[비센의 재미있는 과학 이야기] 상대성 이론
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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일14-08-02 12:14 조회1,838회 댓글0건관련링크
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석준영 비센교육원장끊임없는 과학적 탐구와 고찰로 진리 발견 - 오류 발견되면 겸허히 받아들일 줄 아는 자세 중요
1887년, 케이스 웨스턴 리저브 대학교 (Case Western Reserve University)의 앨버트 마이켈슨(Albert Abraham Michelson)과 에드워드 몰리(Edward Morley)라는 두 과학자는 역사상 가장 중요한 실험중에 하나인 마이켈슨 몰리 실험 결과를 발표했습니다. 이 실험은 사실 그 반대의 결과를 예상하고 고안된 실험이었는데, 그 결과 당시 과학계가 예상하던 것이 완전히 잘못된 것임을 보임으로써 물리학계의 엄청난 변화를 가져온 실험이었습니다. 그래서 이 실험은 가장 유명한 실패한 실험이라고 불리기도 합니다. 당시 과학계는 '빛은 입자가 아닌 파동'이라고 생각했고, 파동은 매개체없이는 전달될 수 없기 때문에 빛의 전달물질을 ‘에테르’라고 이름 붙이고, 그 에테르를 찾기 위해 혈안이 되어있던 시기입니다. 이 때 마이켈슨 몰리 실험의 결과는 에테르라는 빛의 전달물질은 존재하지 않으며, 빛은 어느 방향에서, 어떤 움직임 속에서 측정을 한다고 하더라도 항상 동일한 속도로 움직인다는 사실을 보여준 것입니다.
이 두가지 실험 결과는 뉴튼으로부터 시작된 고전역학이 양자역학을 필두로 하는 현대물리학으로 넘어가게 되는 중요한 키를 제시한 것인데, 첫째로 ‘에테르’라는 매개체가 존재하지 않는다는 것은 빛은 그 당시까지 믿어오던 것처럼 파동의 하나라고 볼 수 없으며 무언가 일반적인 파동과는 다른 점이 있을 수 밖에 없다는 것을 알려주는 것입니다. 즉, 전달물질이 존재하지 않는 파동이란 있을 수 없는 일인데, 빛은 파동의 현상들을 모두 보이면서 전달물질은 존재하지 않는다는 것이 알려진 것이기에 그 파장이 엄청난 것이었습니다. 하지만, 이것보다 더 충격적인 결과는 두번째 것인데, 빛의 속도가 관측자와 빛의 소스와의 상대적 움직임과 상관없이 항상 일정한 값을 갖는 다는 것을 증명하는 것이었습니다. 그 당시 모든 물리학의 근간인 갈릴레오 상대론과 뉴튼의 법칙에 정면으로 반대하는 것이기 때문입니다.
쉽게 풀어 설명드리자면, 한 사람이 30km/h의 속도로 움직이고 있는 자동차 안에서 5km/h의 속도로 공을 던지고 있다고 생각해 봅시다. 이를 자동차 위에 함께 있는 사람이 본다면 공의 속도는 그대로 5km/h로 보이겠지만, 자동차 밖에 정지해있는 사람이 바라본다면 자동차의 속도와 공의 속도가 더해져 35km/h로 보여지게 됩니다. 숫자들을 어렵게 생각하실 필요없이 달리는 자동차에서 반대편에서 다가오는 자동차를 보면 그 자동차의 속도가 훨씬 더 빠르게 느껴지는 현상을 말합니다. 이는 우리가 느끼는 속도는 자체의 움직임뿐만 아니라, 그것을 바라보는 관측자의 움직임에 따라 다르게 보일 수 밖에 없다는 것으로, 우리가 일상 생활에서 당연히 여기고 있는 사실입니다. 그런데 마이켈슨 몰리 실험의 결과는 앞서 드린 예와 비교해서 말씀드리자면 달리고 있는 자동차에서 빛을 발사했을 때, 그것을 자동차에 함께 있는 사람이나 자동차 밖에 가만히 서있는 사람이나 상관없이 모두 동일한 빛의 속도를 느끼게 된다는 것인데, 이 결과가 사실이라면 그 동안 모두가 믿어온 갈릴레이 상대성과 뉴튼의 법칙에 오류가 있다는 이야기가 되는 것이기에 당시 과학계는 이 실험의 결과를 갖고서 엄청난 패닉에 빠지게 된 것입니다.
이 때 모든 과학자들은 비록 이 실험의 결과는 이렇게 나왔지만, 그렇다고 해도 갈릴레이 상대성과 뉴튼의 법칙은 잘못될 수 없는 진리이기 때문에, 우리가 간과하고 있는 다른 무엇인가가 있을 것이라 확신했고, 그 것을 찾기 위해 모든 노력을 기울이고 있었습니다. 이미 우리가 진리라고 믿는 것이 잘못된 것이라는 증거를 본다 하더라도 그 진리가 잘못된 것이 아니라, 그 진리는 여전히 옳은 상태에서 그 현상을 설명할 수 있는 다른 무언가를 찾고자 했던 것입니다. 이때 이런 틀을 깰 수 있는 과학계의 이단아, 누구나 다 진리라고 믿는 것을 뿌리부터 부정하고 새로운 진리를 새울 수 있는 천재가 있었으니 그가 바로 아인슈타인입니다. 아인슈타인의 생각은 간단합니다. “실험결과가 그렇게 나왔으니, 빛의 속도는 관측자의 상대적 움직임과 상관없이 항상 동일한 값이라는 것을 받아들이자.” 이 간단해 보이는 사실 하나를 받아들이면, 실험 결과를 자연스럽게 설명할 수 있는 대신, 그간 모두가 진리라 믿었던 많은 사실들이 송두리째 뒤바뀌게 됩니다.
첫째, 빛의 속도가 상대적으로 변하지 않기 위해서는 속도를 결정짓는 시간과 공간이 관측자의 움직임에 따라 변해야 합니다. 이는 가만히 서있는 사람의 한 시간과 일정 속도로 움직이고 있는 사람의 한 시간이 서로 다르다는 말이 됩니다. 또한 가만히 서있는 물체의 길이를 재는 경우와 그 물체가 움직이고 있을 때 재는 길이값이 서로 다른 값을 준다는 말이 되니, 당시의 과학자들 뿐만 아니라 이 글을 읽고 계신 독자분들께도 해괴한 궤변로 들릴 수 밖에 없을 것입니다. 하지만, 아인슈타인의 이 생각은 옳은 것으로 판명되었고, 그 오차의 정도가 빛의 속도에 가까울 정도로 빠르지 않은 인간의 일상 생활에서의 측정값은 그 정도가 너무 작아서 우리가 그 차이를 느낄 수 없는 것 뿐인 것으로 밝혀졌습니다. 즉, 아인슈타인의 특수 상대성이론을 이해하기 위한 첫번째 걸음은 바로 절대 바뀔 수 없는 것으로 여겨지는 시간과 공간이 보는 사람에 따라 길어지기도, 짧아지기도, 때론 휘어지기도 할 수 있다는 괴상한 듯한 설명을 진실로 받아들이는 것입니다.
두번째, 이렇게 관측자에 따라서 속도의 변화가 생기면, 운동량 보존 법칙에 따라서, 물체의 질량이 함께 변화하게 되는데, 이러한 현상을 설명하기 위해서는 질량이 에너지로, 또는 반대로 에너지가 질량으로 변환될 수 있어야 합니다. 이를 설명하는 식이 물리학에서 가장 유명한 식 중에 하나인 E=mc2입니다. 에너지(E)는 질량(m)에 빛의 속도의 제곱값(c2)을 곱한 값과 같기 때문에, 언제든지 질량을 에너지로, 또는 에너지를 질량으로 변환할 수 있다는 것입니다.
당시에는 도대체 받아들일 수 없는, 너무나도 터무니 없는 듯한, 이론이기에 많은 과학자들에게 쉽게 받아들여지지 못했던 아인슈타인의 상대성이론은 그 동안 많은 실험을 통해 증명되었고, 실제 자연을 지배하는 것이 상대성이론이 맞다는 것은 약 100년이 지난 현재 과학계에서는 상식으로 받아들여지는 사실입니다. 궁극의 진리로 받아들여지는 것도 이렇게 계속되는 과학적 탐구와 고찰로 바뀌어지는 과학사적 발자취를 보면서 인간은 언제나 틀릴 수 있고, 그것이 무엇이던간에 오류가 발견되면 겸허히 받아들일 줄 아는 자세를 갖어야만 할 것이라는 생각을 해봅니다.
석준영
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