[지식보관소] 이해 못해서 포기했던 사람도 이해시킬 가장 쉬운 난이도로 특수상대성이론 설명하기

 

 

 

참고로 저는 2007년부터 블로그로 상대성이론과 양자역학을

쉽게 설명하려고 노력을 해왔는데

아직까지도 설명이 너무나 어렵다는 그런 이야기들이 있습니다.

 

그래서 이번에는 제가 맘먹고

지금까지 주변 친구들과 부모 형제들

그리고 독서모임 회원분들을 대상으로

상대성이론을 설명했을 때 가장 잘 이해했던 방법들을 종합해서

최대한 쉽게 영상으로 설명해 보려고 합니다

 

“야, 너도 상대성이론 알 수 있어!”

 

상대성이론이 나온 배경을 알려면

우선 빛의 속도가 절대적이라는 개념을 이해해야 합니다.

 

우리가 알고 있는 모든 속도는 상대적입니다.

예를 들어

시속 100km로 이동 중인 소나타가

시속 200km로 이동 중인 포르쉐가 있다면

이 속도는 대체 어떤 기준일까요?

당연히 이 속도는 지구의 지표면을 기준으로 한 속도입니다.

 

소나타에 타고 있는 사람입장에서는

포르쉐가 자신보다 100km/h 빠르게 나가고 있을 뿐입니다.

 

좀 더 알아보면

포르쉐에 속도는 지표면에서는 200km였지만

우주로 나가서 지구를 본다면

지구는 적도면 기준 1,600km/h의 속도로 자전을 하고 있기 때문에

포르쉐가 자전 방향으로 이동 중이라면

포르쉐의 속도는 1,800km/h가 됩니다.

 

그리고 지구는 태양을 106,000km/s의 속도로 공전 중이기 때문에

태양 기준에서는 시속 106,200km가 되는 것이죠.

 

이처럼 속도라는 것은

기준을 어디로 잡느냐에 따라서 매우 상대적입니다.

 

하지만 빛의 속도는 상대적이지 않았습니다.

우주의 커다란 스케일을 생각하면

어떤 은하는 우리로부터 빛의 속도로 멀어지고 있고

어떤 은하는 가까워지고 있을 텐데

그 어떤 곳을 측정하든 빛은 항상 빛의 속도 어떤 것이죠, 299,792km/s.

 

그런데 절대적으로 속도가 항상 똑같다는 건 모순이 됩니다.

예를 들어서

안드로메다 방향으로 날아가는 광자가 있고

그 광자 뒤를 빛의 속도의 99%로 날아가는 우주선이 있다라고 했을 때

그 우주선에서 측정한 광자의 속도가 빛의 속도라면

그 광자의 속도는 우주선+ 빛의 속도라는 것인데

지구 기준에서 봤을 때는 그 광자는 그냥 빛의 속도거든요.

 

아니 누군가가 봤을 때는 지구 기준으로 빛의 속도고

누군가가 봤을 때는 우주선 기준으로 빛의 속도라면

애초에 이건 모순이 되는 게 아닐까요?

 

자, 사실 그래서 이제부터가 중요한 때

이제부터 여러분은 머릿속에 있는 속도, 거리, 시간

이 3가지에 대한 고정관념을 버려야 됩니다.

 

사실 이 부분부터 이해하기가 힘든 이유는

우리는 지구의 지표면 위라고 하는 우주의 관점에서 왔을 때는

극히 예외적인 이런 환경에서 자라왔기 때문에

그런 특수한 환경 때문에 생긴 고정관념입니다

자, 이제 고정관념을 버리고 저를 따라오시면 됩니다.

 

우리는 속도, 시간, 거리 이 세 가지 개념을

각각 전혀 다른 개념으로 이해하면서 살아왔습니다.

하지만 잘 생각해 보면 이 세 가지 개념은

절대로 각각 따로 존재할 수가 없습니다.

 

예를 들어 속도라는 단위는

어느 정도의 거리를 가는데 얼마의 시간이 걸렸느냐를 기준으로 정의됩니다.

시간이라는 기준을 생각을 해보죠.

우주에 존재하는 모든 원자들이

아예 아무런 움직임이나 변화를 가지지 않고 멈춰있다면

시간이라는 게 과연 존재하는 걸까요?

 

화학반응이 되었든, 물질의 상변화가 되었든,

어떤 작은 물체들이 어떤 움직임을 가져야 하는 것이고

심지어 우리가 눈으로 물체를 보기 위해서는

광자가 광원에서 나와서 보려고 하는 물체에 빛의 속도로 부딪치고 나서

다시 우리 눈으로 들어와야 됩니다.

그리고 이런 속도와 시간의 개념이 정의 되기 위해서는

거리, 즉 공간이 필요합니다.

 

이렇게 생각해 보면 당연히 공간과 시간 그리고 속도

이 세 가지는 절대로 각각 따로 떼어놓을 수 없는 개념이란 걸 잘 알 수가 있습니다.

 

자, 그럼 이제 다시 빛의 속도가 상대적이지 않다는 얘기로 돌아와 보겠습니다.

광자를 뒤따라가는 우주선에서 관찰하든

가만히 있는 지구에서 관찰하든

빛의 속도가 똑같으면 모순이다 라는 전제는

속도를 제외한 나머지 변수들, 그러니까 아까말한

시간이나 공간이 불변하는 절대적인 불변의 값이다라는 전제하에서만 맞는 말입니다.

 

하지만 만약에 우주선에서 느끼는 시간과 공간이

지구에서 느끼는 시간과 공간과 전혀 다르다면

광자의 뒤를 따라가는 우주선이나 지구에서나

앞에가는 광자의 속도는 항상 빛의 속도인 것이 가능합니다.

 

확실한 건 빛의 속도는

우리가 빛을 따라 가던 멀어지던

항상 우리로부터 빛의 속도로 움직였고

이런 관측 결과가 참이 되기 위해서는

필연적으로 시간이나 공간이 누구한테나 동일하다는

고정된 값이 아니어야 한다는 이야기가 됩니다.

 

결국 빛의 속도에 가깝게 움직이는 우주선이

지구에 있는 사람들보다 시간이 느려지게 되는 것이고

앞서 얘기한 것처럼 빛의 속도가 절대적일 때 생기는 모순이 사라질 수가 있는 것입니다.

 

자, 아까 말한 우주선의 여러분들이 탔다고 가정을 해봅시다.

우주선이 10광년 떨어진 별까지 298,298km/s의 속도로 날아간다면

여러분은 지구에 있는 사람들과 시간차이가 10배가 되게 됩니다.

이것이 바로 시간지연입니다.

 

그리고 지구에서 볼 때 여러분은 거의 광속에 가깝게 날아가고 있으니까

10광년 떨어진 별까지 10.005년 밖에 벌리지 않아서 도착한다고 측정이 됩니다.

 

하지만 여러분들은 시간이 10분의 1로 느려졌기 때문에

도착한 별까지 거리가 1광년으로 측정이 될 것이고

빛도 1년 만에 도착할 것입니다.

 

이렇게 되면 빛의 속도는

항상 절대속도이면서도 모순이 생기지 않게 되는 것이죠.

다만 지구에 있는 사람들과 시차가 발생하게 될 겁니다

 

자 이제 어떤가요?

빛의 속도가 항상 빛의 속도라는 개념과

그로 인해 생기는 시간지연효과가 이제는 조금 이해가 되셨나요?

 

참고로 이 영상의 목적은

누구나 이해할 수 있는 상대성이론 영상을 만드는 것이기 때문에

이에 대해서 최대한 간략하고 쉽게 설명하고 있습니다

 

지금의 내용이 만약 이해가 안되신다면

보충 설명으로 이 영상을 참고해 주시고

이번 영상에서는 계속해서 진도를 나가도록 하겠습니다.

 

 

결국 이런 형상이 이야기한 건

물체 운동 상태에 따라서 시간과 공간이 변한다는 것이고

우리가 공시에 일어난다고 하는 동시라는 단어는

실제로 존재하지 않는다는 것입니다.

 

모든 관찰자의 운동 상태가 완전히 동일할 수 없기 때문에

각 관찰자마다 느끼는 시간과 공간은 변합니다.

 

 

그렇다면 대체 왜 속도에 따라 시간이나 공간이 변하게 되는 것일까요?

여기 시속 300km의 속도로 움직이는 자동차가 있습니다.

내용을 단순화하기 위해서

이 자동차는 액셀을 밟는 순간 시속 300km의 속도로 움직이고

항상 시속 300km를 유지한다고 가정해 보겠습니다.

만약 이 자동차로 레이싱 선수가

길이가 5km인 직선 트랙을 달린다면

딱 1분 만에 끝까지 갈 수가 있습니다.

 

그런데 어느 날 이 자동차로 레이싱 트랙을 달렸는데

결과가 1분 10초가 나온 것입니다.

이게 뭐 컨디션이 안 좋다고 해도

무조건 자동차의 속도는 동일할 수밖에 없는데

이게 대체 어떻게 된 것일까요?

 

알고보니 이 레이싱 트랙은 길이가 5km에 포기 3km인 트랙이었고

레이싱 선수는 최단거리로 가야 하는데 오히려 대각선으로 이동한 것입니다.

그래서 레이싱 선수가 대각선으로 이동한 거리는

삼각정리로 계산을 해보면 약 5.83km인 것이고

이 거리는 약 1분 10초 걸리게 됩니다.

 

아인슈타인은 이런 원리를

시간과 공간을 이루어진 우주에 대입해서 생각합니다.

시간+ 공간은 4차원의 공간이지만

우리는 3차원의 존재들이므로

이걸 그림으로 표현하기 위해서

3차원의 공간을 1차원으로 치환해서 설명을 해보겠습니다.

 

그럼, 여기서 ‘아니 그러면 그냥 공간을 2차원으로 바꿔서 해주세요’ 라고

할지도 모르지만

그렇게 되면 그래프를 3차원으로 그려야 되는데

이건 이해하기만 어렵고 제가 영상을 만들기도 어렵기 때문에

어쩔 수 없이 공간을 1차원으로 치안을 하겠습니다.

그러면 이런 그래프가 나오게 됩니다.

 

그래프에서 오른쪽이나 왼쪽으로 이동하는 것은 공간을 이동하는 것이고

위나 아래에 동안 것은 시간을 이동하는 것입니다.

지금 우리는 동일하게 지구에 있기 때문에

우리의 공간상의 상대속도는 빛의 속도에 비해 한없이 작으므로

우리의 공간상의 상대속도는 제로로 놓겠습니다.

 

우주에 존재하는 모든 물질은 처음 우주가 생겨났을 때

그 힘에 의해서 모두가 동일한 운동량을 가지고 생겨났다고 가정을 해봅시다.

이 동일한 속도는 빛의 속도라고 생각을 하면 됩니다.

 

그러면 우리는 서로의 상대 속도를 따지면

시간 방향으로만 빛의 속도로 이동 중인 셈입니다.

이때 우리가 가만히 있다고 하더라도

시간차원 처음 방향으로 빛의 속도로 이동 중인 겁니다.

 

자동차를 타거나 ktx를 탈 때 에너지를 사용해서 속도를 갖게 된 건

속도가 생기는 게 아니라

이 시간 방향으로 이동하던 에너지의 각도를

공간 방향으로 변경하게 되는 것에 불과하다는 겁니다.

 

물론 이 그래프는 시간축이 공간축에 비해서 과도하게 축소되었으므로

이걸 좀 더 현실적으로 반영해 보겠습니다.

 

자 이게 현실적인 그래프입니다.

이 그래프 공간 중에서 왼쪽 끝을 대한민국에서 서울이라고 하고

오른쪽 끝을 태양계 왜행성 명왕성이라고 합시다.

그래프 시간축에서 맨 아래쪽을 어제 6시라고 하고

맨 위쪽을 오늘 6시라고 해봅시다.

어제 6시에 서울에서 화재가 발생 있고

오늘 6시에 화재를 진압했다면 그래프는 이렇게 됩니다.

 

어제 6시에 명왕성에 운석이 충돌했고

오늘 6시에 크레이터가 생겼다면 추가로 그래프는 이렇게 됩니다.

명왕성은 지구로부터 빛의 속도로 약 6시간이 가야 도달하는 거리에 있습니다.

 

계산의 편의를 위해서

광속으로 이어서 광속으로 6시간 거리라고 하겠습니다.

 

만약 어제 빛의 속도에 50%를 이동하는 우주선을 타고

명왕성으로 날아가게 되었다면

우리의 위치는 이런 형태가 나옵니다.

이때 우리가 대각선으로 이동할 때나, 수직으로 가만히 있을 때나

언제나 속도는 빛의 속도입니다.

 

여기에서 우주선이 빛의 속도의 50%로 이동할 때 부분만 중점적으로 보면

이렇게 됩니다.

당연히 대각선으로 이동하기 때문에

직선으로로 이동할 때보다 같은 속도로 이동해도

맨 위쪽까지 도달하는 데 더 오랜 시간이 걸립니다.

이게 바로 시간지연 효과입니다.

 

우리는 공간 상에서 운동 상태를 가짐으로써

시간 축 방향으로 이동하는 이런 각도만 변경된 것이죠.

 

결국 우주에 존재하는 모든 물질은

속도를 낼 수 있는 게 아니라

속도는 처음부터 바꿀 수 없는

빅뱅 당시에 만들어진 에너지로 생긴 동일한 값이며

우리는 그 속도가 진행하는 방향 즉 각도만 변경할 수 있는 것입니다.

 

그 방향이 시간 방향이 아닌 공간축으로 변경되면

우리는 공간상에서 속도로 인식을 하게 되는 것이죠.

 

지금까지의 내용이 제 개인의 경험에서 보면

주변에 일반인한테 제가 설명을 했을 때

특수상대성이론을 가장 쉽게 이해할 수 있는 설명 방식이었으며

엘러건트 유니버스에서도 소개한 방식이기도 합니다.

 

그런데 지금까지 제가 말한 내용들의 과연 증거들이 있을까요?

뮤온이라는 입자는

방사능 분개 나 입자가 곱게 같은 환경에서 만들어 낼 수 있는 입장입니다

뮤온은 굉장히 불안정하기 때문에 2.2µs 만에

전자와 중성미자로 붕괴가 되게 됩니다.

 

그런데 태양풍으로 광속에 가까운 속도로 날아오는 입자가

지구 대기의 상층부랑 충돌을 할 때도

뮤온입자가 만들어지는데

이때 뮤온입자는 광속에 가까운 속도로 지표면으로 떨어지게 됩니다.

이때도 뮤온은 이론상으로 2.2µs 만에 소멸하기 때문에 관측이 불가능하나

지표면에서 관측이 된 것이죠.

 

관측될 수 있었던 이유는

오로지 특수상대성이론에서만 설명할 수 있는 현상으로

광속에 가깝게 움직인 덕분에 시간지연효과로 수명이 늘어나게 된 것입니다.

 

그리고 그렇게 수명이 드러난 정도는

아까 모든 물질이 시공간에서 항상 빛의 속도를 지니고 있다는 가정으로 만든

그래프로 계산했을 때와 일치했습니다.

 

 

지금까지 제가 한 설명이

특수상대성이론의 기본 개념을

가장 이해하기 쉽다고 느끼는 방식으로 설명한 것입니다.

제가 밖에서 이것보다 더 쉬운 방법으로 설명해 놨을 때는

대부분 너무나 잘못된 방식으로 이해를 했기 때문에

유튜브로 제가 설명하는 것은 사실 이게 한계인 것 같습니다.

 

그리고 모두가 이해하기 쉬운 설명 방식과

모두의 이해력이 전부 다 다르기 때문에

일대일로 설명하면 제가 이해시킬 자신이 있지만

가장 보편적으로 이해할 수 있는 영상을 만들기 위해서

이 영상을 만들게 되었습니다.

 

만약 이 영상을 보고도 감이 안 잡힌다면

다른 책이나 영상을 참고하셔야 되겠죠.

 

물론 일반인들이 굳이 상대성이론을 이해해야 할 필요는 없습니다.

하지만 저는 개인적으로 상대성이론의 기본 개념을 이해하는 것은

매트릭스에 나오는 빨간약이라고 생각됩니다.

 

왜냐하면 기본적으로 우리가 가지게 되는 고정관념을 완전히 버리지 않고서는

상대성이론을 이해할 수가 없기 때문에

상대성이론의 기본 개념을 한번 이해해 보면

자신만의 생각이나 고정관념에 갇히지 않게 되는 사고가 길러지게 되고

이게 앞으로 살아가는데 큰 도움이 된다고 개인적으로 생각합니다.

 

요새는 뭐 정치이념, 세대 갈등, 남녀평등

이런 문제에서 이견이 좁혀지지 않는 생각이 확고한 분들을 보면

고정관념을 쉽게 바꾸지 못하는 분들이 많은데

그에 비해 저는 고정관념이 정말로 없는 편인데

생각을 해보면 중학교 때 제가 상대성이론의 기본 개념을 접하고 이해를 했던 게

제 인생에서 큰 영향을 주었다고 생각합니다.

 

그래서 2007년부터 지금까지 거의 13년 동안

사람들한테 이런 개념들을 설명하고

유연한 사고를 할 수 있는 사회를 만들고 싶은 것이죠.

 

빨간약을 드실지, 파란약을 드실지

선택을 하는 것은 여러분의 선택입니다.