흥미진진 과학스토리 <63> 아인슈타인과 창의력 (4) 특수상대성이론

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흥미진진 과학스토리 <63> 아인슈타인과 창의력 (4)

                    특수상대성이론

 

“정지한 사람과 움직이는 사람에게 무엇이 똑같아야 할까?”

맥스웰의 방정식은 아주 이상했다. 움직인다고 법칙성이 무너지면 그것을 어떻게 법칙이라고 할 수 있을까? 한편으로는 이 방정식을 따르면 전자기파는 훌륭하게 작동하고 있었다. 이런 상황이라면 우리는 무엇을 의심하거나 바꿔야 할까?

앞서 말했듯이 나에게 맥스웰의 방정식은 너무 기괴하고 이해할 수 없는 그 무엇이다. 그러니 건국대에 재직중인 물리학자 이종필 교수님의 저서 <빛의 속도로 이해하는 상대성이론>을 참고하여 정리해 본다. 수학에 관심이 있다면 직접 읽어보길 권한다.

 

가정 1 : 모든 관성좌표계에서 물리법칙은 똑같다.

가정 2 : 모든 관성좌표계에서 광속은 똑같다.

‘1+1=2‘의 세계는 전통적이며 직관적이고 우리에게 아주 아늑한 세계다. 인간의 눈에 딱 맞는 세계라는 것이다. 그러나 방정식은 뭔가 틀렸다고 말한다. 이때 아인슈타인의 창의적 사고가 빛을 발한다. 움직이고 있는 사람과 정지해 있는 사람에게 모두 모순없이 작동하려면 ’물리법칙과 광속‘이 불변한다고 과감하게 추론한다. 아인슈타인의 이 과감한 비약은 과학의 혁명을 가져온다.

(출처:위의 책 78쪽, 관성좌표계란 힘이 작용하지 않는 한 정지한 물체는 정지하고 운동하는 물체는 계속해서 운동하는 관성의 법칙이 성립하는 좌표계)

 

자연의 법칙이 ‘법칙’이라는 말을 들으려면 어떤 상황에서든 잘 지켜져야만 한다. 움직이는 좌표계에서는 맥스웰 방정식이 달라지고 있으므로 첫 번째 가정을 통해서 정지좌표계에서나 운동좌표계에서나 맥스웰 방정식은 항상 그 모습이 같아야 한다. 그래야 법칙이다. 그러나 1+1=2의 수학으로는 그 모습이 유지되지 못하고 있었다. 그래서 나온 것이 ‘상대성이론’이었다. <가정 2>의 광속불변은 직관적으로는 결코 이해할 수 없다. 인간의 세상에서는 벌어질 수 없는 현상이다. 그러나 맥스웰의 방정식으로부터 유도된 전기장과 자기장의 파동방정식에 의하면 전자기파는 언제나 광속이었다. 광속이 0인 경우는 없다. 빛의 속도로 달리면서 빛을 보아도 빛은 여전히 동일한 광속으로 변하지 않을 때, 법칙이 성립되었다.

인간에겐 사변이고 또다른 좌절이기도 했다. 우주의 중심인줄 알았던 태양은 우리은하의 변방이었고, 지구 역시 그 변방의 흔하디 흔한 행성이었다. 신의 은총을 독차지하던 인류는 대수롭지 않은 생명체 중에서 하나였다. 그나마 인간의 이성으로 세상을 이해하고 있다고 믿었던 신념 체계를 한순간에 무너뜨렸다. 우주는 인간에게는 너무나 불친절하게도 수학이라는 이상한 언어로 코딩되어 있었다. 우주는 그렇게 인간의 언어에서도 멀어져 갔다."광속은 우리 우주의 근본적인 성질을 담지하고 있다. 반면 시간과 공간은 그렇지 않다. 시간과 공간은 인간에게 익숙하고 편리한 개념이다. 그러나 인간에게 익숙하고 편리한 개념이 꼭 우주의 본질을 담고 있을 이유는 없다.“ _이종필, 위의 저서

 

이종필 교수는 시간과 공간은 인간의 언어이기 때문에 자연의 속성을 기술하는데 적절하지 않다고 말한다. 그는 “아인슈타인의 위대함은 인류 역사상 최초로 시간과 공간을 대체해 우주을 올바르게 기술 할 수 있는 새로운 언어를 찾아냈다.“고 평한다.

‘1 + 1 ≠ 2’의 수식에는 인간에게는 부자연스럽지만 우주의 실체를 담고 있으며, 인류의 위대한 스승들의 통찰을 담고 있다. 가볍게 생각할 수 없는 수식이다.

 

과학책을 읽는 보통사람들 회원 허 심

 

#97호

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