빛은 현대 과학의 상대성 이론과 양자 역학에 영감을 불어 넣었습니다.
빛의 물리학이라는 다큐멘터리는 총 6부로 구성되어 빛을 추적하고 있습니다.
그 첫번째 이야기는 아인슈타인의 특수 상대성 이론입니다.
아인슈타인은 젊은 시절 스위스의 수도 베른에서 자신의 물리학 전공을 살려 특허 신청서를 심사하는 일을 합니다.
그러나 틈틈이 자신의 생각을 정리하며 기록하여 ‘움직이는 물체의 전기 역학에 관하여’라는 논문을 발표합니다.
우리가 ‘특수 상대성 이론’이라고 알고 있는 것 입니다.
여기에서 ‘상대성’이라는 것은 갈릴레오의 아이디어입니다.
갈릴레오는 ‘두 우주 체계에 관한 대화’라는 책을 통해 지동설을 주장하는 코페르니쿠스와 천동설을 주장하는 프톨레마이오스의 대화 형식으로 쓰여졌습니다.
이 책에서 갈릴레오는 지동설을 반대하는 이들에게 배의 선실을 예로 듭니다.
움직이지 않는 배 안에서 사람이 제자리에서 뛰면 제자리에 떨어지게 됩니다.
배가 움직을 때 배 안에서 사림이 제자리에서 뛰었을 때도 역시 제자리에 떨어지게 됩니다.
(아마도 천동설을 주장하는 사람들의 논리대로라면 뒤쪽으로 떨어져야 될 것입니다.)
이 내용을 조금 더 생각해 봅시다.
우주에서 일정한 속력으로 움직이고 있는 우주인과 우주선 안의 사람이 있습니다.
일정한 속력으로 움직이기 때문에 두 사람은 움직이고 있는 것을 모를 것입니다.
두 사람이 서로 일정한 속력으로 이동하며 가까워 진다면 아마도 서로 상대방이 자신에게 다가온다고 생각할 것입니다. 이처럼 ‘아무런 힘도 받지 않고 같은 속도로 움직일 때 나를 규정하는 것은 상대방이다’라는 것이 갈릴레오의 상대성입니다.
이 내용을 통해 로마 교황청의 심기를 건드려 오랜 시간 동안 금서가 됩니다.
100킬로미터로 달리고 있는 오토바이를 50킬로미터로 달리고 있는 자동차 안에서는 50킬로미터로 달리는 것처럼 보이며 가만히 서 있는 사람에게는 100킬로미터로 달리는 것처럼 보입니다.
이처럼 물체의 속도는 보는 사람에 따라 달라집니다.
그러나 빛은 조금 다릅니다.
50킬로미터로 달리고 있는 자동차에서나 가만히 서 있는 사람에게나 빛의 속도는 초속 30만 킬로미터로 일정합니다.
‘속도는 상대적인데 빛은 불변합니다.’ 이것이 아인슈타인의 생각입니다.
빛의 속도가 불변이라면 변하는 것은 무엇일까요?
아인슈타인은 1905년 친구 베소와의 대화를 통해 상대성 이론에 대한 힌트를 얻어냅니다.
가운데 빛을 내는 광원이 있으며 양쪽으로 같은 거리에 반사판을 놓습니다.
기차가 가만히 있는 경우에는 광원에서 쏜 빛이 동일한 시간에 도달합니다.
이 현상은 기차가 움직이는 경우 기차 안에 있는 사람에게도 동일하게 관찰됩니다.
그러나 기차 밖에 있는 사람에게는 그렇지 않습니다. 기차가 진행하는 방향에 있는 광원이 더 나중에 도착합니다.
기차 안에서는 동시가 기차 밖에서는 동시가 아닙니다.
결국 누군가에게는 동시가 누군가에는 동시가 아닌 것입니다.
빛은 한결같습니다. 변하는 건 시간이라는 것을 알아냅니다.
쌍둥이 자매가 있습니다.
언니는 빠른 속도로 움직이는 우주여행을 하고 있으며 동생은 지구에서 살고 있습니다.
이 둘의 시간은 서로 다릅니다.
빠르게 이동하는 우주선 안에서는 시간이 천천히 흐르기 때문입니다.
따라서, 지구에 사는 동생은 늙었는데 우주선 안의 언니는 젊습니다.
이런 현상은 등속운동을 하고 있는 특수한 경우에만 성립하기 때문에 특수상대성이론이라고 말합니다.
뮤온 입자는 특수상대성이론의 증거입니다.
뮤온 입자는 우주에서 날아온 입자가 지구 대기에 부딪쳐 생성됩니다.
수명은 100만분의 2초로 이 시간동안 660미터를 이동합니다.
그런데 우리가 보면 32킬로미터를 이동합니다.
뮤온에게는 660미터이지만 우리에게는 32킬로미터가 됩니다.
이 현상은 서로의 시간이 각자 다르게 흘러갔다는 증거입니다.
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