팟캐스트 '과학이 빛나는 밤에' 시공간 결정론의 결정체 2, 3편 후기

* 과빛밤 시공간 결정론의 결정체 2편 _ 문제이자 해답인 빛
* 과빛밤 시공간 결정론의 결정체 3편 _ 상대성의 탄생, 광속불변 이유

무엇이든 운동하는 물체와 같은 속도로 달리면 그 물체는 멈춰있는 것처럼 보일 것 같지만 ‘빛’은 예외다. 실제 빛의 속도는 진공 상태에서 언제 어디서나 어떤 방향에서 측정하든 항상 같은 값을 가진다. 따라서 빛은 언제나 같은 속도로 멀어진다. 기존의 물리학으로는 이 부분을 도저히 설명할 수 없다.

아인슈타인은 빛의 속도는 불변해야만 한다는 신념이 있었는데, 그 이유는 맥스웰과 관련이 깊다. 맥스웰은 전기력과 자기력이 하나의 힘이라는 사실을 발견하고 방정식을 만들었다. 이 과정에서 전자기파(파동)가 나아가는 속도가 빛의 속도와 일치하는 것이 밝혀졌고, 빛이 곧 전자기 파동임이 드러나게 됐다. 근데 빛은 매우 빠르기 때문에 파동으로 존재하기 위해서는 매우 딱딱한 상태의 매질이 필요하다. 하지만 우주는 텅 빈 진공이다. 이 부분 역시 기존의 물리학으로 설명이 안되는 부분이다.

빛과 같은 속도로 달리면서 빛을 본다면, 빛은 더 이상 출렁이는 파동이 아니고 멈춰있는 무언가라고 생각한다면 맥스웰의 방정식 상에서 오류가 발생한다. 여기서 아인슈타인은 맥스웰의 방정식이 분명 맞으며, 이 공식은 우주 어디서나 같게 적용되어야 한다고 생각했다. 그리고 이 생각을 확장시켜 '광속은 불변한다'는 결론에 이르게 됐다.

아인슈타인은 빛에는 속도가 더해지지 않는다는 것과, 빛의 속도는 불변한다는 것을 종합적으로 사고하다가 속도의 개념 자체가 잘못된 것이 아닌가 하는 의문을 품게 되었다. 그 과정 중 속도 개념이 수정되었고, 상대성 이론이 등장하게 된다.

‘속도 = 거리/시간’ 이 공식을 ‘광속은 불변하다’에 맞게 활용하면 필연적으로 시간과 공간은 상대적이라는 결론이 나오게 된다.

일정한 속도로 달리는 기차 안에서 공을 위로 던져서 받을 때, 기차 안에서 공을 받는 사람이 보는 공의 움직임과 정류장에 있는 사람이 보는 공의 움직임은 다르다. 전자 입장에선 운동상태가 똑같게 보인다. 공은 그대로 수직으로 올라갔다가 그대로 떨어진다. 하지만 후자 입장에선 기차는 움직이고 있기 때문에 공을 던진 위치와 받는 위치가 달라보이게 된다. 포물선을 그리면서 말이다. 공은 똑같이 움직였지만 운동상태가 다르게 측정된 것이다.

밖의 정류장에서 관측한 사람이 측정한 운동상태에서는 공이 더 많은 거리를 움직이고, 더 오랜 시간 동안 움직인 것으로 측정된다. 예를 들어 멈춰있을 때는 1초 동안 일어나는 일이지만, 움직이고 있을 때는 1.2초 동안 움직이고 있는 것처럼 보인다는 말이다. 즉 시간이 더 느리게 흐르는 것처럼 측정되는 것이다. 이는 '그렇게 보이는 것'에서 끝나는 것이 아니라 실제로, 물리적으로도 맞다. 어느 쪽 측정이 옳고 그르다고 할 수 있는 것이 아니다. 측정값이 관측자에 따라 달라진다는 말이다. 이는 곧 상대성을 뜻하며, 절대적인 기준이 없음을 보여준다.

고전 물리학에서는 우주의 시간이 언제, 어디서나 절대적을 똑같게 흘러야 한다고 생각했다. 하지만 실제로 움직이는 물체의 시간은 천천히 흐른다. 이는 실제로 측정을 통해 확인 가능하다.

아인슈타인이 설명하는 '상대성 이론', '광속 불변'. 이 내용들은 시간과 공간의 큰 비밀을 풀 수 있는 열쇠들이 되었다. 그 비밀은 바로, '시공간 결정론의 결정체 1편'에서 언급된 '과거, 현재, 미래가 모두 얼어붙어 있는 시공간 결정체'라는 것이다.

by Audrey