아인슈타인의 상대성 이론은 과학뿐만 아니라 철학에도 많은 영향을 미쳤습니다. 근대까지만 하더라도 서양에서는 과학과 철학은 하나의 학문이었죠. 철학이 세상의 모든 진리를 탐구하는 학문이기 때문에, 자연의 진리를 탐구하는 과학도 철학의 일부였던 것입니다. 아인슈타인은 "철학은 과학으로부터 결론을 얻어야 한다."고 이야기했습니다. 이처럼, 상대성 이론은 자연과학이나 공학을 전공하는 사람들은 물론 인문사회학을 하는 사람들에게도 절실히 필요한 것이 아닐까 합니다. 과학의 범주를 넘어 누구나 알아두면 도움이 되는 상대성 이론에 대해 [쉽게 풀어 쓴 상대성 이론] 시리즈에서 차근차근 알아가 보도록 하겠습니다. 이전에 포스팅 했었던 물리학도가 들려주는 인터스텔라를 더 재밌게 보기 위한 18가지 이야기과 암호화폐가 100% 망한다고 양자 컴퓨터와 블록체인 보안 이야기에서 상대성 이론에 대해 아주 가볍게 언급했었죠? 이번 시리즈를 통해 보다 자세하게 그러나 더 쉽게 전달해드리도록 노력하겠습니다.
그동안 우리는 아인슈타인의 상대성 이론이 탄생하기까지 상대성 원리가 어떤 과정을 통해 발전되어 왔는지 알아보았습니다. 광속 불변의 법칙은 갈릴레이의 상대성 원리, 갈릴레이 변환, 갈릴레이 속도 덧셈 공식 등을 따르는 기존의 물리 법칙과 모순이 되는 것이 중요한 전환점이었죠. 아인슈타인의 상대성 이론은 광속 불변의 법칙을 전제로 만들어졌습니다. 기존의 물리 법칙이 성립하는 물체의 세계와 광속 불변의 법칙이 성립하는 빛의 세계를 통합하기 위한 시도 끝에 탄생한 것이 아인슈타인의 상대성 이론입니다. 다시 말해, 물체의 속도와 상관없이 늘 성립하는 광속 불변의 법칙을 공리로 하여 물체가 빛의 속도에 가깝게 움직이는 상황에서도 적용할 수 있는 상대성 원리가 바로 아인슈타인의 상대성 이론인 것이지요.
정지한 사람과 움직이는 사람 모두에게 (운동 상태에 상관없이) 빛의 속도가 일정하게 보여야한다는 광속 불변의 법칙에 따르면 ‘시간의 절대성은 성립하지 않고 사람마다 운동에 따라 시간이 다르게 흐른다’는 결론에 도달합니다. 즉, 정지한 두 사람에게 동시에 일어난 사건이 서로 다른 운동을 하는 두 사람에게는 (한 사람은 정지해있고 다른 한 사람은 운동하거나 혹은 두 사람 다 운동하거나) 동시에 일어나지 않는다고는 것이죠.
시간이란 단지 사건이 일어난 순서일 뿐이다.
아인슈타인은 시간이란 단지 사건이 일어난 순서일 뿐이라고 생각했습니다. 정지해 있는 사람과 움직이고 있는 사람에게는 서로 사건의 순서가 달라지고 이 사건의 순서를 맞추려면 서로 시간이 다르게 흘러가야 한다는 것이지요. 아인슈타인이 이렇게 주장하기 전까지 사람들은 시간이란 누구에게나 똑같이 흐른다고 생각했습니다. 시간은 절대적이어서 어떤 사람에게나 똑같이 적용되고 어떤 곳에서나 똑같이 흘러간다고 생각한 것이죠. 사건의 순서 역시 절대적이라고 여긴 것입니다. 그러나 아인슈타인의 상대성 이론에서는 시간도 하나의 다른 물리량으로 취급하여 절대적인 것이 아니라 측정하는 기준 계에 따라 달라지는 상대적인 양으로 다루게 됩니다.
이에 대한 이해를 돕기 위해 아인슈타인의 사고실험을 살펴보겠습니다. 아래 그림에서와 같이 오른쪽으로 움직이고 있는 기차에 동수가 타고 있고, 철로 변에는 정수가 서 있다. 동수와 정수가 같은 위치에 있을 때 철로 양쪽 끝에서 동시에 번개가 쳤습니다. 동수와 정수는 동시에 번개가 쳤다고 생각할까요? 오른쪽으로 움직이는 기차 역시 빛의 속도로 움직이고 양쪽에 친 번개가 두 지점의 중간에 있는 정수에게 도달하기까지 2초가 걸린다고 가정하겠습니다. 번개가 친 1초 후, 오른쪽을 향해 빛의 속도로 움직이고 있는 기차를 탄 동수는 오른쪽 번개가 먼저 쳤다고 이야기하겠죠? 그리고 2초 후 번개를 친 두 지점의 중간에 있는 정수는 양쪽에서 동시에 번개가 쳤다고 이야기할 것입니다. 과연 둘 중 누가 옳은 걸까요? 당연히 둘 다 옳습니다.
"우주에 절대적으로 정지해 있는 것은 아무 것도 없다."는 갈릴레이의 말을 떠올려봅시다. 철로 변에 서 있는 정수도 절대적으로 정지해 있는 것은 아닙니다. 따라서 어떤 사건이 일어난 순서를 이야기할 때 그 사건을 누가 보느냐를 지정하지 않으면, 시간이라는 것이 의미가 없다는 것입니다.
다음은 아인슈타인이 한 말을 옮긴 것입니다.
"상대성이론이 발표되기 전까지 물리학에서는 시간의 절대성이 매우 중요한 의미를 갖는다고 생각했습니다. 그러나 모든 사람에게 시간은 똑같이 간다는 것을 말하는 시간의 절대성은 동시성에 대한 정의와 잘 들어맞지 않습니다. 정지한 사람이 동시에 일어났다고 보는 사건이 움직이는 사람이 보는 경우에는 동시가 아닙니다. 만약 우리가 시간의 절대성을 포기한다면, 광속 불변의 법칙과 갈릴레이의 상대성 원리갈릴레이의 상대성 원리가 충돌하는 일이 없을 것입니다."
아인슈타인은 '시간은 모든 사람에게 절대적이다'라는 개념을 버림으로써 해답을 찾았습니다. 정지한 사람이나 움직이고 있는 사람 모두 시간은 똑같이 흘러간다는 고전적인 생각에서 탈피한 덕분에 '빛의 속도는 항상 일정하다'는 광속 불변의 법칙을 빛의 속도로 움직이는 상황에서조차 적용할 수 있게끔 만든 것이죠.
입니다.
