[물리학개론] 특수상대성이론 - 동시성의 상대성, 시공간 정의

안녕하세요! Angelina 입니다.

첫 포스팅은 제가 편안하게 이야기하고 싶은 주제로 시작하고 싶습니다.

암호화폐나 블록체인 기술도 흥미롭지만,

몇 년 전 부터 관심있었던 주제는 물리학이었습니다.

그 당시 공부하고 있었던 과목이기도 했고

특히 현대물리학 파트를 접했을 때 새로운 세계를 만난것 같은 느낌이 들었습니다.

오늘 처럼 업무스트레스에 시달리는 날이면

마음을 편하게 먹고 물리책을 읽고싶어 집니다.

그래서 오늘은 현대물리학의 첫페이지에 등장하는 상대성이론에 대해 잠시 이야기할까 합니다.

상대성이론이란 간단하게 말하긴 어렵지만,

우주의 작동원리를 밝혀주는 이론이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

아인슈타인은 시공간에 대한 뉴턴적 세계관을 뒤집어버리는

특수 상대성 이론(special theory of relativity) 를 발표했습니다.

복잡한 물리공식은 떼어버리고,

상대성 이론을 이해하기 위한 동시성의 개념부터 살펴보겠습니다.

시간 혹은 시간 간격을 측정하기 위해서는 동시성의 개념이 필요합니다.

내가 속한 계에서, 어떤 사건 (Event) 은 명확한 시간과 위치를 가지고 발생합니다.

오늘 제가 12시에 점심을 먹었다고 한다면,

이것은 두개의 사건이 동시에 발생했음을 의미합니다.

제가 점심을 먹는 사건과 시계가 12시를 가리킨 사건이죠.

두 사건의 시간 간격을 측정하는 것이 근본적인 질문이 됩니다.

내가 12시에 밥을 먹엇는데, 서로 다른 사건이라고?

처음에는 모순된 것으로 보일 수 있지만

아인슈타인의 '사고실험'을 통해 한번더 생각해 볼 수 있습니다.

아인슈타인이 제시한 사고실험:

일정한 속도로 움직이는 기차, 번개, 기차 밖에 존재하는 사람 A, 기차 객실 가운데에 존재하는 사람 B

이렇게 실험을 진행해봅시다.

기차는 빛의 속도와 견줄만한 일정한 속도로 움직이고 있습니다.

두개의 번개가 동시에 기차의 앞과 뒤를 때렸습니다.

이때, 기차 바깥에서 이 사건을 접한 A는 두개의 번개가 기차를 동시에 때렸다고 보겠죠

하지만 기차 안에 존재하는 B 에겐 번개가 동시에 방출되었다고 생각이 들지 않을 것입니다.

B는 기차와 함께 오른쪽으로 움직이고 있으니까,

앞쪽에서 진행해 오는 빛의 방향으로 움직이고 기차 뒷 쪽에서 오는 빛으로부터는 멀어지고 있습니다.

따라서

B는 기차 앞에서 방출되는 빛을 먼저 봤고 번개는 열차 앞쪽에서 먼저 쳤다고 믿게 됩니다.

결론적으로,

동시에 일어난 사건인지 아닌지는 관측자의 운동상태에 따라 다릅니다.

또 두 사건의 시간 간격은 서로 다른 기준계에서는 서로 다를 수 있습니다.

'민코프스키 시공간 정의'는 이러한 특수상대성 이론을

좌표평면을 통해 설명해주고 있습니다.

참고로 민코프스키는 아인슈타인이 다니던 스위스 취리히에 있는 대학의 수학교수였다고 합니다.

아인슈타인이 1905년 특수상대성이론을 발표하자

민코프스키 교수는 특수상대성이론을 4차원 시공간이란 개념으로 재해석하여 논문을 발표했습니다.

이를 계기로 아인슈타인의 특수상대성이론이 널리 알려지게 되었습니다.

본론으로 들어가서,

민코프스키의 시공간 정의를 알아보겠습니다.

우리가 살고있는 세계는 3D 라고들 합니다. 하지만 민코프스키는 시간이라는 개념을 3차원 공간에 합쳐

4차원 세계에 살고 있다고 했습니다. 이러한 4차원 공간을 시공간(Spacetime)이라고 정의합니다.

민코프스키의 좌표입니다.

같은 위치의 좌표점에서 발생된 사건의 인과관계는

관성기준계별로 그 시점이 달라지는 것을 볼 수 있습니다.

움직이는 흰색 선은 시간의 흐름이고,

x축 공간좌표에는 A,B,C 사건이 형성되어 있습니다.

3가지 사건이 동시에 발생되는 때는 v=0으로 정지된 좌표계일 때 뿐입니다.

운동하는 좌표계의 관점에서 보면

3개의 사건이 동시에 진행되지 않습니다.

3개의 사건에 순서가 생기게 되는 것입니다.

순서가 생겼다는 것은, 우리가 지각하고 있는 시간의 흐름이 생겼다는 의미가 됩니다.

어제 오늘 그리고 내일, 과거 현재 미래...

즉 몇 개의 사건이 동시에 발생했는지 아닌지는 기준계에 의존하는 것일뿐,

그것이 실제로 동시에 일어났다는 사건은 다양한 가능성중의 하나라는 것입니다.

그렇다면 시공간의 개념을 동시성의 상대성 사고실험에 접해서 생각해보겠습니다.

기차에 타고있는 나를 현재시점이라고 생각했을 때,

나의 과거는 기차 앞부분에 부딪힌 번개를 먼저 본 사건과 같고

나의 미래는 기차 뒷부분에 부딪힌 번개, 아직 보지 못한 사건으로 해석될 수 있습니다.

사실 동시에 일어나고 있는 사건일 수 도 있는데 말이죠.

시공간의 절대성을 벗어난 물리학의 세계, 정말 신기하지 않나요?

오늘 글은 여기까지 입니다.

두서없이 쓴 긴 글 읽어주셔서 감사합니다!!