특수 상대성 원리 설명 #01

어렸을 때, 아인쉬타인 전기문을 읽으면서, 과학자의 꿈을 꿨던 적이 있었다.

아인쉬타인의 업적은 많지만, 그 중 하나가 바로 상대성원리이다. 상대성 원리는 크게 일반상대성 원리와 특수상대성 원리가 있는데, 일반상대성원리는 박사들도 어려워 한다. 우리가 흔히 말하는 상대성원리는 '특수상대성원리'이다.  이것은 고등학생 수준에서도 충분히 재미있게 이해가능한 내용이다. 쇼킹한 내용이기도 하다.

하지만, 진짜 무지무지 간단하다. 간단하긴 하지만, 나중에 그게 진실임을 알고는 다들 뒤로 넘어졌다. 예를 들어, 해가 동쪽에서 뜬다고 알고 있는데, 누군가 '해는 서쪽에서 뜬다'라고 주장했고, 나중에 알고보니 진짜로 해가 서쪽에서 뜬다는 걸 알게 되었을 때의 그 충격이라고나 할까?

아인쉬타인이 주장한 거는 뭐였냐면,
"빛의 속도는 c 로서 일정하다"  (c = 삼십만킬로미터 퍼 세크)
이게 특수상대성 원리의 전부다.

잉?
뭐시라? 이게 전부라고? 그렇다. 이게 핵심 중의 핵심이다. 이게 쇼킹한 내용이라고? 그렇다. 엄청 쇼킹한 내용이다.
이게 쇼킹한 것인지 아닌지 아직 감이 없다면 이렇게 말하면 좀 놀랄래나?
"니가 빛의 속도를 잴 때, 가만히 서서 재든 아니면 졸라 뛰면서 재든 잰 값은 c가 될 것이다 으하하하하하"

놀랍지? 놀랍지 않아? 빛은 니가 물구나서 서서 재든, 아니면 우주선을 타고 가면서 재든 그냥 일정한 속도 c라고!!!!!!!!
아직도 이 사실이 놀랍지 않으면 다음 그림을 보자.

정지상태의 탱크가 포탄을 쐈다. 속도 = 10. 그런데 겁나 빠른 적군이 10km/sec으로 도망을 간다.  영원히 못맞춘다. 그치?
도망가는 적군을 맞출려면, 어떻게 해야 할까? 1초 생각!!!!
그렇다. 탱크를 움직이면 된다.

땅크가 달리면서 포탄을 쏘면 탱크 속도가 포탄에 더해져서 포탄속도는 빨라진다.
자, 여기서 좀 생각해보자.
탱크 운전자 입장에서 볼 땐, 포탄속도는 '여.전.히' 10km/s 이다.
하지만, 도망하는 적군입장에서 볼 땐, 포탄속도가 갑자기 +5km/s가 증가한 느낌이고, 사실이 그렇다.
이렇듯, "보는 입장에 따라 속도는 달.라.진.다" 

너무 당연하지 않은가?
이렇게 당연한 걸 자기가 발견했다고 우긴 사람이 있으니, 그 사람이 바로 갈릴레오이다.

뭐든지, 처음 말하는 사람이 중요하다. 구석기 사람들도 알고 있는 내용을 그냥 처음 얘기했다고 해서 갈릴레오가 발견자가 되었다. ㅋ 세상은 참 요지경이다. 
암튼, 저 할아버지가 발견한 이론을 '상대성 원리'라고 부른다.

우리가 보통 상대성원리 라고 하면 아인쉬타인를 떠올리는데, 사실은 틀린 말이다.
이미 상대성 원리가 있었기 때문에, 아인쉬타인이 자신의 상대성 원리 앞에다가 '특수' 라는 말을 붙인 것이다.
그리고, 몇년 후에 다시 특수 상대성원리를 확장시켜서 '일반' 상대성 원리라는 거대한 이론을 만들었다.
상대성원리 (갈릴레오) -> 특수상대성원리(아인쉬타인)-> 일반상대성원리(아인쉬타인)
족보상으로 이렇다.

다시 본론으로 돌아가보자.
아인쉬타인의 특수 상대성원리가 왜 쇼킹했냐면, 아인쉬타인은 다음과 같이 말했기 때문이다.

포탄을 광자포탄으로 바꾸면 탱크가 정지해서 쏘든, 달리면서 쏘든 광자포탄 속도엔 변함이 없다는 거다. 광자포탄?

 

실제로 광자포탄이 사용되고 있다. 레이저가 바로 광자포탄이나 마찬가지다.

이제 쇼킹한가?
어떻게 저런 일이 가능하지?
아인쉬타인 이전 사람들은 이렇게 생각했다. 달리면서 빛을 쏘면, 빛의 속도는 달리는 속도+빛의 속도가 될 것이다. 하지만 아인쉬타인은 그렇지 않다고 했다.

"니가 무슨 짓을 해도 빛의 속도는 그냥 c 입니다요" - 아인쉬타인

그렇다는 얘기는, 이 우주에는 빛보다 빠른 속도는 존재하지 않는다는 뜻도 된다. 빛보다 빠른 뭔가 있을 듯 한데 그런게 없다는 것이다. 인간이 만들어 낼 수 있는 가장 빠른 속도는 빛의 속도라는 것이다.

한줄 밖에 안되는 이 간단한 사실로부터 원자폭탄 이론의 기반이 된,
E = mc*c 가 나왔다. 
아니, 빛의 속도가 일정하다는 것과 원자폭탄이 무슨관계가 있다고??????? ㅎㅎㅎㅎㅎㅎㅎ

원자폭탄 뿐만 아니라, 시간이 느리게 가고, 짧았던 기차가 길어지는 현상까지......
이런 '이상한 나라의 앨리스' 같은 일이 바로 '빛의 속도는 일정하다'는 아주 단순한 진리에서 나오게 된다.

다음엔, 시간이 정지하는 현상과 길이가 줄어드는 현상 등에 대해서 알아보자.
고등학교 특수 상대성 원리는 그냥 이해만 하고 있어도 문제를 풀 수 있다.
그냥 공짜로 점수 따는 것이다.

운동-에너지 쪽 문제는 계산을 해야 하는데, 나머지 분야는 그냥 이해만 하면 된다. 점수 그냥 가져가세요 하는 건데, 이런 걸 안가져가면 안된다.