알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론-소름끼치도록 무서운 그 위대함에 대하여

아인슈타인에 관련된 일화는 수없이 많습니다.

 

말을 늦게 배워 10살이 되어서야 비로소 독일어로 말을 할 수 있었단 일화.

인류가 낳은 최고의 천재를 지진아가 아닐까 걱정했다던 부모님의 말씀.

학창시절 수학을 제외하고 다른 과목들은 낙제점에 가깝다는 얘기나

대학입학시험에서 수학성적이 너무나 우수해 기준에 미달되는 다른 과목에도 불구, 합격되었다는 이야기.

유대인이라는 이유로 독일 나치에 쫒겨 미국으로 망명한 이야기 등등..

 

 

하지만 그의 특수상대성이론, 일반상대성이론, 광양자설 등은 많은 이들에겐 그저 머리 아픈 과학적 이론,

혹은 E=mc2 라는 암호와도 같은 공식으로만 기억하고 있는게 사실입니다.

 

그러나 아인슈타인이 발표한 상대성 이론은 결코 어렵지 않습니다.

물론 기존의 '개념'을 순식간에 뒤집어버린 이론이기에 

우리 머리 속에 '사실'로 존재하고 있는 상식적인 이론을 잠시 넣어두는 게 다소 낯설 수는 있지만요.

 

알면 알수록 소름끼치는 상대성 이론..

E=mc2 가 더이상 암호같이 보이지 않고, 과학적 이론은 머리 아프다는 편견을

조금이나마 벗겨 드리는 계기가 이 글이 되었으면 좋겠습니다.

그럼.. 세계를 변화시킨 과학 혁명 상대성 이론의 세계로.. 

 

 

참.. 들어가기에 앞서.. 특수상대성이론에 관한 내용은

너무나도 혁신적인 내용 때문에 단순한 '가설'로 생각하시는 분들이 계실지 모르겠으나

이 모든건 철저한 수학적 검증을 통해 탄생한 '이론'임을 기억해주세요

따라서 이 이론들이 "정말 맞아?" 라는 의문을 품는건 아무런 도움이 안되고 오히려 머리만 아프다는 거..

그저 받아들이시는게 가장 좋습니다. '이론'이 아닌 '진리'라고 생각하시고..

처음 접하고 바로 받아들이기가 어려울 정도로 충격적인 내용들이긴 하지만..

 

1905년, 아인슈타인은 특수상대성이론을 발표합니다.

 

특수상대성이론은 크게

시간지연 / 광속불변의 원리 / 시공간 / 질량증가 / 공간수축 개념의 5가지로 나눌 수 있는데요

이 이론을 발표할 당시 이 엄청난 내용을 이해할 수 있었던 물리학자는 지구상에 3명 밖에 없었다는 소리도 있었습니다

특수상대성이론이 혁명적이었던 이유중 하나는 이전까지 존재하던 뉴턴역학의 개념을 파괴한데에 있습니다.

 

뉴턴역학에서는 시간과 공간,

즉 현재 흘러가고 있는 시간과 우리가 지금 컴퓨터를 하고 있는 이 공간은

'절대불변'이라고 생각했습니다. 절대시간, 절대공간.

다시 말해 이 시간과 공간은 어떤 상대에 따라 변하지 않는 절대성을 가지고 있다고 생각했죠.

 

 

 

 

 

 

 

자.. 얼핏 생각해보면 이 말이 맞는 듯 합니다.

당연한 것이죠. 시간과 공간이 어떻게 상대에 따라 변하나요?

그런데.. 특수상대성이론에서는 시간과 공간이 변한다고 말합니다.

 

단, 이 명제에는 가정이 붙습니다.

바로 "등속도로 운동하는 물체"에 한해서이죠.

등속도(일정한 속도) 로 운동하는 물체는 시간이 길어지고 공간이 변화한다고 말합니다.

 

"난 여지껏 자동차를 타고 최고 시속으로 밟아도 시간과 공간이 변하는걸 느껴보지 못했다"

라고 하실지도 모르겠습니다. 이유가 왜일까요?

 

우리의 일상생활에서도 시공간은 계속 변화합니다. 다만 느끼지를 못할 뿐이죠.

왜 느끼지를 못할까요? ..그 이유는 우리가 시간과 공간이 변하는 걸 실질적으로 느낄 수 있으려면 

우리가 상상할 수 없을 정도로 엄청난 속도로 이동하고 있어야 하기 때문입니다.

 

그리고 이 '상상할 수 없을 정도로 엄청난 속도'의 기준은 빛의 속도가 기준 이 됩니다.

즉, 빛의 속도에 가까워져야만 그때서야 비로소 우리는 몸으로 시간과 공간이 변한다고 느낄 수있는 것이죠.

빛의 속도와 우리의 생활은 정말이지 어마어마한 차이가 있습니다.

그렇기 때문에 우리가 느끼지는 못할 뿐이지 물리학적으로는 우리가 이동할 때,

조금이라도 속력이 붙는 경우는 항상 시공간이 변화하고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

다시 생각해봅니다.

 

우리가 아무 것도 안하고 정지해 있습니다. 

그러면 당연히 시간만이 흐르겠죠.

그런데 목이 말라서 물을 마시러 냉장고를 향해 걸어갑니다.

아무 것도 안하고 있었기 때문에 100%의 힘 모두는 시간을 향해 있었지만

냉장고를 향해 걸어가면서 100%의 힘 일부는 공간상의 운동으로 전환됩니다.

따라서 시간이 인식조차 할 수 없을 정도로 아주 미세히 느려지며 

이 느려진 시간은 공간상으로 일종의 위치이동을 하게되는 것입니다.

 

 

...신기하죠?

 

더더욱 신기한 것.

앞서 말한 시간운동과 공간운동을 합친 값은 바로 정확히 빛의 속도, 즉 광속(C)이 된다는 것.

즉, 시간운동 + 공간운동 = 광속(C) 라는 것이 성립된다는 사실이죠.

이게 가능한 이유는 바로 시간/공간이 각기 다른 절대개념이 아닌

둘 사이는 잉꼬부부처럼 뗄레야 뗄 수 없는 '시공간'의 개념이기 때문입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

.. 놀라운 느낌이 드시는지요..?

이것이 특수상대성이론의 Spacetime, 시공간의 개념입니다.

 

이해할 수 없다 하여도 결코 좌절하실 필요가 전혀 없으십니다.

시공간이란 개념은 언급했듯 몇백년간 이어져내려온 뉴턴역학의 법칙을 송두리 채 바꿔놓은 것이기 때문이죠.

진리로 알고 있던 사실의 오류를 밝히고 새로운 '진리'를 만들어냈다.

이 위대한 업적 앞에서 처음 본 그 순간, 바로 팍! 이해가 되는 사람들은 많지 않거든요

無에서 有를 창조한 새로운 개념이기 때문이죠.

 

 

 

자.. 그럼 뇌가 시공간의 개념에 대해 정립할 시간을 조금 가지시고, 다음 단계로 넘어가 봅니다.

 

그럼 이제 E=mc2 이 유명한 공식에 대해 말해 볼께요.

 

E=mc2   (E : 에너지    m : 물체의 질량    c : 광속)

 

여기서 c, 즉 광속은 불변입니다. 항상 일정하다는 뜻이지요.

초속 30만km, 시속으로 환산하면 약 10억km정도 되겠지요.

 

자.. E와 m과 c중에서 하나는 변하지 않는 수 라니

안그래도 간단해 보이는 공식이 더더욱 쉬워졌습니다.

근데 여기서 의문점 하나.. "광속 = 불변" 이라는건 맞는 말인가요?

어떤 분들은 "왜? 차라리 1+1 = 2 라는 소리도 맞는 말이냐고 딴지 걸어보시지?" 라고 하실지도 모르겠습니다.

 

2007년 현재 광속은 불변이라는 이론은 이젠 '사실'이 되어버렸습니다.

그런데 이 사실이 밝혀진 건 100년 조금 넘은 과거의 일이었구요.

이 사실은 특수상대성이론의 광속불변의 원리로 인해 세상에 처음 입증됩니다.

 

 

 

 

아인슈타인이 특수상대성이론에서 발견한 광속불변의 원리의 시작은 '에테르'의 부정이었습니다.

에테르란 단어는 빛을 입자가 아닌 파동으로 가정하고 이 파동을 전파하는 매질로 생각했던 가상의 물질이었습니다.

산소를 전파하는 매질이 공기인 것처럼 빛을 전파하는 매질을 이 에테르로 생각했던 거죠.

하지만 이 에테르란 개념은 과학자들의 실험에 의해.. 허구라는 것이 밝혀졌고 과학계에선 잊혀지게 되었습니다.

 

아인슈타인은 이 잊혀진 에테르를 부활시켜 광속불변의 원리로 완성시킵니다.

'에테르는 존재하지 않는다' 라는 문장으로 에테르의 존재를 부활시킴과 동시에 부정하는 

아이러니컬한 모습으로 빛의 존재를 탐구했던 것이예요.

 

그리고.. 최초로 빛을 파동이 아닌 입자의 개념으로 설명하고 '광양자' 란 단어를 처음 탄생시킵니다.

 

 

 

 

 

빛의 속도는 어떠한 상황에서도 일정합니다.

빛의 속도로 움직이는 우주선에서 빛을 봐도 똑같은 속도라는 얘기겠지요.

 

다시 말해, 엄청나게 빨리 달리는 기차에서 후레쉬 불빛을 보는 것과

밖에서 후레쉬를 들고 있는 사람이 후레쉬 불빛을 보는 것과

두사람이 본 후레쉬 불빛의 속도는 아주 미세한 차이도 없이 완벽히 일치하다는 것이죠  

 

이것이 저 유명한 광속불변의 원리 입니다.

 

자.. 이제부터 본격적으로 마법 같은 특수상대성이론의 세계로 들어가봅시다.

지금부터는 정신을 똑바로 차리셔야 개념이 흔들리지 않을테니 집중을 하셔애 될 듯 합니다.

 

 

 

 

철수가 사과나무 아래 가만히 서있습니다.

영희는 일정한 속도로 이동하고 있는 자동차를 타고 있습니다.

사과나무에서 사과가 떨어집니다.

철수와 영희는 사과가 떨어지는 것을 둘 다 목격했습니다.

자.. 과연 철수와 영희는 똑같은 시간에 사과가 떨어지는 걸 목격했을까요?

 

 

 

 

답은.. 아니다, 입니다.

더 정확하게는

차에 타고 있던 영희가 철수보다 더 늦게 사과가 떨어지는 걸 목격했습니다.

 

말이 안된다구요?

 

말이 됩니다.

이 말도 안되는 현상을 아인슈타인은 증명을 해냈습니다.

치밀한 수학적 공식으로..

 

 

 

 

 

우리와 마찬가지로 철수와 영희도 자신들이 똑같은 시간에 사과가 떨어지는 걸 봤다고 생각합니다.

그렇다면 왜 물리학적으로는, 아니 특수상대성이론에서는 서로 다른 시간에 본 것이라고 하는걸까요?

물리학적으로 두사람은 같은 행위를 분명 다른 시간에 보았거든요.

 

그럼에도 우리가 이러한 이론을 받아들이기 힘들고 이해할 수 없는 이유는

다만 그 시간의 차이가 너무나도 작기 때문에 느끼지 못할 뿐이죠.

 

이럴 수는 있습니다.

만일 영희가 탔던 차의 속도가

광속의 2/3의 엄청나게 빠른 속도로 달리고 있었다면

철수의 손목에 차고있던 시계가 60분이 지났을 때,

영희의 차 속 시계의 시간은 40분만 지났을 것입니다.

 

따라서 철수가 사과나무에서 사과가 떨어지는걸 본 후,

20분 뒤에 영희는 사과가 떨어지는 걸 목격하게 되는 것이죠.

 

 

 

 

 

 

 

 

.....소름이 슬슬 끼칠 타이밍입니다

 

이것이 바로 시간지연 효과 입니다.

 

이제 특수상대성이론의 가장 신기한 현상, 로렌츠 수축과 질량증가가 남았습니다.

 

 

 

로렌츠 수축

 

말은 참 어려워 보이지만 막상 듣고 보면 쉬워요.

한 문장으로 정의하자면

"움직이는 방향의 일직선 상의 평행한 길이는 외부 관찰자가 봤을 때 줄어든다"

라고 할 수 있습니다...... 뭔 말인지 전혀 모르시겠죠?  써놓고 보니 참 어렵네요..

 

예를 들께요.

 

빛에 가까운 속도로 달리는 기차가 있습니다.

이 기차를 보고 있는 영수가 있습니다. (현실적으로 가능한 것인지는 생각하지 말구요)

영수가 볼 때 이 기차의 앞 뒤 길이가 원래 길이보다 줄어들었음을 보았고,

이에 따라 기차 내부의 길이 역시 줄어들었습니다. 이것이 바로 로렌츠 수축입니다.

 

한마디로

모든 이동하고 있는 물체의 길이는 운동하고 있는 일직선상으로 평행한 길이를 향해 줄어든다

는 이야기입니다. 이것 역시 우리가 느낄 수 없을 뿐이죠.

 

 

 

 

다시, 더 쉽게 가봅니다.

관찰자(기차를 보고 있던 영수 같은)가 어떤 물체를 볼 때,

관찰자 입장(영수의 입장)에서 광속도의 비율로 물체의 길이가 수축되어 보이는 것

이것이 로렌츠 수축의 핵심이라고 할 수 있습니다.

 

가령 시속 300km으로 달리는 자동차의 앞뒤 차체 길이가 1/100조 이 줄어들었다고 하면 이해가 되시는지요?

만일 이 자동차가 빛의 속도로 속력이 증가하면 증가할수록 자동차의 길이는 0(zero) 에 가까워지며 점점 수축되는 것입니다.

(이 상황에서는 앞서 말한 시간지연 효과에 의거, 자동차의 시간 역시 점점 느려지며 0 에 가까워 지겠죠?)

 

마지막 질량 증가

이건.. 정말 굉장한 부분인데요

특수상대성이론 중에서 제가 가장 흥미롭게 생각하는 부분이예요!

 

긴 원형 파이프가 있습니다.

이곳에 전자를 넣고 강력한 전자기장을 걸면 이 전자는 점점 가속력을 받습니다.

이렇게 계속해서 힘을 가하면 마침내 전자를 빛의 속도까지 가속시킬 수 있는데

이 때 이 전자와의 충돌은 대형트럭과 충돌할 경우의 충격량과 맞먹는 엄청난 위력을 발휘합니다.

이게 특수상대성이론에서 말하는 '질량증가' 입니다.

 

 

 

 

 

 

여기서.. 특수상대성이론을 처음 접하시는 분 중에서

IQ가 정말 높으신 분은 앞서 말했던 시간지연 개념에서 한가지 상상을 하셨을지도 몰라요.

 

"빛의 속도에 가깝게 이동한다면 시간을 0, 즉 Zero로 만들 수 있을 것이다.

그렇다면 빛의 속도를 뛰어 넘는 속도로 이동한다면 (+) 시간의 개념이

아닌 (-) 시간 개념 즉, 과거 시간으로의 이동이 가능할 수 있지 않을까?" 

 

감격적인 순간입니다.

타임머신의 꿈이 현실화 되는 순간입니다.

충분히 가능합니다. 다만 이 '질량증가'가 존재하지 않았더라면..

 

질량증가에 의하면 어떤 물체에 힘을 가하고 속도가 빨라지면 빨라 질수록 질량은 엄청나게 증가합니다.

질량이 증가하면 증가할수록 가해지는 에너지는 더욱 많은 양을 필요료 할 테고,

결국 감당할 수 없을 정도가 되겠죠? 전자 1개의 질량도 광속을 돌파하기 위해선 무한대의 에너지가 필요하거든요.

(전자의 질량은 약 9.107×10-28g 입니다..ㄷㄷ)

 

그렇담 여기서 IQ 높으신 분들의 또하나의 의문점.

"아까 '광양자'라면서 빛은 입자로 되어있다고 말했잖아? 그렇다면 광양자는 어떻게 광속으로 이동하는 거지?"

광양자는 질량이 없기 때문이지요.

 

자.. 이것이 특수상대성이론이예요.

결코 어렵지 않죠?

 

어려웠다면 제가 설명을 잘못해서일테고..ㅠㅠ

과학을 너무 머리 아픈 학문으로만 생각하지 않는다면 과학도 수많은 재미가 담겨져 있습니다.

 

일반상대성이론에 관해서도 쓰고 싶지만 졸려서...

일반상대성이론 역시.. 전 사실 일반상대성이론을 보고 더더욱 충격을 먹었습니다.. 어쨌건

 

이즈음 되면 왜 특수상대성이론이 당시 물리학자들이 받아들이기 어려웠었는지,

또 이 이론이 얼마나 혁명적인 이론이었는지,

이것이 끼친 영향력 또한 얼마나 위대했었는지 어렴풋이나마 알 수 있으실 것 같습니다.

 

아, 그리고 또 하나 재미있는 사실.

일각에서는 아인슈타인을 '핵폭탄의 창시자'라고 부르기도 하는데요

이 이유를 잠깐 설명해드리려 해요.

 

앞서 말씀 드렸던 E=mc2 

이 공식에 엄청난 비밀이 숨겨져 있습니다.

처음에 이 사실을 알고 정말.. 덜덜 떨었던 기억이 나네요..

 

저 공식에 의하면 질량과 에너지는 동일하죠.

왜냐하면 c인 광속은 항상 일정하기 때문에요.

따라서 E와 m은 서로 상호 변환이 가능합니다.

 

자, 이 사실을 기억하시구요.

 

 

 

 

 

방사성 물질.

방사성 물질이란  방사성 원소의 붕괴에 의해

알파,베타,감마선을 방출하는 복사선을 내제한 물질을 말합니다.

여기서 감마선은 물질투과력이 우수해서 암치료 등에 쓰이구요.

핵폭탄에 응용되는 선은 알파선입니다.

본체가 헬륨원자핵인 이 알파선은 체내에 들어가면 치명적인 타격을 주죠.

 

이 방사성 물질이 핵분열 하거나 수소가 핵융합 한 후의 질량은 분열, 융합 전의 질량에 비해 작습니다.

이러한 결손질량에 앞서 말한 공식에 의거, 빛의 속도의 제곱을 곱한 양은 에너지로 변환되는 것이죠.

 

아인슈타인이 발견한 이 에너지 공식 이전엔 사람들은 결코 몰랐습니다.

비로소 이 공식이 세상에 태어난 후, 아주 소량의 물질에도 엄청난 에너지가 숨어 있다는 것을 알았죠

그리고 물리학자들은 특정 원소, 즉 방사성 물질이 핵분열이나 핵융합이 일어나는  경우

이 공식에 의거, 엄청난 에너지가 생성된다는 사실을 깨달았습니다.

 

 

 

 

 

 

빛의 속도가 얼마라고 했죠?

초속 30만km.....

이 빛의 속도의 제곱에 결손질량이 곱해져서 얻는 에너지는.............................

 

이것이 원자력 에너지의 원리, 원자 폭탄의 핵심원리입니다.  

제가 글의 제목을 저렇게 붙인 것도 이런 이유 때문이예요.

인간을 초월한 두뇌는 결국 인간을 초월한 괴물을 탄생시켰다.

뭐 이런식으로 말할 수도 있을것 같네요..

 

해가 뜰 시간이네요...-_-;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론...... 소름끼치도록 무서운 그 위대함에 대하여