[Aether 물리] #5 특수 상대성이론 - 길이의 축소, 가장 빠른 속도

etainclub (79)Beyond Reality Researcherin Korea • 한국 • KR • KO • 6 years ago

매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.

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속도에 따라 물체의 길이가 변경되는 이유

아인슈타인의 특수 상대성이론은 움직이는 물체에 대해 여러 가지를 얘기하고 있습니다.

시간이 느리게 간다
길이가 짧아 진다
질량이 늘어 난다

지금까지 시간이 느리게 가는 내용만 살펴봤습니다. 그런데 길이도 짧아 진다고요?

다시 사고 실험을 합니다.

이전글에서 살펴본 지구 대기층에서 생성되는 뮤온이 광속에 가깝게 지표면으로 이동한다
지표면에 있는 사람이 무온을 보면 뮤온의 수명이 2uS *100 = 200uS (0.2ms)로 늘어난 것처럼 보인다.
만약 뮤온에 사람이 올라타서 보면, 상대속도는 0이므로, 뮤온의 수명은 2uS이다.

뮤온 입장에서는 2uS동안 60km 거리를 이동해야 하므로, 빛의 속도로 이동해도 불가능합니다. 따라서 아인슈타인은 이동할 때 거리가 줄어든다고 생각했습니다. 왜냐하면 여러 실험에서 빛의 속도는 항상 일정했으니, 시간도 고정되어 있으니 거리를 줄이는 수밖에 없습니다.

보다 정확히는 이동하는 자신이외에 상대적으로 움직이는 것들의 공간이 축소된다는 것입니다. 아래 그림에서 보면 뮤온에 올라탄 사람은 등속으로 이동하면 자신은 정지해 있다고 느낍니다 (다시 한번 특수 상대성이론은 등속 운동에 한해서만 기술되는 이론입니다). 대신에 지표면에 있는 동수가 빛의 속도로 이동한다고 보이겠죠. 이 때, 특수 상대성이론에 의하면 빠르게 움직이는 물체는 움직이는 방향으로 길이가 축소되어 보인다라고 얘기합니다. 8,800m인 에베레스트 산이 1/100인 88m로 보이고, 지표면의 동수의 키도 1/100으로 작아져 보이게 됩니다.

가만 보면, 아인슈타인의 사고는 모순을 일으키지 않도록 생각을 전개하고 있습니다. 단 빛의 속도는 절대 변하지 않는 것으로 하고요. 그 외 거리, 시간 등은 상대적으로 변할 수 있는 것으로 계속 생각을 전개해 나갑니다. 이번에도 거리를 축소시킴으로써 광속 불변의 법칙을 지키고, 모순을 해결할 수 있었습니다.

이동 속도에 따른 길이 축소에 관한 공식입니다.

속도별 길이 축소 비율입니다. 0.99c 정도 되어야 1/7배 길이가 줄어든 것처럼 느낍니다.

0.1 c = 0.99499
0.5 c = 0.86603
0.9 c = 0.43589
0.99 c = 0.14107
0.999 c = 0.04471
0.9999 c = 0.01414
0.99999 c = 0.00447
0.999999 c = 0.00141
0.9999999 c = 0.00045
0.99999999 c = 0.00014

생각해보면, 뮤온에 올라탄 사람이 보면, 지표면에 있는 사람이 사람(그리고 멈춰 있는 에베레스트 산도)이 축소되어 보이고, 반대로 지표면에 있는 사람이 뮤온에 올라탄 사람을 보면 뮤온에 올라탄 사람이 축소되어 보입니다. 누가 정말 축소된 것일까요? 여기서도 모순처럼 보이지만 거리 축소는 상대적인 것입니다. 움직이는 기차 안에서 사과가 안에서 보면 정지해 있지만, 밖에서 보면 움직이는 걸 생각해 보세요. 둘은 모순처럼 보입니다만, 각각의 입장에서는 이상할 게 없습니다.

시간이 늘어나는 것과 길이가 축소되는 것도 이와 같이 상대적 현상입니다. 상대 속도에 따라 길이가 축소되어 보이기도 하고, 시간이 늘어나 보이기도 하는 것입니다. 일상 속에서는 그러한 길이, 시간 변화를 감지하기 어려워 이해가 잘 안됩니다. 하지만 실제 변화가 있다는 것은 뮤온 충돌 실험에서 밝혀졌습니다. 우리가 만약 빛의 속도로 이동할 수 있는 전자기파라면 이러한 현상을 보다 확실하게 느낄 수 있을 것입니다.

아인슈타인의 특수 상대성이론은 빛의 속도만 절대적이고, 시간, 공간은 상대적이라고 얘기하는 것입니다. 예를 들어, 내눈에는 예뻐 보이는데, 친구 눈에는 안 예뻐 보이는 것처럼, 시간과 공간이 주관적, 상대적이라는 것입니다. 시간과 공간이 절대적 특성을 갖지 않는다는 것을 말하는 것입니다. 우리가 빛의 속도로 이동하는 존재라면 이러한 말도 안되는 상대성을 당연하게 받아들이게 되는 것입니다.

위의 속도에 따른 길이 공식에서 속도가 광속이 되면 길이가 0이 됩니다. 즉 이동하는 자신이 아니라 상대적으로 이동하는 물체가 사라집니다! 위 그림에서는 뮤온에 올라탄 사람이 봤을 때, 지표면의 사람, 에베레스트 등의 길이가 0이 됩니다. 즉 사라지는 것이지요.

어디로 사라지는 것일까요?? 정말 궁금합니다. 아인슈타인은 물체가 광속으로 이동할 수가 없어서 물체가 사라지는 일은 발생하지 않는다고 하겠죠? 그런데 만약 광속으로 이동하는 물체가 있다면 어떻게 되는 것일까요?

이것은 순간이동과도 관련이 있습니다. 물체가 어디로 사라지는지 알 수는 없지만, 어떤 거리를 이동하더라도 시간이 0이라는 얘기가 될 수 있습니다. 거리가 0인 곳을 이동하는데 드는 시간도 0입니다. 즉, 어떤 지점에서 다른 지점을 이동하는데 걸리는 시간은 0입니다. 순간이동입니다. 즉, 빛의 속도로 이동할 수 있다면 아무리 먼 거리라도 순간이동이 가능합니다.

여기서 잠깐
이 특성이 이더 물리에서 핵심으로 쓰입니다. 이더 물리에서는 빛의 속도에 도달한 물질은 평형 공간으로 사라진다고 설명합니다. 러시아의 Kozyrev 박사는 무거운 쇠공을 바닥에 떨어뜨렸더니 쇠공의 무게가 측정 가능한 수준에서 줄어든 것을 발견했습니다. 쇠공 자체의 속도는 광속에 택도 없지 못미치지만, 쇠공을 구성하는 입자들은 이미 광속에 가깝게 이동하고 있습니다. 여기에 충격이 가해져 광속으로 이동하게 되고, 평형 공간으로 이동했다고 설명합니다. 나중에 더 자세히 알아보죠.

또 한가지 의문이 듭니다.
왜 빛은 빛의 속도로 이동하는데 순간이동 하지 않느냐 하는 것입니다. 위 공식이나 특수 상대성이론에 따르면 광속으로 이동하는 것은 이동 거리가 0으로 줄어들어 순간이동하게 됩니다. 그러나 실제 태양빛이 지구에 도달하기까지 8분 20초 정도가 걸립니다. 빛은 질량이 없다고 얘기하는데, 질량이 없기 때문일까요? 아니면 광속 불변의 법칙처럼 빛은 절대적이라서 그럴까요?

세상에서 가장 빠른 속도, 광속

앞에서 빛의 속도에 가까운 속도로 이동하는 물체의 길이가 0에 가깝게 된다는 것을 알아봤습니다. 아래 그림에서 정지한 정수의 입장에서 광속에 가까운 29.9999km/s로 이동하는 기차의 길이는 매우 작아져 약 1/100 밀리미터 정도가 됩니다. 이 때, 기차 안에서 동수가 20만km/s로 달리던 10만km/s로 달리던 기차의 길이가 0에 가까워 달리는 속도는 0처럼 보입니다. 그래서 앞에서 살펴본 덧셈 법칙이 성립할 수 있게 됩니다. 단 빛의 속도가 추가된 형태로요.

새로운 덧셈 법칙은 다음과 같습니다.

속도 v1, v2중 하나만 광속이 되면 상대속도 v는 광속, 즉 c가 됩니다.

결과적으로, 갈릴레이의 상대성원리와 광속 불변의 법칙이 모순 없이 성립할 수가 있는 것입니다. 모순의 원인은 속도 덧셈 법칙에 있었습니다. 그리고 빛의 속도인 30만km/s를 넘어서는 물체의 길이는 0이 되기 때문에 이보다 더 빠른 속도는 없습니다. 그래서 광속이 도달할 수 있는 가장 빠른 속도가 되는 것입니다.

뉴트리도(중성미자)가 빛보다 빠르다고 했던 실험이 있었는데, 실험 오류가 있어서 주장을 철회했다고 합니다.

2011년 9월 CERN에서는 오페라 프로젝트라는 연구를 통해 “빛보다 빠른 물질이 있다.”며, 아인슈타인의 특수상대성이론이 틀렸다는 주장을 제기해 과학계를 놀라게 한 적이 있단다. CERN 과학자들은 땅속을 통해 730㎞ 떨어진 중부 이탈리아로 뉴트리노를 발사했는데, 이 가운데 이탈리아 실험실에 도착한 뉴트리노 한 개가 빛보다 60.7나노초(1나노=10억분의 1초) 더 빠른 속도를 기록했다고 한단다.(뉴트리노 중성미자는 질량이 사실상 제로이며 일반 원자와 상호작용하지 않아 땅 속을 진공 속처럼 통과한단다.)

[그림] CERN에서 보내진 뉴트리노 입자가 730km떨어진 중부 이탈리아로 가는 시간을 측정힌 오페라 프로젝트

2012년 2월 22일자 미국 과학 전문지 사이언스에서는, 이 실험을 면밀히 검토해 본 결과 시간을 측정하기 위한 GPS(위성항법장치)의 전선을 잘못 연결해 발생한 실험 오류라고 보도하였단다.
2012년 5월, 오페라 연구팀이 이러한 오류를 인정하고 재실험을 한 결과 “빛보다 빠른 물질(뉴트리노)을 발견했다”는 주장을 공식적으로 철회하였단다.