매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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광속 불변의 법칙
앞에서 속도는 상대적이라고 했습니다. 하지만 예외가 있습니다. 바로 빛의 속도는 변하지 않는다입니다.
아래 그림에서 갈릴레이의 속도 덧셈 법칙에 따르면, 우주선이 빛과 반대 방향으로 움직이면 상대속도는 30+20=50만km/s가 되어야 하는데, 그렇지 않습니다. 또, 우주선이 빛과 같은 방향으로 이동하면 빛의 상대속도는 30-20=10만km/s이 되어야 하는데, 빛의 상대속도는 30만km/s입니다.
이건 전혀 상식적이지 않죠.
빛의 속도는 전자기파 연구로 유명한 맥스웰에 의해서 제일 처음 측정되었습니다. 맥스웰은 전지와 자기는 파동이라는 것을 알게 되고, 전자기파의 속도를 구했는데 30만km/s가 나왔습니다. 당시 빛의 속도도 30만km/s로 알려져 있었고, 사람들은 빛은 파동이다라고 생각하고 있었지요. 맥스웰은 전자기파의 속도가 30만km/s임을 알게 되고, 빛도 전자기파의 일종이라고 생각하게 됐습니다.
그런데, 맥스웰의 발견에서 중요한 점은 빛의 속도가 측정하는 사람의 속도에 상관없이 항상 30만km/s라는 것입니다.
맥스웰의 실험과 별개로 미국에서 빛의 매개로 생각되던 이더(aether)의 존재를 규명하기 위해 마이컬슨-몰리 실험(1887년)이 행해졌습니다. 이더가 존재하는지는 규명하기 위한 실험이었지만, 결과적으로 빛의 속도가 항상 일정하다는 것을 밝힌 실험이 되었습니다.
위 그림처럼 지구의 공전방향에서 빛의 속도를 측정하고, 공전 반대 방향에서 빛의 속도를 동시에 측정했습니다. 지구의 공전 속도인 30km/s가 빛의 속도에는 전혀 영향을 끼치지 않았죠. 당시 마이컬슨과 몰리는 측정이 잘못되었다고 판단했습니다. 왜냐하면 모든 속도는 덧셈 법칙을 따라야 한다고 생각했기 때문입니다. 그래서 이 실험이 역사상 가장 유명한 실패 실험이라고 불리게 됐습니다.
당시 마이컬슨이 측정한 빛의 속도는 186153mi= 299,584.2km 입니다.
참고로, 30만km/s의 속도는 진공을 통과할 때의 속도입니다. 물을 통과할 때는 속도가 느려집니다. 물 원자가 빛을 흡수하고 다시 방출하는 과정을 거치기 때문에 빛의 속도가 느려지게 됩니다. 다이아몬드를 통과할 때는 그 속도가 12.4만km/s까지 떨어집니다.
여기서 잠깐
마이컬슨-몰리 실험이 빛의 속도는 항상 일정하고, 이더는 존재하지 않음을 증명하는 실험으로 인식되는데, 이 때의 가정은 이더는 정지해야 한다는 것입니다. 나중에 다루게 될 이더 물리에서는 이 가정이 잘못됐음을 지적합니다.
아인슈타인의 사고 실험 - 시간은 상대적이다!
아인슈타인은 특수 상대성이론을 발표하기 1년 전인 1904년에 왜 빛의 속도는 항상 일정할까 고민에 빠졌습니다. 아인슈타인은 친구 베소와 문제에 대해 얘기하며 발상을 전환했습니다. 바로 시간에 대해 다시 생각해 보게 된 것이죠.
당시 시간은 누구에게나 동일하게 흐른다고 생각했습니다. (사실 지금 우리도 아직까지 그렇게 느끼고 있죠)
아래 그림은 아인슈타인의 사고 실험을 묘사한 것입니다. 빛이 전달되는 시간이 과장되어 표현되었습니다.
오르쪽으로 움직이는 기차의 양끝에서 번개가 쳐서 가운데에 있는 동수에게 번개 빛이 전달되는 시간에 대한 사고 실험입니다. 또, 정지한 상태로 잇는 정수에게 두 번개 빛이 도달하는 시간도 측정합니다. 정지한 상태의 정수에게는 두 번 개 빛은 동시에 도착합니다. 하지만 움직이는 동수에게는 기차 앞에서 친 번개가 더 빨리 도달합니다. 이것은 앞에서 살펴 본 상대속도 실험과 같습니다. 시간도 상대적으로 인식되는 것입니다. 즉 관찰자에 따라 시간이 달라지는 것입니다.
아인슈타인은 시간은 절대적이지 않고, 측정하는 기준계에 따라 달라지는 상대적인 양으로 봤습니다! 즉, 시간이 절대적이라는 가정을 버리고, 상대적이라고 생각함으로써, 광속 불변의 법칙과 갈릴레이의 상대성원리가 충돌문제를 해결했습니다.
아인슈타인은 빛의 속도가 항상 30만km/s가 되기 위해서는 관찰자에 따라 시간이 달라진다고 생각했습니다. 즉 움직이는 사람과 정지한 사람에게는 같은 시간이 흐르는 것이 아니라 다른 시간이 흐른다고요. 그야말로 발상의 전환입니다.
다음에 아인슈타인의 특수 상대성이론을 알아보겠습니다.
왜 대다수가 인정하는 상대성이론이 아직도 이론 딱지를 붙이고 있는걸까요?
참고
다음 책을 참고하였습니다.
쉽게 상대성 이론을 접하고 싶은 분들, 학생들께 추천합니다.
저자의 웹사이트에 내용이 공개되어 있습니다.
http://hkpark.netholdings.co.kr/web/manual/default/manual_list.asp?menu_id=107589