EBS 다큐 프라임-빛의 물리학 1-특수상대성이론
주의)인내심이 필요한 글임.
지난주부터 월요일부터 수요일까지 EBS에서 "빛의 물리학"이라는 다큐멘터리 씨리즈를 방영하고 있습니다. 유럽에서 직접 촬영한 다큐멘터리인데, 예를 들어 상대성이론에 대한 편을 만들 때는 아인슈타인이 특허국에서 근무하면서 특수상대성이론을 만든 스위스의 베른에 가서 촬영하는 식이지요. 재연배우를 써서 실제 아인슈타인이 그 당시 생활했을 환경을 보여주면서 다큐멘터리를 진행하는 식이지요... 저는 1편,특수 상대성이론 편을 구해서 봤는데요.
EBS에서도 직접 보실 수가 있더군요. https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=v0gg1F0sz0E
그리고..이 글이 끝까지 읽기가 좀 그런 글일 거 같아서..(흑흑흑) 미리 다른 자료를 잠시 소개하면,
다음 세권의 책은 특수상대성이론에 입문하는 교양과학서적으로 정말 추천할만한 책입니다.
전파과학사 블루백스에서 쓰즈키 다쿠지의
4차원의 세계
하고
아인슈타인의 생애
그리고 전파과학사 현대과학신서에서
제레미 번스틴의
아인슈타인
한권만 봐야 한다면 4차원의 세계
를 보시길 권하고요
다큐멘터리로 돌아와서...
제가 구해본 영상이 문제가 많아서 잘 안 보이는 부분이 많긴 하지만 그래도 무슨 얘기를 하고싶은 건지는 알겠으니 약간의 설명을 달아보려 합니다.
이 주제가 다큐멘터리 한편으로 이해가 될 주제는 아니고,시청자 중에도 설명이 부실하다고 불평하는 목소리가 좀 있고..그럴 만하기도 한데요. 이 설명도 많이 부족하겠지만, 보신 분들을 위해 약간의 보충설명을 달아보기는 하려고요. 다큐멘터리 본 분들에게만 도움될 거 같기는 한데... 이게 설명인지 더 혼란을 드리는 건지 모르겠습니다만... 특수상대성이론을 이해는 못하더라도 관련된 글을 읽어보신 적이 있는 분에게는 좀 더 와닿을 걸로 믿어보고 글을 써 보겠습니다.
먼저 쌍둥이 패러독스에 대해서 한마디를 안 적을 수가 없는데..... 이 글로 이해가 되게 설명할 수는 없지만, 이 문제의 핵심은 한마디로 말하면 특수상대성이론의 핵심적인 결론 가운데 하나랑 관련이 있어요.
공간적으로 떨어진 두 지점 사이에는 공유되는 "지금"이라고 하는 것이 존재하지 않는다 라는 결론인데요.
그러니까 우리는 전화를 걸어서 "지금 뭐해?" 라고 쉽게 말하잖아요? 그런데, 엄격하게 말해서 특수상대성이론에 따르면 "지금 뭐해?"는 있을 수가 없는 거지요 (물론 이런 거 생각해가면서 살아가면 세상에서 살 수 없습니다.--;)
서로가 "지금"이라고 부르는 그 시각들은 어느 우주선에서 보면 한쪽이 과거고 한쪽이 미래기도 하고 다른 우주선에서 보면 한쪽이 미래고, 다른쪽이 과거이기도 하거든요. 그래서 쌍둥이 패러독스의 일부분(둘이 다시 만나는 건 좀 더 어렵지요) 이 설명이 되는데요.
지구에서 살고 있던 쌍둥이가 있는데, 한쪽이 우주여행을 갑니다. 광속에 가까운 속도로 가지요.
그리고 쌍둥이 동생이 우주에 있는 언니가 "지금" 얼마나 나이들었는지를 알려고 하지요. 동생은 언니가 더 젊다는 결과를 얻게 됩니다.시간이 느리게 가니까요. 그런데,언니가 동생에 대해 알려고 하면 동생이 더 젊다는 결과를 얻지요. 그러면 모순이 되지 않느냐는 의문이 생기는데, 모순되지 않는다는 거지요. 언니와 동생은 같은 "지금"을 공유하고 있지 않기 때문입니다.
이런 생각을 할 수 있지요. 동생은 오늘의 언니의 모습이 궁금해서 언니가 지나가는 우주선 근처의 우주 정거장의 사진기가 오늘 언니를 찍은 사진을 전송받아서 언니가 젊다고 결론 내릴 수 있지요. 문제는 언니가 볼 때는 사진기가 자신의 모습을 찍는 시각과 , 동생의 "오늘"은 같은 시각이 아니라는 겁니다. 사진기가 자신을 찍는 시각은 동생이 "오늘"이라고 생각하는 시각보다 훨씬 과거라는 거지요. 그래서 동생이 볼 때 자신이 더 젊다는 결론을 내는 겁니다.
상대성이론의 기초가 되는 원리는 상대성원리라고 하는 것입니다. 이름은 비슷하게 들리지만 상대성원리가 보다 보편적인 원리지요.
다큐멘터리에 나온대로 갈릴레이가 지동설에 반대하는 이들을 반박하기 위해 도입한 이야기에서부터 나온 원리고요.
지구가 움직인다면 사람은 움직이는 반대방향으로 밀려야 한다는 주장에 대해서, 갈릴레이는 배 안에서 물체가 떨어질 때 ,배가 움직이기 때문에 밀리더냐 라고 반박했지요.
그러니까 ...좀 더 현대적으로 말하면 이런 건데요. 뉴튼의 제 1법칙이 관성의 법칙이지요. 힘을 받지 않는 물체는 계속 가만 있는다 이런 거잖아요. 그래서 내가 어떤 곳에 있는데, 물체들이 따로 힘을 받지 않으면 정지해 있더라 라고 해보죠.
그러면 나에 대해서 등속도로 움직이는 물체,예를 들어 우주선 안에 있는 사람은 절대로 자기가 움직이는지 내가 움직이는지 구분할 수 없다는 원리입니다 나아가 누가 정지해있고, 누가 움직이는지를 말하는 건 물리학적으로 의미가 없다는 원리가 바로 상대성원리입니다.
우리가 고등학교에서 배우는 고전역학 역시 이 상대성원리가 성립하는 물리학 이론입니다. 앞에 말한 우주선 안의 관찰자는 뉴튼의 모든 운동법칙이 그대로 성립하는 것을 봅니다. 자기도 아무 힘을 받지 않고 다른 물체들도 따로 힘을 받지 않습니다. 물체의 운동 방식도 그대로고, 힘을 받았을 때 물체의 가속방식도 그대로입니다. 그러니 자신이 움직이는지 운동하는지 구분할 방법이 없는 거지요
다음 영상은 이러한 종류의 운동, 즉 상대운동을 잘 보여주는 영상이라고도 할 수 있습니다. 움직이는 카트에서 위로 쏜 공은 궤적에 관계없이 무조건 카트로 돌아옵니다. 카트에 있는 관측자 가 보면, 공은 그냥 위로 올라갔다 내려오는 것 뿐이므로 당연히 카트로 돌아와야 하지요.
https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=v0gg1F0sz0E
그런데, 19세기 중반에 가면 물리학에 전자기학이라는 분야가 자리를 잡습니다. 전자기학은 맥스웰 방정식이라는 기본적인 방정식으로 정리될 수 있는데,맥스웰 방정식을 따라가보면 전기장이나 자기장의 변화는 빛의 속도로 전파된다는 결과가 나옵니다. 광원의 속도에 관계없이 그 속도는 빛의 속도입니다. 파동이기 때문이지요.
아인슈타인의 의문은 이 전자기학에 상대성원리를 적용하면 어떻게 되느냐라는 것이었지요.
한 사람이 손전등으로 빛을 만들었다고 해보지요. 이제 하늘을 날고 있는 사람이 그 빛의 속도를 측정한다고 하면,당연히 광속 c보다 작을 거라고 생각되지요. 그 말은 전자기학에서는 상대성원리가 성립하지 않는다는 얘기가 됩니다. 하늘을 날고 있는 사람에게는 손전등을 들고 있는 사람이 움직이는 거고,빛의 속도는 광원의 속도와 관계없으므로 광속 c 로 날아가야 하니까요. 관측자에 따라 전자기 법칙을 다르게 적용해야 한다는 얘기지요.
반대로 전자기학에 상대성원리가 적용되면 서로 등속도로 움직이는 관측자들에게 빛은 일정한 속도로 전파되는 걸로 관측됩니다.
그러나,그런 결과가 나오려면 시간과 공간에 큰 변화가 있어야 한다는 건 쉽게 짐작이 되지요. 당연히도 고전역학은 크게 변화해야 할 거고요.
특수상대성이론이라고 하는 것은 만약 상대성원리가 전자기학에 성립한다면, 쉬운 말로 등속도로 움직이는 모든 관측자에게 빛의 속도가 일정하다면 시간과 공간에 어떤 일이 일어나는가에 대한 이론이라고 할 수 있습니다.
아인슈타인이 특수상대성이론에 대해 쓴 첫 논문이 "움직이는 물체의 전기역학에 관하여"라고 하는데 (안 읽어봤음--;) 그런 제목을 단 것이 우연이 아니었던 거지요
제레미 번스틴의 "아인슈타인" 이라는 책에는 이런 역사적 배경이 잘 설명되어 있습니다.
이런 얘기는 사실 한편의 다큐멘터리나 한 편의 글로 제대로 설명할 수 있는게 아니고요. 몇주 정도의 시간을 두고 혼란도 많이 겪고 ,논쟁도 많이 해 보며 공부하는게 제일 좋아보이기는 한데요.
그리고..여담이지만 아인슈타인이 빛의 속도로 날으면서 빛을 보면 정지해있을까 하는 의문을
가졌다는 부분은 제게 아주 큰영향을 미쳤습니다.
"역시 아인슈타인은 천재" 이러고 넘어가는게 아니라, 저는
"아인슈타인은 뭐가 나하고 달랐나?아인슈타에게는 있고,내게는 없는 건 무엇인가?"
와 같은 생각을 하는 당돌한(?) 소년이었습니다
그러니까 뭔가 주어진 지식을 익히는 걸로 만족하지 않고, 그걸 자신이 아는 다른 얘기와 함께
생각해보면 어떤 결과들이 나오는지를 생각해 보는 것이 아인슈타인이 달랐던
점이라고 생각해보게 되었습니다.
그래서 그 때부터 흉내를 내기 시작했지요
어떤 물리 현상에 대해서 공부를 하면 일단 머리 속에서 그걸 던져보는 겁니다.
"실험장치가 빛에 가까운 속도로 운동한다고 하자,그러면 무슨 일이 일어날까?"
이런 식의 엉뚱하게 보일 수 있는 사고실험을 하는 게 제 물리학 인생의 중요한 일부분 이 된 것이지요.
대학 다닐 때 교수님 한 분은 그런 모습을 아주 좋게 보시더라는...
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물리 
이세연
