국에서 활동.
[윌슨(Charles Thomson Rees Wilson, 1869-1959) 스코틀랜드 물리학자. 1927년 노벨물리학 수상자이다. 그에 의해 1895년 우주선을 발견되었다.]
*
세브르(Sevres) 오트드센(Hauts-de-Seine 92 en region Ile-de-France)주, 현재 파리교외 서부의 한 꼬뮌. [세브르 요업(가내공업)(La manufacture de Sevres)이 1750년에 형성되었다. .. [미터 기준계 조약은] 1870년 제안되어 1875년 파리에서 미터 협약이 이루어졌다. 백금 이리듐(platine iridie)으로 만든 길이 표준을 만들기로 했고, 세브르(Sevres)에 있는 한 공원에 “무게 길이 국제 사무국”(le bureau international des poids et mesures, BIPM)에 두기로 한 것이다.]
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