[이과형] 상대성 이론, 이 위대한 이론은 어떻게 탄생했는가? ep.1

 

 

 

우리가 살면서 겪었던 모든 경험들은

우리의 시간이 모두 똑같이 흐를 거라는 환상을 만들어 주었습니다.

 

서로의 시계가 똑같이 움직이고 있다는 믿음

너와 내가 땅으로 떨어진 사과의 시간이

동일하다는 것에 합의할 것이라는 믿음이

우리에게는 있죠.

 

하지만 여러분의 환상은

아쉽게도 오늘부터 사라질 것입니다.

여러분의 믿음은 가짜이고

시간은 서로에게 다르다는 것은

사실이기 때문이죠.

 

 

1677년 영국 왕립학회의 학술지인 철학 회보에

한 가지 놀라운 기사가 실렸습니다.

제가 목성 주위를 돌고 있는 위성 중 하나인

이오의 월식 주기를 관찰했습니다.

이오가 목성에 가려지고 다음번 가려지기까지의 시간 간격이 있잖아요?

그런데 이 시간 간격이 지구가 목성과 가까울 때랑 멀 때

차이가 나더라고요.

이것은 이오의 공전속도는 동일하지만

이오에서 출발한 빛이 지구로 오는데

시간이 걸리기 때문이라는 것이 저의 결론입니다.

즉 빛의 속도는 유한합니다!!

 

“응 뭐 그럴 수 있지"

"그럼 빛의 속력은 얼마인가요?"

"음.. 그건 제가 계산을 하기는 했는데…"

 

제가 빛의 속도를 아주 정교하게 측정한 결과를 말씀드리려 합니다.

저는 도미니크 프랑수아 아라고가 고안한

회전 거울을 바탕으로 실험을 진행했습니다.

 

이 장치는 광원에서 출발한 빛이

회전하는 거울에 반사되어 정지한 거울로 갔다가

다시 회전하는 거울로 되돌아오게 설계 되었습니다.

빛이 돌아오는 동안 거울이 회전하기 때문에

빛이 특정 각도로 방향을 바꾸게 됩니다.

이때 각도의 크기는 거울 사이의 거리, 빛의 속도,

거울의 회전속도에 따라 달라지게 되겠죠.

거울 사이의 거리와 거울의 회전속도는

우리가 통제할 수 있기 때문에

빛의 속도를 구할 수 있었습니다.

 

"그래서 빛의 속도가 얼마입니까??"

"빛의 속도는 298,005,000 m/s입니다"

"그게 도대체 얼만큼의 속도인겁니까?"

"빛은 1초에 지구 7바퀴 반을 도는 것이죠"

"헐, 대박“

 

여러분 이제 여기부터가

현대 과학이 재밌어지는 순간입니다.

1831년 패러데이는 움직이는 전기(전류)가 자기를 만들고

움직이는 자기가 움직이는 전기를 만든다는 사실을 밝혀냈습니다.

 

패러데이 연구를 바탕으로 스코틀랜드 과학자 제임스 클러크 맥스웰은

전기와 자기 사이의 모든 상호작용을 기술하는 방정식을 완성했습니다.

"제가 전자기 현상을 방정식으로 정리했는데요….

이 방정식으로 전자기파의 속도를 구할 수 있어요…

그런데 이 속도가 푸코가 측정한 빛의 속도랑 똑같은데요?

그래서 제 생각엔 빛은 전자기파에요”

“와!! 맥스웰 정말입니까?

그 말에 책임질 수 있는 것입니까?”

”뭐 이정도 가지고 놀라고 그래요.

이제 충격적인 발표를 할게요.

이 빛의 속도는 파동을 측정하는 관찰자의 속도나

파동을 발생시키는 파동원의 속도와 관계가 없습니다.

즉 언제나 항상 299,792,458m/s로 일정합니다.”

"응?? 형 그건 아니잖아? 너무갔다 그건~ 아 진짜 화장실 가고 싶은데 참았더니

헛소리만 들었네”

“자신있는 사람들은 누구든지 이게 아니라고 언제든지 증명해 보이세요.”

 

사람들이 왜 이렇게 화가 난 걸까요?

여러분은 이게 얼마나 황당한 얘기인지 혹시 아시나요?

어벤저스에 등장하는 퀵실버가 빛과 달리기 시합을 합니다.

결과는 당연히 퀵실버의 참패!

분노한 퀵실버는 빛을 따라잡기 위한 맹훈련에 들어갔죠.

그렇게 10년 후 퀵실버는

자신만만한 태도로 다시 한번

빛과의 시합에 나선다고 선포합니다.

빛은 299,792,458m/s의 속력으로 여전히 빨랐지만

10년 전과 다르진 않았습니다.

반면 퀵실버의 성장은 믿을 수 없었습니다.

빛보다 정말 약간만 느릴 뿐이었어요.

퀵실버는 결국 또다시 패배하였지만

사람들은 퀵실버에게 박수를 보냅니다.

빛을 정말 따라잡을 뻔한 유일무이한 기록이거든요.

하지만 퀵실버는 엄청나게 좌절합니다.

...

 

좀 더 현실적인 상황으로 얘기해 볼까요?

여기 한쪽 벽면이 투명 유리로 된 움직이는 기차가 있습니다.

기차는 속력 A로 한쪽으로 움직이고 있어요

기차를 타고 있는 영석이가 야구공을 B의 속력으로 던집니다.

바깥에선 영석이를 정한이가 관찰하고 있고요.

정한이가 관측한 야구공의 속력은 기차의 속력 A와

야구공의 속력 B를 더한 값일 겁니다.

이것은 우리 모두 동의하는 바이죠.

 

정한이가 관측한 야구공의 속력이 만약 B라고 한다면 이상하잖아요?

기차의 속력이 A인데

그럼 야구공이 앞으로 날아가지 못하겠죠? 그렇죠?

그리고 그렇다면

영석이가 야구공의 속력을 B라고 말할 수 없잖아요?

다들 그렇게 생각하는 거죠?

 

그런데 빛을 생각해 봅시다.

영석이가 이번엔 손전등을 기차 앞으로 비춥니다.

영석이가 본 빛의 속도는 299,792,458m/s에요

 

정한이가 또 밖에서 이것을 봅니다.

우리가 기대하는 정한이 관측한 빛의 속도는 299,792,458m/s 더하기

기차의 속도잖아요.

그런데 맥스웰 방정식에 따르면

정한이 관측하는 빛의 속도도

299,792,458m/s여야 합니다.

 

심지어 미사일을 타고 마주 오는 영수에게도

영석이 손전등 빛의 속도는

299,792,458m/s입니다.

 

응~?? 이게 무슨 일이죠?

이제 조금 아까 그 사람들이 이해가 되나요?

이 믿을 수 없는 사실을 과학자들은 받아들일 수 없었습니다.

그래서 빠른 속도로 자전하는 지구를 이용해

서로 다른 방향으로 이동하는 빛의 속도 차이를 찾기 위해

끊임없이 노력했지만 모두 실패하였죠.

 

결국 맥스웰이 옳았습니다.

빛의 속도는 언제나 일정하다는 거예요.

하지만 여전히 이런 사실은 받아들이기 힘들었죠.

머리로는 알지만, 가슴으로는 받아들일 수 없는 뭐 그런 거 있잖아요.

 

그런데 단 한 명, 그렇지 않은 사람이 있었어요.

바로 독일의 물리학자 알버트 아인슈타인입니다.

빛의 속도가 항상 일정하다는 것을 인정하면서도

우리 세계의 물리 규칙들이 계속 유효하도록 하는 쉬운 방법이 있습니다.

"오~!! 그게 무엇입니까?"

“그런 방법이 있습니까? 혹시 에테르를 찾은 것 입니까?”

“간단합니다. 이제 우리들 서로의 시간이

동일하다는 환상을 버리는 것입니다“

 

아인슈타인은 어째서 이런 결론에 도달하게 된 것일까요?

또 과연 시간이 서로 다르다는 것을

증명할 수 있었을까요?

 

이런 시간이 벌써 이렇게 되었나요?

아기 좀 보고 금방 다시 올게요~

 

너무 아쉬워하지 마세요.

상대성이론의 시공간을 탐험하는 우리의 길고 긴 여정은 이제 시작이니까요!