우리는 항상 빛의속도로 움직이고있다!(2)

저번 포스팅에 이어서 설명하겠습니다. 중요한 개념은 빛의 속도가 절대적이기 위해서는 시간이 변해야 한다는 개념이었죠. 그런데 왜 빛의 속도가 절대적이고 시간이 변하는 것일까요? 아인슈타인은 '왜 운동 상태에 따라 시간이 지연되는가?' '그 이유는 무엇인가?' 하는 두 가지 질문에 대한 답을 원했습니다. 아인슈타인은 시간이 변한다는 현상을 토대로 시간이 공간과 같은 하나의 차원이라는 생각을 하게 됩니다. 

*아인슈타인의 혁신적생각

 

이 그래프를 보면 가로축을 공간 차원으로, 세로축을 시간 차원으로 생각해봅시다.

여러분이 만약 KTX를 타고 서울에서 부산을 간다면, 여러분은 2시간 뒤에 부산에 있을 겁니다.

그래프로 그리게 되면 이런 모양이 되겠죠. 아인슈타인은 여기서 놀라운 생각을 하게 됩니다. 우주에 있는 모든 물질이 탄생 시에 모두 동일하게 빛의 속도를 지니고 태어났다! 아인슈타인이 한 이야기는 시공간상에서 이야기입니다. 그러니까 아인슈타인은 속도가 변할 수 있는 게 아니라, 모두 다 동일하게 빛의 속도를 지니고 있다고 생각합니다. 지금 우리가 이불 안에 있다고 하더라도, 시간 차원 방향으로 빛의 속도로 이동 중인 겁니다. 우리가 자동차를 타거나, KTX를 탈 때 에너지를 사용해서 속도를 갖게 되는 건 속도가 생기는 게 아니라 시간 방향으로 이동하던 에너지의 각도를 공간 방향으로 변경하는 것에 불과하다는 겁니다. 만약 우리가 빛의 속도의 50%를 내는 우주선에 탑승했다면 1초 동안 움직였어도 우리가 시간 방향으로만 이동했을 때에 비해 86%밖에 이동하지 못합니다. 

 

이게바로 시간지연효과

이게 바로 시간 지연 효과입니다!!

 

 

이것처럼 우주에 있는 모든 물체가 빛의 속도를 지녔다면, 물체를 빛의속도보다 빠르게 가속시킬수 없는 이유도 설명이 됩니다. 실제로 스위스 CERN 입자가속기에서 빛의속도의 99.995%가속에 성공했으나, 아무리 몇배의 에너지를 투입해도 빛의 속도를 넘을수가 없었습니다. 왜냐하면 속도는 고정된 값이고, 우리는 그 속도로 이동하는 방향만 바꿀수 있는거니까요. 우리가 비행기를 타던, 로켓을타던, 그 속도를 내기위해 사용되는 엄청난 에너지는 사실 시간방향으로 이동하던 속도를 공간방향으로 돌리기 위해 사용된 에너지라는 겁니다. 따라서 특수상대성이론의 기본법칙은 모든 물체는 시공간상에서 빛의속도를 지닌다. 즉, 공간상에서 빛보다 빠르게 이동할 수 있는 물체는 없다는 겁니다!

 

 

*혁신적 아이디어를 증명한 아인슈타인

그런데 이런 혁신적인 생각이 과학계에서 받아들여질 리 없었습니다. 광속에 가깝게 이동하는 물질이 시간이 느려지는지 현실에서 입증해야 하는데 입증하기가 어려웠기 때문이죠. 하지만 이를 입증하는 게 가능해집니다. 양성자에 핵융합을 매개하는 입자 중에 파이온 중간자가 있는데, 이 물체가 붕괴할때 뮤온이라는 입자가 발생합니다. 이 파이온중간자가 태양으로부터 지구로 광속에 가깝게 날아온다는 겁니다.

 

 

그리고 이 입자가 지구 대기와 부딪치면서 뮤온이라는 입자를 내놓습니다. 지표면에서 바로 이 뮤온이라는 입자가 발견된 겁니다. 심지어 관측된 뮤온입자의 속도는 광속의 99.5%였습니다.

이게 바로 아인슈타인의 공식과 소름 돋을 정도로 정확히 일치하는 수학적 결과였습니다!! 맞습니다. 결국 우리는 속도를 내는 게 아니었죠. 속도를 내는 것은 착각입니다. 우주의 모든 물질은 빛의 속도이고, 그 빛의 속도로 이동하는 방향을 바꾸며 살고 있었을 뿐입니다. 시간 방향>>공간 방향으로 말이죠...