2024. 2. 5. 10:27ㆍ카테고리 없음
여기서는 아주 대강만 어떤 것인지 알아 보기로 하자. 깊이 알 수 도 없거니와 알려고 하면 수년이 쉽게 지나 버리니 말이다. 일단 어린 아이들에게 설명 해 줄 수 있으면 기분이 좋지 않을까 한다.
*상대성 이론이 뭐였지?
상대성이론(theory of relativity)이란, 아인슈타인이 1905년에 ‘운동하는 물체의 전기역학에 대하여(On the Electrodynamics of Moving Bodies)’ 라는 논문을 발표하면서부터 쌓아 올린 이론으로 간단히 상대론 이라고도 한다.
그 내용은 ‘사물의 수축’, ‘공간의 왜곡’ 같은 매우 난해한 내용이 대부분이다. 그리고 아인슈타인이 만들었다고 많은 사람이 알고 있는 식(式)인 E=mc^2를 알고 있는 사람도 많을 것이다. 이것도 상대성이론 중 하나에 속하는 것이다.
상대성이론은 크게 두 가지로 나뉜다. ‘특수 상대성 이론’, ‘일반 상대성 이론’이라는 것이다.
왠지 특수상대성이론이 더 어려울 것 같은 느낌이 들지만, 실제로는 일반상대성이론이 몇 배는 더 어렵다. 아인슈타인의 발표도 1905년에 특수상대성이론을 발표하고, 일반상대성이론은 그로부터 10년 후인 1915년에 발표된다.
여기서는 특수상대성이론과, 일반상대성이론 중에서 눈에 띄는 몇 개만 알아 보겠다.
*그걸로 무슨 일이 일어나나요?
그럼 상대성이론이 어떤 현상을 가리키고 있는 것인지 대충 나열 해 보자.
1. 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 것은 없다. (특수상대성이론)
2. 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 물체는 수축되어 보인다. (특수상대성이론)
3. 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 물체는 시간이 천천히 흐른다. (특수상대성이론)
4. 무거운 것(질량이 큰 것)의 주위에서는 시간은 천천히 흐른다. (일반상대성이론)
5. 무거운 것(질량이 큰 것)의 주위에서는 공간이 일그러진다. (일반상대성이론)
6. 무게(질량)와 에너지는 같다. (일반상대성이론)
대충 이런 것 인데 한 개씩 알아보기로 하자.
1) 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 것은 없다.
그냥 그 뜻 그대로이다. 빛 보다 빠른 것은 없다는 논리다.
빛은 1초에 지구 일곱 바퀴 반 정도를 돌 수 있는 속도다. (약 30만km/초)
이것은 엄청나게 빠른 속도 인 것은 확실하지만, 무한히 빠른 것은 아니다.
여기에 내포된 의미는 우리에게 어떤 의미를 주는 것일까? 그것은 미래에 과학이 아무리 발전하더라도 이를테면 로켓이 빛보다 빠르게 나아갈 수 없다는 말이 된다.
(요즘에는 양자역학에서 뉴트리노가 빛의 속도를 능가한다는 등의 이론이 나오기도 하지만 일단 무시하자. 또한 광속도 불변의 원리 등도 신경 쓰지 말자.)
상대성이론에 따르면, 속도가 있는 것은 약간 무거워 진다고 한다. 예를 들어 사람이 서 있을 때와 달리고 있을 때를 비교하면 달리고 있을 때 몸무게가 더 나간다는 말이다. (예가 그렇다는 것이지 얼마나 느는 지는 극소단위이기 때문에 수식으로만 가능한 차원이다.)
체중이 무거워 지면 달리기 힘들어 지고, 결국 속도를 내기 힘들어 진다. 이를 악물고 있는 힘을 짜내서 속도를 올리면, 체중은 더 올라간다.
만약 빛의 속도로 달리게 되면 그 사람의 몸무게는 무한해 지게 되고 만다. 그리고 체중이 너무 무거워서 더 이상 속도를 내지 못하게 된다. 즉 빛의 속도 이하가 되어 버리는 것이다.
2) 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 물체는 수축되어 보인다.
비행기나, 자동차가 엄청난 속도로 눈 앞을 지나가면 그 물체가 그 냥 서있을 때보다 수축되어(작게) 보인다는 것이다. 그것은 왼쪽에서 오른쪽으로 움직일 경우 운동방향으로 작용하여, 수축되는 것은 횡 방향으로 국한된다. 당연히 빛보다 빠르지는 않을 것이다.
여기서 중요한 것은 이 수축되어 보이는 현상은 단순한 눈의 착시가 아니라 실제로 줄어든다는 점이다. 하지만 차나 비행기 안에서는 그 차이를 느끼지 못한다.
빛에 가까운 속도가 아니라도 실제로 자동차가 비행기, 사람 조차도 실제로 수축된다. 하지만 그 줄어드는 양이 우리가 식별 할 수 없을 정도로 미비하기 때문에 인지할 수 없다는 것이다. 이것이 눈으로 느껴질 정도가 되려면 빛의 속도에 가까운 속도로 움직여야 한다.
지구에서 날아가는 로켓을 보면 줄어들어 보일 테니까, 로켓에서 지구를 보면 지구가 늘어나 보이지 않을까?
답은, 아니다 이다. 로켓에서 보아도 지구가 수축되어 보인다. 그 이유를 자세히 설명하는 것은 매우 어렵다. 하지만 누구나 이해하도록 간단히 말하면, 지구에서 보면 로켓이 움직이는 것이지만 로켓에서 보면 지구가 움직이고 있는 것이기 때문이다라고 말할 수 있겠다.
기차를 타고 창 밖을 보면 풍경이 빠르게 움직이는 것처럼 느껴지는 것을 생각해 보자.
3) 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 물체는 시간이 천천히 흐른다.
정지해 있는 로켓과 지상의 시간은 같지만, 빛의 속도에 근접한 속도로 날고 있는 로켓과 비교하면 로켓의 시간은 느려지게 된다. 흔히 영화에서 주인공이 우주 탐사를 1년하고 돌아오니 지구시간 80년이 지나 있더라 같은 설정이 쓰여지곤 한다.
이것도 실제로 빛의 속도가 아니라도 비행기나 자동차에서도 일어나고 있는 현상으로 다만 그 차이를 느끼기 힘들 정도라 우리가 느끼지 못할 뿐이라는 것이다.
그 차이를 느낄 정도가 되려면 빛의 속도로 움직여 보아야 할 것이라 한다.
4) 무거운 것(질량이 큰 것)의 주위에서는 시간은 천천히 흐른다.
무거운 것 주위에서는 시간이 천천히 흐른다고 한다. 이것은 질량이 엄청나게 큰 것 주위에서는 공간이 왜곡되고 시간 마저도 지연된다는 것이다.
이것은 단순히 우리가 생각하는 상대적인 무거움이 아닌, 우주에서의 거대 행성이나 블랙홀과 같은 상상조차 하기 힘들 정도의 질량을 지닌 것들의 주위에 한정된다.
기본적으로 상대성이론은 이런 우주 규모의 의문점을 푸는데 사용되는 것이 대부분이다.
이 주제를 반대로 생각하면 ‘무거운 것에서 멀어지면 시간은 빨리 흐른다’는 말이 된다.
지구라는 무거운 행성에 우리가 있고, 그 중에서도 멀리 떨어지려면 심해나, 에베레스트 정상에 오르면 시간이 조금 빨리 갈지도 모르겠다.
5) 무거운 것(질량이 큰 것)의 주위에서는 공간이 일그러진다.
이것은 실제로 구현하기가 어려우며 어떻게 왜곡되는 지도 불분명하다. 블랙홀이나 태양보다 큰 행성 급에서는 공간이 극단적으로 굽어들고 빛 조차도 휘어 버린다고 한다.
6) 무게(질량)와 에너지는 같다.
지금까지 에너지란 힘이 걸리거나, 열을 발산하거나, 전기가 흐르는 등 무언가 움직이거나 느껴지지 않으면 없는 것으로 생각되었다. 하지만 상대성 이론을 연구하면서 움직이지 않는 것에도 에너지가 있다는 것을 알게 되었다. 그리고 그 에너지는 무게와 비례한다는 것도.
그것을 나타낸 유명한 아인슈타인의 식이 E=mc^2 이다.
여기서 E는 에너지, m은 무게(본래의 질량), c는 빛의 속도를 나타낸다.
빛은 속도가 정해져 있는 정수이고, E와 m이 비례한다는 것을 알 수 있다. 즉, 무거운 것은 그만큼 에너지가 크고, 가벼운 것은 에너지가 작다는 말이 된다.
상대성이론은 여러 개의 논문을 묶어서 발표된 것이기도 하고, 특수상대성 이론은 특히 빛에 관하여 그리고 일반상대성이론은 중력에 관하여 다루고 있다. 대부분의 사람이 이 때의 아인슈타인을 대학 교수였을 것으로 생각하지만, 사실은 특허청에서 말단 직원으로 일하며 꾸준히 독자 연구로 일궈낸 것이다.
우리나라도 아이들의 호기심을 꺽지 않는 교육이 되었으면 한다.