상대성 이론2

상대성 이론 2

아인슈타인은 1905년에 '특수상대성이론'과 916년에 '일반상대성이론'을 발표하였으며, 이 이론은 고전 물리학의 토대를 송두리째 바꾸고 현대 물리학의 새로운 토대를 마련했다는 평가를 받고 있습니다. 오늘은 성대성 이론의 과학적 의의와 응용에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

1. 과학적 의의

1-1 뉴턴 역학의 종언

*성대성 이론은 뉴턴의 물리학을 끝내고 새로운 물리학의 표준을 제시하였습니다. '뉴턴 역학' 또는 '고전역학'으로 부르는 학문 분야는 대부분 상대성이론과 비교하는 차원에서 뉴턴의 운동법칙과 시공간의 절대성을 포함하는 학문 분야입니다. 그리고 뉴턴 역학의 핵심인 뉴턴의 운동법칙은 근사적으로 옳은 측정값을 내놓고 있습니다. 상대성이론에서도 관성의 법칙, 작용 반작용의 법칙이 적용됩니다. 하지만 뉴턴 역학의 기본 가정 중 하나인 '절대적인 시공간'은 현실과 맞지 않았기에 상대성 이론이 뉴턴 역학을 반박한 것이 됩니다. 뉴턴 역학은 상대성 이론보다 250년 정도 앞서 나온 이론으로 생각하면 뉴턴이 살던 시절은 저기나 동력은 물론 제대로 된 실험 장비도 없었던 중세였고, 아인슈타인은 발전소에서 생산된 전기와 자동차와 모노레일이 다니던 근현대 시대 사람입니다. 뉴턴 역학은 지금도 대부분의 산업현장에서 사용하는 물리학의 근간이 되고 있습니다.

1-2 양자역학의 등장과 갈등

특수상대성이론의 내용 중 일반적으로 가장 잘 알려진 E=mc제곱에 따라, 물질을 에너지로 해체하려는 경향이 더욱 강해지면서 물질파 가설 등 양자론적 관점의 새로운 이론들이 등장하며 양자역학은 더욱 힘을 얻게 되었습니다. 결국 슈뢰딩거 방정식과 불확정성 원리의 등장으로 양자역학은 우주의 미시적 근본 원리를 해명한 새로운 표준으로 자리 잡게 됩니다. 특히 폴 디랙과 디랙 방정식으로 파동 함수가 상대론적 상황에 확대되는 상대론적 양자역학이 정립되면서 특수상대성이론은 완전히 양자역학의 일부로 들어오게 되었습니다. 그러나 이건 물리학의 새로운 난제를 만들었는데, 우선 상대성이론과 양자역학은 철학적인 관점이 완전히 달랐습니다. 상대성이론은 대표적인 결정론 적이론이었으며, 초기 조건을 주고 계산만 잘하면 결과가 어떻게 나올지는 뻔히 알 수 있습니다. 그래서 당연하게도 양자역학의 확률적 결정론과 마찰을 빚었으며 아인슈타인은 죽을 때까지 양자역학의 비결정론적 해석인 코펜하겐 해석을 받아들이길 거부했다고 합니다.

1-3 시간여행과 텔레포트

상대성 이론 덕분에 무리에서 텔레포트와 초광속 비행이 불가능한 이유가 증명되었습니다. 엄청 빠르게 움직인다거나, 숨겨진 지름길로 이동해서 서로 맞교환한다거나, 정보로 치환돼서 빛의 속도로 이동하는 건 가능하겠지만, 한순간 서로 동시에 바꾸는 것은 불가능합니다. 이걸 가정하면 어떤 사람에게는 한쪽의 물체가 사라지기만 하고 다른 쪽이 등장하지 않는 보존법칙을 무시하는 상황이 발생합니다. 초광속 비행의 경우, 일단 광속에 도달하는 게 불가능하니까 초광속은 더욱 불가능한 게 당연합니다. 하지만 그건 어디까지나 정상적인 방법으로 추진할 때 이야기이며 워프와 웜홀 등의 이론이 남아 있습니다. SF작가들이 상상한 내용이 아니라 하계에서 제시된 이론이며, 웜홀의 경우 아인슈타인 본인이 구상에 참여했으며 웜홀의 본명은 아인슈타인-로젠 다리입니다.

2. 상대성 이론의 응용

2-1 GPS

특수상대성이론을 적용한 GPS나 광통신 등에서 많이 활용합니다. 특수상대성이론은 우자 산업, 특히 현재는 인공위성에 필수적인 지식이 되었습니다.

2-2  미터(m)

1m는 "빛이 진공상태에서 1/299,792,458초 동안 이동한 거리"로 정의합니다. 간편하게 1/300,000,000초로 정의할 수 있지만 그렇게 되면 기존에 쓰이던 미터와 차이가 커지기 때문에 혼란을 야기할 수 있기 때문입니다. 기종의 미터를 정의한 지구의 자오선 길이는 오차가 생길 수 있고 영원히 똑같은 길이로 결정되리란 보장도 없습니다. 하지만 광속 불변의 원리에 따르면 빛의 속력은 어떤 계에서 측정하든지 똑같습니다. 이러한 점에서 단위 정의에서 현재의 미터 정의가 나오게 되는 것입니다.