우선 이해해야할 갈릴레이의 상대성원리 입니다.
'모든 운동은 상대적이며, 등속 운동을 하는 모든 관찰자에게는 같은 물리 법칙이 적용된다.'
"당신이 어떤 큰 배의 선실에 친구와 함께 있다고 가정해 봅시다. 선실에는 파리와 나비가 날아다니고, 금붕어가 들어 있는 어항도 있고, 병이 하나 매달려 있고 그 밑에 큰 그릇이 있는데, 병에서 물이 한 방울씩 떨어지고 있다고 합시다.
배가 멈춰 있을 때에 주의 깊게 살펴보면, 파리나 나비는 어느 방향이나 비슷한 속도로 날아다니고, 금붕어는 어항 속에서 한가롭게 헤엄칩니다. 병에서 떨어지는 물방울은 정확히 밑에 있는 그릇으로 떨어집니다. 친구한테 물건을 던진다고 할 때,
이쪽 방향으로 던지는 것과 그 반대 방향으로 던지는 것 사이에 차이를 둘 필요는 없습니다.
자, 이제 배가 일정한 속도로 곧바로 움직이고 있다고 해 봅시다. 주의 깊게 살펴본다면, 이 모든 것이 하나도 달라지지 않음을 알게 될 겁니다. 심지어 당신은 지금, 움직이고 있는 배 안에 있는지, 아니면 멈춰 있는 배 안에 있는지도 구별하기 힘들 겁니다."
이것이 상대성이론의 기초가되는 갈릴레이의 상대성원리입니다.
간단히 이야기하자면
사진속에서 기차는 등속운동하고 있습니다.
등속운동이란 항상 일정한 속도를 가지고 이동하는 상태를 말합니다.
저 그림속의 동수를 상상해봅시다.
동수가 기차에서 사과를 들고 공중으로 던진다면 사과는 손을 벗어나 다시 손으로 떨어지겠죠?
하지만 이 광경을 기차밖에 있는 움직이지 않는 정수가 봤을때에는 사과는 포물선을 이루며 올라갔다가 내려올 것입니다.
그리고 사과를 탁자에 내려놓았을때도 정수는 사과가 움직인다고 말하고
동수는 사과가 정지해있다고 말합니다.
이것이 갈릴레이의 상대성원리 입니다.
이 상대성원리를 이야기하는 이유가 무엇이냐면
바로 빛의 불변성을 이야기드리고자 함입니다.
이 상황에서 배는 3m/s로 나아가고있고 배안에 서있는 갈리레이가 배가 진행하는 방향으로 1m/s 로 이동하고 있습니다.
그렇다면 배가아닌 육지에서 정지한 사람이 보았을때의 갈릴레이의 속도는 어떻게될까요?
바로 상대성원리에 의하여 4m/s 가 됩니다.
자신이 차안에 타고있다고 상상해봅시다.
시속 80km의 속도로 이동하고있는 차안에있습니다.
그리고 같은속도로 야구공을 같은 진행방향으로 시속 80km의 속도로 던져본다고 가정해봅시다.
그렇다면 차안에있는 나는 야구공이 어떻게 보일까요?
정지한것처럼 보이게 될겁니다.
(위움짤은 같은방향으로 움직인것이 아니라서 정지한 상태의 관측계에게 정지한모습으로 보입니다.
위에서 말씀드린 80km로 운동할때 옆에 80km의 야구공이 있는 상황은 차안에서 같은방향과 같은속도의 야구공을 상대로한 이야기입니다.)
여기서부터 아인슈타인이 호기심을 갖기 시작합니다.
빛에도 속도가 있다. 빛과 같은 속도로 달린다면 빛은 과연 어떻게 보일것인가
정지한것처럼 보일것인가?
이와 비슷한 실험을 한 예가 있습니다.
마이컬슨과 몰리의 실험입니다.
실험의 목적은 빛이 매질을 통하여 이동한다 라는 실험이었습니다.
당시 빛은 우주공간에 가득차있는 '에테르'라는 물질을 매질로 하여 이동한다고 생각했습니다.
하지만 이 실험의 결과는 전혀 새로운 이론을 만드는 기초가 되었죠.
실험의 내용은 이렇습니다.
'지구는 태양을 공전하고 있으니 공전진행방향과 진행 역방향에서 오는 두 빛의 속도는 서로 다를것이다.'
지구는 태양의 주위를 공전하고 있습니다.
그것도 시속 10만8천km 라는 어마어마한 속도로 말이죠
그렇다면 실험의 내용에서 말했듯이 공전하고 있는 방향 즉 정면과
공전의 역방향 즉 후면에서 오는 두 빛의 속도는 서로 달라야 했습니다.
그속도의 차이를 알고자 했던 실험이었으나 노벨상 역사상 가장 유명한 실패 실험으로 알려집니다.
왜냐하면 두 빛의 속도가 정확히 일치했기 때문이죠.
공전방향의 정면과 후면에서 오는 두 빛의 속도가 모두 초속30만km 였던 겁니다.
이게 어떻게 된일일까요?
결국 결론은 빛은 관측자와 상관없이 항상 일정한 속도로 움직인다는 '광속불변의 법칙'을 낳습니다.
즉, 내가 어떤 속도로 움직이고 있든지 간에 빛은 항상 초속 30만km로 이동한다는 이야기죠
이 법칙을 토대로 아인슈타인의 특수상대성이론이 만들어졌습니다.
빛은 내가 빛의속도로 달리고있어도 나에게서 빛의속도로 달아난다.
그렇다면 갈릴레이의 상대성원리는 파괴되고 갈릴레이가 말한 등속운동을 하는 물체는 같은 물리법칙이 적용된다는 사실이 틀리게된다.
하지만 빛을 제외한 다른 물체들은 갈릴레이의 상대성원리를 따르고있죠.
빛만이 유일하게 상대성원리에서 벗어난 물리법칙을 이루고 있습니다.
거기서 아인슈타인이 생각해낸것이 등속운동을 할시에 시간이 지연된다는 것입니다.
위 영상 6분부터 보시면 됩니다.
이것은 사건의 동시성을 파괴하고자 보여드리는 영상입니다.
저 기차안의 상황에서 기차밖의 사람은 뒤의 장치가 먼저 빛이나고
앞의 장치가 나중에 빛이났다고 말할겁니다.
기차안의 사람은 동시에 빛이 났다고 말할거구요
과연 여기서 누구의 말이 옳을까요?
결론은 둘다의 말이 맞습니다.
빛은 항상 어떤 이동상태이든 관측자에게는 초속 30만km 입니다.
기차안의 사람이 장치를 떠나 이동하는 빛은 기차가 이동하고 있든 안하고있든 상관없이
30만키로미터이므로 동시에 반짝이고
기차밖의 사람역시 기차가 이동한다고해서 갈릴레이의 상대속도와는 상관없이
빛이 초속 30만키로미터로 이동하고
기차가 이동했기 때문에 뒤의 장치가 먼저 반짝이는 겁니다.
그렇다면 등속운동을 하고있는 물체에서의 시간은 어떻게 흘러가는걸까요?
등속운동을 하는 물체는 상대적으로 정지하고있는 물체보다 시간이 느리게 흘러갑니다.
이말을 쉽게 말하자면 기차안에서 이동하고 있는 나는 기차밖의 사람보다 시간이 느리게 흘러간다는 것이죠
어떻게 사건의 동시성이 파괴된후에 바로 시간의 지연을 생각해낼수 있을까요?
다시한번 위의 영상 9분부터 보시면 됩니다.
(단 위영상은 이해를 쉽게하기위해 저런 단위로 설명을 했을 뿐이지, 실제로 저정도의 시간지연 현상이 일어나려면 정말 어마어마한 속도로 움직여야 합니다.)
이것으로 등속운동을 한다면 시간지연이 일어나는 '특수상대성이론'에 대하여 말씀드렸습니다.
하지만 등속운동을 할시에 일어나는 현상은 시간지연만이 아닙니다.
길이의 수축(예를들어 내가 앞으로가야할 거리가 수축되는) 또 질량의 증가 등이 있습니다.
하지만 이 두가지 모두를 설명해드리면 너무 길어지니 오늘은 여기서 줄이겠습니다.
혹시 반응이 좋으면 길이수축,질량증가 더나아가 유명한 상대성이론공식인 E=mc² 그리고 일반상대성이론 까지 글올려보겠습니다.
아그리고 bgm을 같이 넣어보려했는데 방법을 몰라서 못했네요
bgm올리는 방법좀 알려주실분..