중력이 생기는 원인과 아인슈타인의 상대성이론(4)

뉴턴의 운동법칙에는 가속도의 법칙인 F=MA가 있습니다. 힘은 질량 곱하기 속도라는 의미입니다. A라는 누군가와 부딪쳤운동법칙에는 가속도의 법칙인 F=MA가 있습니다. 힘은 질량 곱하기 속도라는 의미입니다. 횡단보도를 건너다가 등치 큰 트럭과 부딪쳤다고 했을 때 그렇게 빠른 속도로 달려오는 게 아니었더라도 우리는 크게다 칠 수 있습니다. 여기서 우리에게 가장 큰 충격량을 준 요인은 질량(무게)입니다. 무게가 무거운 물체와 부딪치면 그 충격량이 가벼운 물체보다 크겠죠. 그렇다고 이 충격량이 그 물체의 무게에만 영향을 받을까요?

 

 

 

이렇게 운동하고 있는 물체가 가진 에너지는 그 물체의 질량(무게)이 높을수록 그리고 속도가 빠를수록 크다는것을 알 수 있습니다. 그래서 무게도 무겁고, 속도도 빠른 비행기가 세계무역센터를 무너뜨릴 수 있었던 거죠. 그런데 사실 우주의 모든 물체는 시공간 상에서 빛의 속도로 이동 중에 있습니다. 우리가 속도를 내는 게 아니고, 시간 방향으로 이동하던 운동에너지를 공간 방향으로 변경한 것뿐이죠. 작은 총알도 빠른 속도로 가면 큰 에너지를 지니는데, 우주의 질량이 있는 모든 물체는 그것보다 수만 배 빠른 속도로 이미 시공간상에서 움직이고 있는 중이죠.

 

 

 

 

아인슈타인은 이런 운동에너지에 대해서 놀라운 생각을 합니다. 모든 물체는 사실은 모두 동일하게 시공간상에서 빛의속도로 이동하고 있다. 그러면 시공간상에서 빛의 속도로 이동 중인 이 에너지를 모두 사용한다면 엄청난 에너지가 되지 않을까?? 이전 포스팅에서 언급했던 내용을 복습해보겠습니다. "우주의 모든 질량이 있는 물체는 시공간 상에서 오로지 빛의 속도만 지닌다. 이 속도는 불변이다"라고 했습니다. 맞습니다. 질량이 있는 이상 공간상에서는 이동속도가 없다고 하더라도, 시공간 상에서는 더도 말고 항상 빛의 속도로 이동 중인 겁니다. 속도는 그 수치가 바뀔 수 있는 값이 아니라 고정된 값이고 방향만 바뀌는 겁니다. 시공간상에서 빛의 속도로 이동 중인 모든 에너지를 사용하기 위해서는 질량이 사라져야 합니다. 질량이라는 것 자체가 빛의 속도로 이동하는 에너지양을 나타내는 겁니다. 

 

 

그리고 질량이 사라지면 에너지 보존법칙에 따라 그 질량이 시간상에서 빛의속도로 이동 중이던 그 에너지가 우리가 직관적으로 느낄 수 있는 공간으로 전부 방출되겠죠. E=MC2 에너지는 질량 곱하기 빛의 속도의 제곱이다.라는 공식이 여기서 나오는 겁니다. 모든 물체는 시공간에서 빛의 속도로 움직이고 있으니까 1kg의 물체는 그 물체가 광속의 제곱으로 움직이는 에너지를 잠재우고 있는 겁니다. 그 물체의 질량이 사라지면 그런 엄청난 에너지가 발생하는 거죠. 그러니까 아인슈타인은 시간이 상대적으로 변할 수 있는 물질이라는 생각으로부터 우주란 무엇이고 질량이란 무엇인가 우리는 무엇인가라는 철학적인 문제까지 해결해버린 겁니다. 그리고 아인슈타인의 이 공식 E=MC2 이로부터 질량은 에너지로 변환이 가능하고, 모든 물체는 시공간에서 빛의 속도로 이동 중이기 때문에 물체의 질량이 사라지면 어마어마한 에너지가 나올 수 있다는 사실이 알려진 겁니다. 

 

 

 

 

그리고 방사능 붕괴라는 물체의 질량이 일부 사라지는 현상이 발견되면서 인류는 엄청난 에너지를 만들 방버을 알아내는데, 이게 바로 원자핵분열 반응 폭발물(원자폭탄)이라 불리는 일명 핵폭탄입니다. 정말 대단한 것은 핵폭탄은 핵분열 연쇄반응을 거치는데, 이 과정에서 일부 질량이 소실되고 핵폭탄이 발생시키는 에너지양은 그 소실된 질량이 빛의 속도의 제곱으로 움직였을 때 발생하는 에너지양이 발생합니다. 그러니까 E=MC2이라는 공식이 정확하다는 게 입증이 되는 거죠. 그리고 이 공식이 나온 과정을 돌이켜보면 모든 물체가 시공간상에서 빛의 속도를 지니고 있다는 가정으로 나온 식이기 때문에 특수상대성이론은 학계의 정설로 인정이 되고 유명세가 없던 아인슈타인이 물리학계에서는 갑자기 슈퍼스타가 된 겁니다.

 

 

 

우라늄 235는 핵분열 과장에서 235개 중에 한 개의 양성자가 중성자로 변환될 때의 질량만 소실되는 반면, 수소 핵융합은 양성자 중성자 두 개로 이뤄진 중수소가 핵융합을 하기 때문에 핵분열보다 효율이 100배 이상 좋습니다. 그래서 북한이 핵분열 폭탄보다 더 진보된 기술인 수소폭탄을 개발하려 하는 겁니다. 그리고 현재 원자력 발전소는 이런 엄청난 핵분열 에너지를 이용하기 때문에 위험부담이 큰만큼 굉장한 에너지를 낼 수 있는것이죠. 그리고 핵융합 발전소를 만들려고 연구하는 이유는 중수소와 삼중수소 100개가 우라늄과 질량이 비슷하기 때문에 이론적으로 핵융합 발전소가 현재 원자력 발전소보다 100배 이상 좋은 효율을 낼 수 있기 때문입니다. 그리고 그런 높은 효율로 에너지를 내고 있는 천체가 바로 태양인 것이죠. 그리고 아인슈타인은 "질량이 있는 물체가 시공간을 휘어지게 만든다"라는 소름 돋는 생각을 하게 되는데, 다음 편에서 이어가겠습니다!