| 재물포도 좋아하는 물리 | ||||
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| 물리의 단위 체계 | 물리의 힘과 입자 | 고전역학 | 특수 상대성 이론 | 열역학 |
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잠깐 왜 보스가 벌써 나오지 그나마 내용이 적은 중간보스라 다행
세간에는 상대성이론이 무시무시한 이론이라 이해하는 사람이 극히 드물다는 도시전설까지 나돌아다니지만, 사실 상대성이론은(특히 특수상대성이론은) 발표되자마자 모든 물리학자들이 이해할 수 있었다. 그저 유동적으로 시간이 흐른다는 개념이 기존의 상식으로는 직관적으로 다가오지 않아 논란이 일어났을 뿐이다. 대학교 1학년 학생들이 교양수업에서 사용하는 대학물리학 교과서에 상대성이론이 실려있는 것이 바로 상대성이론이 심각하게 어렵지는 않다는 증거다. 피타고라스의 정리만 이용해도 유도해낼 수 있는 수준이기도 하다.
물론 물리학과 사이가 나쁜(?) 사람들이라면 이러한 상대성이론을 마냥 쉽게 받아들이기는 어려울 것이다. 그런 사람들을 위해 상대성이론을 아주 간단하게 설명해보자면, 우리가 사는 우주는 시공간 4차원으로 구성되어 있고, 그 안에서 항상 광속으로 움직이고 있다는 이야기라고 할 수 있다.
상대성이론은 일반 상대성이론과 특수 상대성이론으로 나뉘는데, 왠지 모르겠지만, 특수 상대성이론이 더 어렵게 느껴진다! 특수 상대성이론은 말그대로 특수한 상황에서의 상대성이론이라고 볼 수 있고, 일반 상대성이론은 그 반대라고 봐도 일반인 입장에서는 무관하다.
공간축을 따라 움직이지 않는(것처럼 보이는) 물체는 시간축을 따라 항상 미래를 향해 광속으로 움직이고 있다. 그런데 공간축을 따라 움직일 경우엔, 시공간 안에서 항상 광속을 유지해야하므로, 공간축을 따라 빠르게 움직일수록 시간축을 따라 미래로 가는 속도가 느려진다. 즉, "빠르게 움직임 = 시간이 느리게 흐름"이다. 일반상대성이론은 거기에 더해 "중력이 강함 = 빠르게 움직임 = 시간이 느리게 흐름"이라고 할 수 있다.
다만 이정도 수준으로 상대성이론과 관련된 각종 역설을 이해하기에는 조금 무리가 있다. 상대성이론과 관련된 역설들은 대표적으로 쌍둥이 역설이 있다. 쌍둥이 역설이란, 한 문장으로 설명하자면, 쌍둥이 두 명 중, 한 명은 지구에 남아 있고, 한 명은 빛의 속도의 0.8배 속도의 우주선을 타고 먼 곳으로 갔다 왔다고 하자. 이 경우에, 지구에 남아 있던 쌍둥이 입장에서는 우주에 다녀온 쌍둥이가 더 젊을 것이고, 우주에 다녀온 쌍둥이 입장에서는 지구에 있었던 쌍둥이가 더 젊어야 하는 모순이 발생한다는 것이다. 왜냐하면, 기준계를 둘중 누구에게 두느냐에 따라서 시간의 상대성이 달라지기 때문이다.
참고로 흔히 "빠르게 움직일수록 시간이 느리게 흐르니 광속보다 빠르면 시간이 거꾸로 흐르는 것이 아닌가?"라는 이야기가 흔히 나오지만, 실제로는 그렇지 않다. 물체의 속도가 얼마나 상대론적인지를 나타내는 로렌츠 인자의 형태는 다음과 같다.
[math]\displaystyle{ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{u^2}{c^2}}} }[/math]
여기에서 [math]\displaystyle{ u }[/math]는 움직이는 물체의 속도고 [math]\displaystyle{ c }[/math]는 광속인데, 물체의 속도가 0이면 로렌츠 인자는 1이 되어 시간흐름은 통상적 흐름과 같다. 그런데 속도가 빨라지면 식의 오른쪽에 있는 분모값이 점점 작아져 시간흐름이 느려지며[1], 광속과 같아지면 0이 되어 시간흐름이 정지하는 상황이 된다. 여기에서 속도가 더 빨라져 광속보다 빨라지면 분모값은 루트를 뒤집어쓴 음수, 즉, 허수가 된다. 광속보다 빠르게 움직인다면 시간이 허수로 흐를지언정 거꾸로 흐르지는 않는다는 소리.[2]
아아 이제 조금은 인터스텔라에서 하는 과학 얘기를 이해할 수 있게 되었겠지?