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안녕 게이들아. 최근 우주 관련 일베글과 거기서 다룬 상대성 이론, 시간여행 등에 대해 궁금해하거나 잘못 이해하고 있는 게이들이 많더라구. 사칙연산을 모르고 미적분을 할 수 없듯 상대성 이론을 이해하기 위해선 먼저 빛의 속성에 대해 알아야 해. 이 분야에 관심은 많지만 나도 조ㅈ문가라 잘못된 점은 아낌없이 질타해주길 바란다.

반응보고 아래 순서로 총 3부작 정도로 써보려는데 장담은 못하겠다.

1. 빛이란 무엇인가, 광속 불변의 법칙.

2. 아인슈타인의 상대성 이론과 시간 여행

3. 신은 존재하는가

1. 빛이란 무엇인가

눈을 뜨면 항상 접하고 보는 빛이지만 사실 빛은 매우 신기하고 여전히 연구할 게 많은 녀석이야. 

1600년대 이후 본격적으로 빛이 파동이냐. 입자냐에 대한 논란이 끊임없이 재기되어 왔어. 

뉴턴은 빛의 속성을 광자(Photon)라는 용어를 도입해 입자설을 강력히 주장해. 반면 동시대를 살았던 하위헌스는 그의 입자설은 부정하고 파동설을 주장한다. 게이들도 알겠지만 파동은 매질을 필요로 하고 빛은 매질이 없어도 전파되는데 하위헌스는 우주공간을 가득 메우고 있는 에테르라는 가상의 매질을 고안해 파동설을 설명했어. 하위헌스의 주장에도 불구하고 뉴턴의 권위에 묻혀 100년 넘게 빛은 입자로 여겨지게 돼. 

19세기에 들어서 토머스 영, 맥스웰, 헤르츠 등에 의해 빛을 파동이라고 믿는 학자들이 많아지게 됐어. 그리고 자연히 논란이 된 사안은 에테르의 진위 여부였지. 에테르를 찾아낸다면 본인들이 파동설을 더욱 강력히 주장할 수 있거든. 그리하여 많은 학자들이 에테르를 찾기 위한 실험을 하게 되고 그 중 하나가 '마이컬슨 몰리의 실험'이야.

파동설을 주장했던 맥스웰이라는 인물에 대해 잠시 짚고 넘어 갈게. 보통 세기의 천재라 하면 뉴턴, 아인슈타인을 먼저 떠올리지만 물리학을 깊이 있게 공부한 사람들 중 상당수가 맥스웰을 꼽아. 심지어 아인슈타인의 우상도 맥스웰이었고 그의 초상화를 자신의 연구실에 걸어 두었을 정도니까.

   물리학은 맥스웰 이전과 이후로 나뉜다. 그와 더불어 과학의 한 시대가 끝나고 또 한 시대가 시작되었다.

- 알버트 아인슈타인 - 

광속 불변의 법칙

맥스웰의 업적을 적어보자면 파동 혹은 장(field)의 운동 및 형상을 수식으로 표현했는데 그 표현법이 너무도 세련되고 실제 물리현상을 굉장히 잘 반영함. 전기장, 자기장이 별개가 아닌 전자기장 하나임을 수식으로 증명, 방정식으로 빛의 속도를 정확히 얻어냈고 이로서 빛도 전자기파의 한 형태임을 발견, 열역학의 실질적 창시자, 사진게이들 좋아하는 컬러 사진도 처음 만듦. 게다가 그의 방정식은 광속불변의 법칙을 담고 있었어. 다만 당시 맥스웰과 아인슈타인을 제외하고 맥스웰 방정식을 의미깊게 생각하는 사람은 그리 많지 않았지. 맥스웰 조차도 자신의 방정식에서 빛의 속도가 불변한다는 사실을 알고는 오류를 찾으려던 사람이었으니까. 맥스웰은 그 오류를 해답을 확인하지 못한 채 47세에 암으로 세상을 떠나. 아인슈타인 역시 맥스웰의 방정식을 이해하고서 딜레마에 빠지게 돼. 왜 광속은 상대속도가 아닌 절대 상수의 형태로 표현 되는가..

마이컬슨 몰리의 실험으로 돌아와보자. 사실 맥스웰도 빛(빛도 전자기파의 한 형태)의 파동설을 강력히 주장했던 사람이기에 에테르의 존재를 믿고 있었어. 마이컬슨과 몰리 역시 에테르는 있다고 확신한 상태에서 실험에 임해.

마이컬슨 몰리의 가정 요약

1 지구는 약 30km/s로 태양을 공전한다.

2. 이로 인해 우주를 채우고 있는 에테르의 바람이 불 것이다.

3. 광원에서 발사된 광선(적색)은 반거울에서 둘(녹색,황색)로 나뉘었다가 다시 합쳐져(보라색) 관측기에 도달한다. 그리고 에테르 바람에 의해 속도의 차이를 보일 것이다.

붉은색과 보라색은 같은 에테르 바람을 맞으니 무시하고 황색, 녹색 광선은 서로 다른 각도에서 에테르 바람을 맞으므로 본인들이 계산(공전에 의한 빛의 상대속도까지 계산함)한 차이가 생긴 후 관측기에 들어와야 하는데 결과는 에테르의 존재가 철저히 배제된 값을 얻게 돼. 더 말도 안 되는 결과는 지구 공전 방향과 같은 방향에서 온 빛과, 공전 반대방향에서 온 빛, 수직방향에서 온 빛 모두가 관측자에게 똑같이 광속 C로 관측 됐다는 거야.  

우리의 상식선에선 양 쪽 빛외 속력는 각각 C + Vo, C - Vo가 되어야 하는데 말이야. 이 때 학자들의 반응은 극명히 나뉘게 된다.

a. 마이컬슨, 몰리, 로렌츠 등 대부분 : 빛의 속도라는 것도 결국 매질에 대한 상대속도이기 때문에 에테르가 없다는 건 말이 안 돼. 에테르가 없다면 광속은 무엇에 대한 속도라는거야. 더더욱 말이 안되는건 관측된 빛의 속도..유한의 속도를 가진 물리현상이 상대속도에 영향을 받지 않다니..이건 오차가 있거나 실패한 실험임. 실험 장비를 더 정교하게 만들어 측정해야겠어.

b. 아인슈타인 : 맥스웰이 옳았어. 그의 방정식엔 애초에 오류 있던 게 아냐. 그의 방정식이 예언했듯 광속은 공식으로 구할 수 있는 상수일 뿐이야. 즉, 관측자의 운동 여부에 상관없이 혹은 광원의 운동 여부에 상관없이 광속은 모두에게 일정하게 측정되는 상수. 그렇다면 다른 무언가로 광속의 불변을 설명해야 하는데..

그 후 마이컬슨은 수십년에 걸쳐 에테르를 찾기위한 실험을 계속 했고 아인슈타인은 상대성 이론을 만들어 내지. 여담으로 마이컬슨은 광속불변을 실험으로 확인한 공으로 노벨상을 받고 아인슈타인은 파동설이 대세이던 당시 빛의 입자성을 입증하는 광전효과로 노벨상을 받아. 아인슈타인의 광전효과 발표가 있고 나서야 빛의 양자성이 받아들여지면서 파동이니 입자니 하는 이분법적 논란은 사그러들어.  

게이들도 광속이 불변한다는 건 이해하기 힘든 부분일 거야. 우리가 중고등학교 시절부터 배워 온, 그리고 항상 보고 느껴왔던 상대속도의 개념을 완전히 무시하다니. 빛도 분명 유한한 속도를 가진, 게다가 눈에 보이는 물리 현상인데 말야. 필자도 광속불변의 법칙을 전제로 한 특수상대성 이론은 이해가 되긴 했지만 애초에 광속불변의 법칙 자체가 납득이 가질 않았어. 이렇게 이해하는게 도움이 될 것 같아 적어 본다.

1. 광속(C)은 '자연계에 존재할 수 있는 최고의 속도'이며 '동시'라는 건 존재하지 않는다.

(완전히 부정하는게 아니라 우리가 '동시'라고 불러왔던 물리현상 중 상당수가 동시가 아니라는 것을 의미)

2. 우주에 절대 정지 좌표계는 존재하지 않으며 무수한 별들이 재각각의 속도로 운동한다.

3. 광속 불변의 법칙은 안정된 우주를 유지하는 전제 조건이다.

자, 1번에서 말하는 '자연계 최고 속도'는 빛의 속도 자체만을 말하는 게 아냐. 게이들이 지금 1m 앞에 있는 모니터를 통해 보는 일베도 1/3억 초 전 모니터이고 전자석(전기를 통하면 자성을 띄는 물체)에 전기를 통했을 때 3m 옆에 있는 나침반에 힘 닿는데는 1/1억 초가 걸리지. 만약 내가 달 표면으로 순간이동을 한다면 광속이 달의 질량중심에서 나까지 오는데 걸리는 시간 후에 달의 인력이 내게 작용해. 우리가 중고등학교 때 배웠던 작용반작용의 법칙도 힘의 작용 '동시'에 반작용이 생기는 것 같지만 사실 광속이 가는데 걸린 시간 직후 작용하는거야.

2번. 우주에는 수많은 별들이 재각각 공전, 자전 및 우주팽창이동을 하는데 만약 빛이 상대속도의 지배를 받는다면 '내'가 보기에 다른 별에 사는 게이들은 다른 광속 속에서 살아야 하고, 광년이라는 거리의 단위도 달라야 하고 작용반작용 소요 시간도 달라야 하는 등 오히려 우주가 엉망이 되어 버리는 거지. 고로 광속 불변은 안정된 우주를 위해 대자연 혹은 신이 선택한 묘수야.

다시말해 광속은 자연계에 존재하는 최고 속도이고 빛은 그 중에 눈에 보이는 한 부분이다. 감이 좀 잡히노?

또 하나 중요한 점. 많은 게이들이 빛의 질량은 0이라고 말하는데 이건 정답인 동시에 오답이야. 여기선 짧게 설명하고 상대성 이론을 다룰 때 다시 설명할게.

빛이 질량이 0인 이유 : a.질량이 0이기에 광속으로 이동할 수 있다.(질량체는 결코 광속에 이를 수 없음.)  

                                b.빛의 "관성질량"은 0임(빛은 광속으로 등속운동하나 가속단계가 없음, 가속단계                                     가 없다는 것 자체가 질량이 0이라 볼 수 있음)

빛의 질량이 0이 아닌 이유 : a.빛은 운동량(운동량=질량*속도)을 가짐. 질량이 0이면 운동량도 0

                                       b.빛은 에너지(E=mc^2)를 가짐. 질량이 0이면 에너지를 가질 수 없음.

                                       c. 빛은 중력의 영향을 받으므로 "중력질량"이 있다고 볼 수 있음.

관성질량 : 뉴턴의 가속도 법칙 F = ma 을 이용해 구한 질량

중력질량 : 뉴턴의 만유인력의 법칙 F=G(Mm/r^2) 을 이용해 구한 질량.

고전역학에서 질량을 측정하는 방법은 위 두가지야. 뉴턴이 두 공식을 연관성을 가지고 연구, 유도 한건 아니지만 임의의 질량체를 위 두 공식에 대입해 질량을 구하면 똑같은 값을 얻을 수 있어. 물론 광속 영역이 아닌 속도계 내에서.

그리고 또 하나, 광속 불변의 법칙에 대해서 열심히 설명했지만 사실 빛도 매질이 달라지면 속도가 느려져. 우리가 말하는 흔히 말하는 광속C는 진공에서의 빛의 속도야. 공기중을 지날때, 물속을 지날때, 유리속을 지날때 속도가 모두 다르고 다이아몬드 속에서 가장 느려. 같은 케럿의 다이아몬드라도 빛을 다이아몬드 내에 오래 머물도록 세공한 녀석이 비싸게 팔리지.

정리 해보자면 빛은 파동이면서 입자이고, 비물질적 물질이며, 질량이 없으면서도 있고, 매질을 필요로 하지 않으면서도 매질을 통과하며, 광속불변의 절대성을 보이면서도 다른 매질에서는 느려지는 참으로 아리까리한 놈이야. 신박하지 않노?

쉽게 적으려 노력은 했는데 도움이 됐을런지 모르겠다. 

한줄요약 : 빛은 간철수