특수 상대성 이론

역사상 가장 위대한 물리학이론에 일반인들은 상대성이론, 물리학자들은 양자역학을 꼽았어 

상대성이론은 아인슈타인 거진 혼자 만들었지만, 양자역학은 여러 물리학자들이 긴 시간에 걸쳐 만들었다고 할 수 있어

물론 아인슈타인의 브라운 운동과 광전효과도 양자역학에 영향을 줬지 

우주로 갈려면 상대성이론을 꼭 알아야 해. 하지만 전 학문에 걸쳐 실질적인 생활에 영향을 준 이론은 양자역학이야 

물질이 에너지로 바뀐다는 특수상대성이론의 E = mc² 으로 원자폭탄의 원리를 설명할 수 있지만,

실제 개발한 사람들은 양자역학을 좀 다를 줄 아는 사람들이였지 

상대성이론과 양자역학은 현대물리학의 거대한 두 기둥이야

두 기둥을 빼놓고 현대물리를 논할 수 없지

미시세계, 즉 원자를 연구하는 학문이 양자역학, 거시세계에 적용되는 법칙은 상대성이론이지

우리가 보고 만지는 모든 물질은 원자로 되어 있어. 원자가 아주 많이 모이면 그게 거시세계야

미시세계와 거시세계는 서로 연속적으로 연결될 수 있음에도 이론에서는 단절이 생기지

아인슈타인은 양자역학을 거부한 채, 맥스웰이 전기와 자기를 전자기로 통합시켰듯이 

중력과 전자기력을 통합시키는데에 남은 여생을 보내지

상대성이론을 이해하기 어려운 것은 우리의 직관과 너무나 다르기 때문이지 

시간이 느려진다거나, 길이가 짧아지고, 물질이 에너지로 변환된다는 둥 말도 안되는 소리를 하고 있지 

당대 유명한 고대 과학자 아리스토텔레스의 철학적 자연과학은 우리의 직관과 너무나 잘 맞아.

무거운 물체가 가벼운 물체보다 더 빨리 떨어진다거나, 태양이 지구를 돈다는 것(천동설)을 

수천년동안 믿었던 것처럼 인간의 직관은 그렇게 믿을만 한게 못 돼 

생각의 전환으로 지동설을 믿기 시작한 옛사람들처럼 우리도 상대성이론을 한번 알아보자

서로 멀리 떨어져있는 두사람이 만나려면 평면에서의 좌표(2차원)가 필요해

또한 몇층에 있는지(3차원)도 알아야 되지

위치만 알고 있으면 안되지. 정확한 시간에 오지 않으면 만날 수 없어

우리는 3차원 공간에 시간까지 더한 4차원세계에 살고 있어 

아인슈타인은 고전의 3차원의 좌표계에서 벗어나

4차원 시공간(민코브스키 공간)의 좌표계에서의 변환관계(로렌츠 변환)를 생각했어

이러한 변환관계는 광속(빛의속도)불변의 원리라는 참신한 생각으로 도출되었고

맥스웰방정식에서 힌트를 얻었지

특수상대성이론은 등속도(속도일정)세계의 물리법칙이야 

 

광속이 일정하면 어떤 일이 벌어질까?

 

움직이는 물체는 

 

1. 길이는 짧아지고

2. 시간은 느리게 가며

3. 질량은 증가한다

광속으로(초속30만km) 지구에서 달까지 1.3초가 걸려

광속(빛의속도)으로 날아가는 사람1이 지구를 바라보면 어떻게 보일까?

사람1이 광속으로 날아가고 있으니 사람1의 입장에서 지구의 상대속도는 광속이야 

지구가 광속으로 사람1에게 다가가는 거지 

움직이는 물체는 길이가 짧아지며, 광속에 가까워 질수록 길이는 급격히 줄어들고

광속일땐 길이가 0이야 

안타깝게도 사람1은 지구를 볼 수 없어

우주로부터 입사하는 양성자가 지구대기와 충돌하여 여러가지 입자들을 만들어 

그 중에 뮤온은 수명이 2.2×10(-6)초이고 광속의 0.98배로 움직이지

뉴턴 역학으로 계산한 뮤온의 이동거리는 660미터 정도인데, 특수상대성이론에 의하면 10479미터야

뮤온이 지표면에 관측되는 이유는 특수상대성이론의 시간지연효과로 설명할 수 있지

사람1이 광속으로 가는 우주선을 타고 지구에서 4광년 떨어진 

태양에서 가장 가까운 별 프록시마로 우주여행을 갔다 온다고 생각해보자 

감속, 가속을 하면 일반상대성이론도 고려해야되니 등속운동(속도일정)을 했다고 가정하자

 

지구에 있는 다른이는 사람1이 오기만을 기다리고 있지

움직이는 물체는 시간지연 현상이 발생하며,

광속에 가까워 질수록 급격히 느려지고 광속에서는 시간이 멈춰버리지

(분모의 v 에 광속 c 를 넣어봐) 

사람1은 광속으로 날아가고 있으니 시간은 멈춰버리지 

사람1의 입장에서는 0초만에 프록시마를 찍고 지구에 도착하게 돼 

하지만 지구에 있는 다른이는 8년을 기다려야 사람1이 도착하지

광속으로 가는 우주선만 만들면 사람1처럼 미래로 가서 많은 것들을 누리면서 살 수 있을거야 

광속으로 가는 우주선을 만들 수 있을까?

F = ma, 뉴턴의 힘과 가속도 식이야 

우리는 물체에 힘를 증가시키면 가속도가 증가 한다고 배웠어 가속도를 2배로 내기 위해선 힘을 2배로 주어야 되지

하지만 광속에 가까워 질수록 아무리 많은 힘을 가해도 속도는 거의 증가하지 않아 

에너지보존의 법칙에 의해 에너지는 형태가 변할뿐 절대 사라지지 않아 

아무리 힘(F)을 가해도 가속도(a)가 증가하지 않는다면 질량(m)이 증가해야겠지?

광속의 0.9배가 되면 질량이 2.3배 늘어나고, 광속일땐 질량이 무한대가 되어버리지

반대로 말하면 힘을 무한대로 줘야 광속에 도달한다는 뜻이고, 무한대의 힘은 존재하지 않기 때문에 

광속으로 가는 우주선은 못 만든다는 말이 될 수가 있어.

움직이는 물체는 질량이 증가한다 질량의 상대성이야

E = mc^2, 유명한 식이지? 질량의 상대성을 유도해서 나온 식이야 특수상대성이론 발표 석달 후, 다른 논문에 있는 식이지

물질(m)과 에너지(E)가 서로 바뀔 수 있다는 거지. c는 광속이야 광속의 제곱이니 90,000,000,000,000,000 

조 단위가 넘어가서 9경이야

물질이 에너지로 변환되면 9경이 곱해져서 어마무시한 에너지가 나온다는 거야

태양은 지금 이 시간에도 사방에 엄청난 에너지를 내뿜고 있어 

태양이 발산하는 에너지중 극히 일부(1/22억)가 지구에 도달하는데도

태양이 한 시간동안 지표면에 보내주는 에너지의 양이 인류가 1년동안 소비하는 에너지량과 맞먹을 정도라고 해

옛날부터 이 엄청난 에너지의 근원에 대해 궁금해 했었고 천문학자들의 최대의 수수께끼였어

1896년 헨리 베크렐이 방사능을 발견했고 방사성 동위원소를 이용한 연대측정도 가능하게 되었어 

원소가 붕괴하면서 다른 원소로 바뀌는 양(반감기)을 비교하여 물질이 생성된 연대를 구할 수 있지

지구의 나이를 측정한 결과 수십억년이 되는걸로 나타났는데(현재 지구의 나이는 45억년) 

지구의 나이가 태양의 나이보다 300배나 많아지면서 다시 태양의 나이가 문제가 되었어

만약 태양이 석탄으로 되어 있으면 5천년이면 다 타버리지 그렇게 태양의 에너지원 논쟁은 끈이질 않았어 

이 논쟁을 근본적으로 바꾼 사람이 아인슈타인이라고 할 수 있어

태양은 질량의 70%이상이 수소야

수소원자핵4개가 융합해 1개의 헬륨원자핵을 만드는데 이때의 0.7%의 질량결손이 모두 에너지로 바뀌지 

수소핵융합반응이 태양에너지의 원리야

태양은 초당 5억9천7백만톤의 수소를 5억9천3백만톤의 헬륨으로 바꾸면서

400만톤의 질량결손이 모두 에너지로 바꾸어 빛을 낸다고 해

초당 400만톤의 질량이 줄어든지도 벌써 50억년 가까이 되었지만, 이제 겨우 0.3%의 질량이 줄어든 것 뿐이라고 해

태양의 남은 수명은 약 50억년이라고 하네

에너지도 물질로 변할까?

우리는 나무가 타기 전의 질량과, 타고 난 후의 질량(연기포함)은 똑같다고 생각했어

물체의 형태가 바뀌더라도 질량은 증가하거나 감소하지 않는다, 라부아지에의 질량보존의 법칙이다 이기야

질량보존의 법칙은 질량이 감소하는 양이 너무 작아 사람이 측정할 수 없었기 때문에 생겼던 법칙이야

나무가 탈 때 빛이 방출되므로 질량(연기포함)이 감소하지. 빛이 방출되면 질량이 감소한다는 것을 알아냈어

우리는 물체가 탈 때만 빛이 나온다고 생각하지만 사람뿐만아니라 물체도 빛을 방출하거나 흡수해 

적외선카메라로 보면 우리 몸은 붉게 보이지 우리 몸은 항상 열을 내뿜고 있어 

바로 적외선이야 빛이 방출되는 만큼 몸무게가 감소하지

햇빛을 받아 몸이 따뜻해졌다면 그 양은 극히 작겠지만 몸무게가 증가하지. 태양 질량의 일부가 우리 몸으로 옮겨간 거야

이렇게 물질과 에너지는 서로 바뀔 수 있는 거라는 얘기지

질량보존의 법칙과 에너지보존의 법칙은 E = mc² 에 의해 하나로 통합되었어 

시간의 동시성등 몇가지 빠진 게 있어. 궁금한 게 있으면 검색해보는 게 좋을 거야