특수 상대성 이론 Special Relativity (Feat. 아인슈타인)

상대성이론을 발표한 아인슈타인

 

두가지 상대성이론

 

아인슈타인은 두 개의 상대성 이론을 발표했습니다.

 

(1) 특수상대성이론과 (2) 일반상대성이론

둘 다 시간과 공간을 다루고 있습니다. 움직임과 속도에 대한 특수 상대성, 시공간과 중력에 대한 일반 상대성. 

 

오늘은 특수 상대성 이론에 대한 이야기해보려합니다.

여기서 이어지는 두 가지 기본 개념에 대해 간략히 설명하겠습니다.

 

 

 

 

이 포스팅은 쿠팡 파트너스 활동의 일환으로, 이에 따른 일정액의 수수료를 제공받습니다.

 

 

 

특수 상대성 이론의 두 가지 공리

아인슈타인은 두 가지 공리로 시작했습니다.

첫 번째 공리 : Absolute Motion(절대 운동)은 증명될 수 없다.

 

절대 운동은 어떤 것이 어떤 기준의 프레임도 없이 움직이고 있다고 말할 수 있다는 생각입니다.

예를 들어, 여러분 자신이 아무도 없는 끝없는 하얀 공간에 아무도 없이 떠 있다면, 구석이나 독특한 요소들은, 여러분이 움직이려고 할 때 여러분이 움직이는지 아닌지에 대해 확신을 가지고 말할 수 없을 것입니다. 여러분이 움직일 수 있다는 것을 아는 유일한 방법은 여러분이 더 가까이, 더 멀리, 평행하게 움직이고 있을 때  끝없는 공간에 두 번째 것이 존재하는 경우입니다.

만약 바닥이 존재하고 발이 바닥에 닿는다면, 그것은 레퍼런스 프레임이 될 것이고 여러분은 바닥을 가로질러 움직이고 있다고 말할 수 있지만, 절대적인 움직임은 아닐 것입니다. 왜냐하면 두 개의 레퍼런스 프레임이 존재할 것이기 때문입니다. 여러분과 바닥, 그리고 하나는 다른 것에 상대적으로 움직이고 있기 때문입니다.

 

모든 것은 상대적입니다.

어떤 것은 다른 것과 상대적으로 움직인다고 밖에 말할 수 없습니다. 만약 제가 책상에 앉아 있고 차가 바깥에서 지나가고 있습니다. 차는 나에 대해 움직이는 것인가, 아니면 나는 차에 대해 움직이는 것인가요? 제가 정지된 상태로 책상, 의자, 그리고 램프와 함께 방 안에 있고, 차는 우리 모두로부터 같은 속도로 멀어지고 있다면, 차가 나에 대해 움직이는 것으로 볼 수 있고, 그 반대는 아닐 것입니다.

자동차가 멈춘다면, 우리는 모두 움직이지 않는 것이 맞을까요? 서로에 대해 정지 상태인 것이 맞습니다. 그러나 우리는 모두 지구 위에 앉아 있고, 지구는 1초당 약 11마일의 속도로 우주를 통해 움직이고 있습니다. 지구는 태양에 대해 상대적으로 움직이고 있다고 할 수 있으므로, 우리와 차 모두 서로에 대해 움직이지 않는 상태이지만, 우리는 태양을 중심으로 지구가 움직이고 있기 때문에 우리는 같은 속도로 우주를 통해 움직이고 있다고 할 수 있습니다.

아인슈타인의 첫 번째 원칙은 모든 운동은 상대적이라는 것을 보여줍니다.

 

두 번째 공리: 빛의 속도는 일정합니다

진공에서 빛의 속도는 일정하며, 관측자나 광원의 운동 속도와 관계없이 우주의 모든 관측자에 대해 동일합니다.

빛의 속도가 일정하다는 것은 처음에는 특별한 것 같지 않게 들릴 수 있습니다. 그저 빛이 항상 동일한 속도로 이동한다는 것을 말하는 것뿐입니다. 그러나 이것이 무슨 의미인지를 고려하기 시작하면, 놀라운 결과가 나타납니다.

빛의 속도는 초당 299,792,458m입니다. 편의상 초당 300,000km로 표현하겠습니다.

이는 상상도 할 수 없을 정도로 빠릅니다. 간단히 말해서, 빛의 속도로 이동할 수 있다면, 단 1초 만에 지구를 7번 넘게 돌 수 있습니다. 1.3초 만에 달에 도착하고, 3분 만에 화성에 도착하며, 8.20분 만에 태양에 도달할 수 있습니다.

빛의 속도(진공에서)는 가속되거나 감속되지 않습니다. 

항상 'C'라고 불리는 일정한 속도로 이동합니다. 

이 때, 빛의 속도는 모든 관측자에 대해 일정해야 합니다.

빛은 광자(photon)라는 입자로 구성되어 있기 때문에 이 속도로 이동합니다. 광자는 보손이라는 입자이며, 보손은 힉스 필드와 상호작용하지 않습니다. 이는 광자가 질량이 없다는 것을 의미합니다. 사실, 빛의 속도는 질량이 없는 입자가 강제로 이동해야 하는 속도입니다. 질량을 가지는 입자는 페르미온이라고 하며, 페르미온은 힉스 필드와 상호작용하는 정도에 따라 빛의 속도보다 느리게 이동합니다.

다시 본론으로 돌아가겠습니다. 빛의 속도가 모든 관측자에 대해 동일하다는 것은 관측자가 어떤 속도로 이동하든 상관없이, 만약 당신이 가만히 서 있다면 빛이 초당 300,000킬로미터로 당신으로부터 멀어진다는 것을 의미합니다.

또한, 당신이 시속 100마일로 이동한다고 해도 빛은 여전히 초당 300,000킬로미터로 당신으로부터 멀어집니다. 또한, 당신이 290,000킬로미터로 이동한다고 해도 빛은 여전히 초당 300,000킬로미터로 당신으로부터 멀어집니다.

하지만 이게 어떻게 가능한 걸까요? 당신이 빛 입자를 추격하고 290,000킬로미터로 이동한다면, 그저 당신 앞에 있는 추가적인 10,000킬로미터가 아닐까요? 아닙니다, 여전히 빛은 초당 300,000킬로미터로 당신으로부터 멀어집니다.

이게 어떻게 가능한 걸까요?

 

 

간단한 사고 실험 for 상대성이론

 

속도는 이동한 거리를 소요된 시간으로 나누어 계산합니다. 이동한 거리를 총 소요된 시간으로 나누면 됩니다. 예를 들어, 만약 120마일을 이동했고 그데에 2시간이 걸렸다면, 시속 60마일로 이동한 것입니다 

우리는 속도 개념과 빛의 속도의 일정성을 보여주기 위해 간단한 사고 실험을 수행할 수 있습니다

 

이제 하나의 빛 입자가 한 개의 거울에서 다른 거울로 이동한다고 상상해 보겠습니다. 이 입자를 '광자'라고 부르겠습니다. 거울은 빛을 반사하기 때문에 광자는 거울 사이에서 왔다 갔다 할 것입니다.

이제 이에 대해 측정을 해보겠습니다. 실제로 사용되는 측정 단위는 중요하지 않으니, 거울 사이의 거리가 1m라고 가정해 보겠습니다. 광자는 한 개의 거울에서 나와 다른 거울에 도달할 때까지 1m를 이동합니다.

 

우리는 또한 시간의 단위를 추가해야 합니다. 상상해보세요, 광자가 1m를 이동하는 데 걸리는 시간을 재는 위에 시계가 있는 것을. 우리는 거울에서 다른 거울로 빛이 이동하는 데에는 시계의 1틱이 걸린다고 가정해 보겠습니다. 따라서 우리의 빔은 1m를 1t의 시간 동안 이동합니다. 간단한 내용입니다.

빛의 속도는 일정합니다. 가속도나 감속도가 없으며, 항상 동일한 속도로 이동합니다.

우리의 빔을 그대로 두면 광자는 2개의 거울 사이에서 영원히 왔다 갔다 할 것입니다.

이제 거울에 몇 가지 위치를 추가해 보겠습니다. 우리는 A, B, C의 3개 위치를 정의합니다.

광자가 아래 거울을 떠날 때, 위의 거울이 A 지점에서 B 지점으로 이동한다고 상상해 보세요. 우리의 빛 빔은 A 지점 아래에서 떠나고, 거울이 B 지점으로 이동할 때까지 위의 거울에 도달합니다.

 

이 부분에서 우리는 빛의 속도가 일정하다는 것을 기억해야 합니다. 빛이 이동하는 데 걸리는 시간은 더 긴 거리를 이동하더라도 추가적인 시간이 소요되지 않습니다. 이동하는 거리가 더 멀어져도 걸리는 시간은 여전히 1틱이어야 합니다.

 속도 = 거리/시간입니다. 이를 거리 = 속도 × 시간 또는 시간 = 거리/속도로 바꿀 수 있습니다. 속도는 변경될 수 없으므로 다른 것을 변경해야 하며, 속도는 일정해야 하기 때문에 시간과 거리를 변경해야 합니다.

아인슈타인은 운동과 마찬가지로 시간이 절대적인 개념이 아니라는 것을 발견했습니다. 시간은 가변적이며, 이론적으로 모든 사람은 자신만의 시간 척도를 가지고 있습니다. 중력은 시간의 움직임에 영향을 주며, 기술적으로 말하면, 당신의 발 아래쪽이 머리 위쪽보다 중력이 약간 더 크기 때문에 발의 시간이 머리보다 약간 더 느리게 움직입니다. 그 차이는 미미하기 때문에 무시할 만합니다

시간의 신축성을 나타내는 이 효과를 time-dilation 이라고 하며, 이것이 우리의 빛 시계에 적용되는 것입니다. 빛의 속도는 일정해야 하며, 더 멀리 이동하더라도 그곳에 도달하는 데 더 오래 걸릴 수 없습니다 (여전히 1틱이 걸려야 함).

 

따라서 시간이 신축되어 보상됩니다.

이 개념은 처음에 이해하기 어렵게 느껴질 수 있습니다. (저도 혼란스러웠습니다)

하지만 지금까지의 모든 실험 결과와 일치합니다.

더 빨리 움직일수록 시간이 더욱 신축(늘어남)하므로, (시간팽창)

아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 시간은 더 느리게 흐릅니다.

놀랍지 않나요?

상대성이론에 대한 이야기는 다음편에 계속됩니다!

기대해주세요!