[지식보관소] 우리는 왜 광속으로 이동 중일까? - 상대성이론 쉽게 이해하기 2

 

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중요한 건 빛의 속도가 절대적이기 위해서는

시간이 변해야 된다는 개념이었죠.

 

그런데 왜 빛의 속도가 절대적이고 시간이 변할까요?

우리 타인이형은 뉴턴형님이랑 다르게

얼렁뚱땅 넘어가는 걸 별로 좋아하지 않았는데요.

 

예를 들어

뉴턴형이 만류인력의 법칙을 설명할 때

만류인력이 왜 생기는지에 대해서는 정확한 답을 알지 못했죠.

‘그냥 자연이 그러하다’

뭐 요 정도가 뉴턴형님이 한 답변입니다.

 

그런데 우리 타인이형은 특수상대성이론을 만들면서

왜 빛의 속도가 절대적인지에 대해 고민을 많이 했습니다.

그리고 그 답을 찾고자 했죠.

 

간단히 말해

뉴턴형님은 중력 가속도를 계산하는 공식만 알려줬기 때문에

TV 리모컨 사용 방법을 알려준 거라고 볼 수 있겠습니다.

그런데 반해 타인이형은 TV 설계도를 알고 싶어 했던 거죠.

타인이형은 결국

왜 운동 상태에 따라 시간이 지연되는가?

그 이유는 무엇인가?

하는 두 가지 질문에 대한 답을 원했습니다.

그리고 이제부터 타인이형의 놀라운 생각이 시작됩니다.

 

여러분 혹시 옛날에 포트리스라는 게임을 아시나요?

이 게임에서는 탱크가 앞이나 뒤로만 움직일 수 있습니다.

하지만 현실에서는 탱크가 우회전도 할 수 있고 좌회전도 할 수 있죠.

그렇지만 이 게임에서는 우회전이나 좌회전이라는 차원을 지원하지 않습니다.

 

갑분포

왜 갑자기 포트리스 얘기를 하는 분위기가 됐을까요?

타인이형은 시간이 변한다는 현상을 토대로

시간이 공간과 같은 하나의 차원이라는 생각을 하게 됩니다.

 

무슨 얘기일까요?

자, 이 그래프를 봅시다.

이 그래프에서 가로축은 공간 차원이고

세로축을 시간 차원이라고 해봅시다.

 

여러분이 만약 KTX를 타고 서울에서 부산을 간다면

여러분은 2시간 뒤 부산에 있을 겁니다.

이걸 그래프로 그린다면 이렇게 됩니다.

이 그래프를 기억해주세요.

 

아인슈타인은 여기서 놀라운 생각을 합니다.

우주에 있는 모든 물질이

‘탄생 시에 모두 동일하게 빛의 속도를 지니고 태어났다면?’

갑자기 뜬금없죠.

빛의 속도는커녕 이불 밖은 위험하다고 이불 안에서 꼼짝도 않고 있는데 말이죠.

 

하지만 아인슈타인이 한 이 얘기의 의미는 시공간상에서입니다.

그러니까 타인이형은 속도가 변할 수 있는 게 아니라

우리 모두 다 동일하게 빛의 속도를 지니고 있다고 생각한 겁니다.

지금 우리가 이불 안에 있다고 하더라도

시간 방향으로, 빛의 속도로 이동 중인 겁니다.

 

아까 그 그래프를 불러와 보죠.

한마디로 이렇게 계속 시간 방향으로 이동 중이라는 거죠.

우리가 자동차를 타거나 KTX를 탈 때

에너지를 사용해서 속도를 갖게 되는 건

속도가 생기는 게 아니라

이 시간 방향으로 이동하던 에너지의 각도를

공간 방향으로 변경하는 것뿐입니다.

 

만약 우리가 빛의 속도의 50%를 내는 우주선에 탑승했다면

이 그래프에서 우리의 운동 방향은 이 방향입니다.

보시다시피 1초 동안 움직였어도

우리가 시간 방향으로만 이동했을 때에 비해 86%밖에 이동하지 못합니다.

이게 바로 시간 지연 효과인 겁니다.

 

 

와, 이건 정말 미친 대박 생각 아닌가요?

아니, 어떻게 타인이형은 이런 생각을 할 수가 있죠? 이게 사람인가요?

이것처럼 우주에 있는 모든 물체가 빛의 속도를 지녔다면

물체를 빛의 속도보다 빠르게 가속시킬 수 없는 이유도 설명이 됩니다.

 

실제로 스위스 CERN 입자 가속기에서

빛의 속도의 99.995%까지 가속에 성공했지만

아무리 몇 배의 에너지를 투입해도 빛의 속도를 넘을 수가 없었습니다.

 

왜냐하면 속도는 고정된 값이고

우리는 그 속도로 이동하는 방향만 바꿀 수 있는 거니까요.

우리가 비행기를 타든 로켓을 타든

그 속도를 내기 위해 사용되는 엄청난 에너지는

사실 시간 방향으로 이동하던 속도를

공간 방향으로 돌리기 위해 사용했던 에너지라는 겁니다.

 

[따라서 특수상대성이론의 기본법칙

모든 물체는 시공간 상에서 빛의 속도를 지닌다.

=공간상에서 빛보다 빠르게 이동할 수 있는 물체는 없다.]

 

그런데 이런 혁신적인 생각이 과학계에서 그냥

‘아, 그래요 맞네요’ 하고 받아들여질 리가 없죠.

 

광속에 가깝게 이동하는 물질이 시간이 느려지는지

현실에서 입증해야 되는데

입증하기가 어려웠기 때문이죠.

 

하지만 이를 입증할 방법이 생깁니다.

양성자의 핵융합을 매개하는 입자 중에서

파이온중간자라는 물질이 있는데,

이 물체는 붕괴할 때 뮤온이라는 입자가 발생합니다.

이 뮤온 입자의 수명은 매우 짧아서 2.2마이크로초에 불과했는데요.

근데 이 파이온 중간자가

태양으로부터 지구로 광속으로 날아온다는 겁니다.

그리고 이 입자가 지구 대기와 부딪히면서 뮤온이라는 입자를 내놓습니다.

그런데 대기 상층부에서 지표면까지 도달하는 데는 200마이크로초가 필요한데

지표면에서 이 뮤온 입자가 관측이 된 겁니다.

심지어 관측된 뮤온 입자의 속도는 광속의 99.5%였고

뮤온 입자의 수명은 217.8마이크로초였습니다.

 

이게 무슨 의미인지 아시나요?

여러분 소름 뜯을 준비 되셨나요?

진짜 소름 돋아요.

 

아까 그래프에서

뮤온 입자가 공간 방향으로 광속의 99.5%로 이동한다고 했을 때

이 시간축, 이 그래프에서 시간축의 길이는

99.0025분의 1입니다.

 

다시 말해

시간 지연 효과가 정지 물체에 대비해서

99.0025배의 시간 지연 효과가 생긴다는 거죠.

 

그런데 뮤온의 수명은 2.2마이크로초

아까 나왔던 시간 지연이 99.0025배라고 했죠?

뮤온의 수명 2.2마이크로초에다가 이걸 곱하면 217.8마이크로초인 겁니다.

 

그렇습니다.

모든 물질은 시공간에서 빛의 속도를 지닌다는 아인슈타인의 공식과

소름 돋을 정도로 정확하게 일치하는 결과였습니다.

저는 알고 있던 사실인데도 지금 막 또 소름 돋았어요.

 

맞습니다.

우리가 속도를 낸다고 하는 거는 착각입니다.

우리는 속도를 낸 게 아니라 속도의 방향을 바꾼 겁니다.

시간 방향에서 공간 방향으로 말이죠.

와~ 소름.