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초등학생도 이해할 수 있는 인터스텔라 상대성 이론 사고 실험.
게시물ID : science_44596짧은주소 복사하기
작성자 : 꿈을찾아
추천 : 14
조회수 : 3598회
댓글수 : 106개
등록시간 : 2014/12/26 21:15:17


 그 동안 많은 분들이 인터스텔라에 등장하는 상대성 이론에 대해 
 정확하고 좋은 이론들을 소개해 주셨습니다. 

 저는, 나름 오류 투성이이겠지만, 
 그래도 초등학생들도 이해할 수 있는 사고 실험으로 인터스텔라에 등장하는 상대성 이론을 설명해 볼까 합니다. ㅎㅎ;

 잘 알지도 못하면서 괜한짓 하는 거 아닐까 하지만, 
 이 정도만 이해해도 그래도 헷갈리지는 않지 않을까 해서 써 봅니다.

 사고 실험 중간에 등장하는 각종 패러독스도 과감히 다 삭제 합니다;;;


 1. 시간이 절대적인 게 아니라, 빛의 속도가 절대적이다.
 
  우리는 최근까지 시간과 공간이 절대적이라고 믿고, 불변하는 것으로 두고 세상을 이해 했습니다.
  사물이 움직이는 법칙들을 이런 불변의 시간과 공간을 가정하고 싸그리 정리한 사람이 뉴튼 입니다.

  그래서 뉴튼 역학이 세상의 진리로 생각되고 있었죠.

  그런데,
  아인슈타인이 등장할 무렵의 시기에...
  황당한 발견이 이루어집니다.

   - 빛의 속도가 어디서 어떻게 측정을 해도 항상 동일하게 초속 30만 킬로 미터 였던 것입니다.
 
  이게 너무나 황당했던 게...
  멀어져 가는 별이나, 다가오는 별에서 나오는 빛은 속도가 달라지는 게 당연하다고 생각했기 때문입니다.


  뉴튼 역학의 시대에서는.
  
  시속 60킬로로 달리는 열차 안에서 어떤 아이가 시속 30킬로로 열차가 가는 방향으로 공을 던진다면,
  그 공의 속도는 열차 안에서 볼 때는 시속 30 km 이지만,
  열차를 타고 있지 않은 밖에서 볼 때는 60+30= 90km 의 속도가 되는 것이 당연하잖아요?

  그런데, 이놈의 빛의 속도가
  초속 10만 킬로로 달려오는 별에서 나오는 빛이나, 초속 10만 킬로로 멀어지는 별에서 나오는 빛이 
  다 똑같이 시속 30만 km 였던 것입니다!!!!

  기존의 체계에서는 시속 10만 킬로로 달려오는 별에서 나오는 빛은 
  빛의 속도 30만 km 에 별의 속도 10만 km 를 더해서 초속 40만 km 로 측정되어야 당연할 터인데...

  빛의 속도를 아무리 측정해도... 
  빛의 속도가 초속 30만 km 니까... 그 당시의 기술로 뭔가 측정을 잘못 했겠지.. 하면서 
  아무리 최신 기법을 사용하며 측정을 해도...
  빛의 속도는 무슨 짓을 해도 초속 30만 km 였던 것입니다.!!!!


  빛의 속도 30만 km...
  이것은 우리가 살아가는 이 우주에 있어서 마치 "상수" 같은.. 변하지 않는 측정값이라는 걸 인정해야 합니다.


 2. 아인슈타인의 등장 = 특수 상대성 이론 = 절대적인 것은 시간이 아니라 빛의 속도이다. 빛의 속도를 중심으로 세계의 기준이 바뀌다.
  
  그때 까지 우리 인류의 인식 속에서는 시간, 공간은. 불변이지요.
  그런데, 빛의 속도도 초속 30만 km 로 불변으로 두려니까...
  문제가 발생합니다.
  두 "진리" 가 서로 모순을 일으키며 충돌 해 버립니다.

  위에 말씀 드린 것 처럼, 빛에 대해서는 뉴튼의 물리 법칙이 통하지 않는것이지요.
  허 참... 돌겠습니다.
  빛은 예외다~ 라고 만들려고 해도... 무슨 물리 법칙이, 사회 과학 법칙도 아니고 예외가 생길 수가 없죠.

  이 때,
  아인슈타인이 등장합니다.

  빛의 속도가 초속 30만 km 로 불변이라면.
  절대 바뀌지 않는 세상의 기준을 빛의 속도로 두고, 
  그때 까지 믿어왔던 세상의 기준인 시간과 공간을... 바뀔 수 있는 것으로 바꾸어 봅니다.

  즉, 인류가 생각해 왔던 그 어떤 세계관의 "축" 을 시간,공간에서... 빛의 속도 로 바꾸어 생각해 보는 것이지요.
  
  이게 마치 콜롬부스의 달걀처럼, 누구나 이런 과감함을 생각해 낼 수 없는 것이지요.
  인류의 고정관념을 깨고, 
   시간과 공간을 절대적으로 놓고, 빛을 예외 처리 하려던 생각을 바꾸어서
   빛을 절대적인 것으로 고정처리 하고, 시간과 공간을 가변하는 것으로 두고, 생각해 보는 것... 


  그래서, 아인슈타인이 말하길,
  만약 여러 우주가 있다면, 각각의 우주에서 온 우주인들이 만난다면 이렇게 소개할 것이라 합니다.
   "저는 빛의 속도가 초속 30만 km 인 우주에서 왔습니다."
   "저는 빛의 속도고 초속 15만 km 인 우주에서 왔습니다."
   
   우주의 가장 중요한 정해진 상수가 빛의 속도라는 것이지요.


 3. 속도가 빠르면 시간이 느리게 간다.

   그럼, 
   빛의 속도를 30만 km 미터로 두고, 
   우리가 불변이라 믿어왔던 시간과 공간을.. 바뀔 수 있는 것으로 두고 생각을 해 봅시다...

   머리를 텅텅 비우고 기본적인 것 부터 검증을 해 나가도록 해 봅니다. 
   정해진 것은 빛의 속도 하나 뿐.
   
   그럼, 시간을 정해야 하잖아요.
   시간이 뭘까요?

   정해진 것이 빛의 속도 밖에 없으니... 시간을 정의해야 겠습니다.

   우리는 아무것도 없는 우주 공간의 우주선에 있다고 가정합시다.

        timedef.jpg

   정해진 것은 빛의 속도밖에 없으니.
   위의 그림 처럼, 우주선 한 쪽 벽에 빛 발생 장치를 설치하고, 반대쪽 벽에 거울을 설치 합시다.
   빛이 빛 발생장치에서 출발하여 거울을 한 번 부딪히고 빛 발생장치로 돌아오는데 걸리는 시간을 1초 라고 정의 합시다.

   이제 시간을 정했습니다.
   절대적인 빛의 속도 초속 30만 km 로 우주선 벽을 한 번 갔다 오는 시간이 1초 입니다.
      

   그런데, 문제가 발생합니다.

   우리 우주선 옆에 ... 똑같은 우주선을 탄 친구가 엄청나게 빠른 속도. 예를 들어 빛의 50%의 속도로 지나치고 있습니다.


   우리 우주선 B 에서는 
   초속 30만 km 라는 빛의 속도로 빛이 우주선 벽을 왕복하는 시간이 1초 입니다.

   그리고 빛의 속도의 50%로 지나치고 있는 친구 A 의 우주선 에서도. 
   똑같이 빛이 우주선 벽을 한 번 치고 오는 것이 1초 입니다.

   당연히 우리 우주선 B 에서의 1초는 우리 우주선 안에서 보면 1초 입니다.

   그리고, 친구 우주선 A 에서 보는 1초도, 친구 우주선 안에서 보면 빛이 벽을 치고 오는 시간이니 1초 입니다.

   그런데, 우리 우주선 B 에서 A 우주선을 보니... 이런... 그 친구의 1초는 엄청 느립니다.
   
  
time (1).jpg



   우리 우주선 B 에서 빛이 벽을 치고 돌아오는 시간 1초...
   즉, 빛은 우주선 벽의 거리 x (라고 합시다) ... 이 거리 x 만큼을 초속 30만 km 로 왕복하는 것이 1초 입니다.

   그런데, 우리 우주선 B 에서  A 우주선의 빛을 보니.
   위 처럼 보이는 것입니다.

   피타고라스의 정리에 의해, 위의 그림처럼 우주선 A 에서의 빛은 더 먼 거리를 이동하고 있습니다.

   우리의 빛이 우주선을 왕복하는 동안,
   친구 우주선의 빛은 친구의 우주선을 왕복하지 못합니다.

   빛의 속도는 나나, 친구나 동일한데,
   친구 우주선의 빛은 더 먼거리를 이동해야 한 번 왔다 갈 수 있으니까, 시간이 느리게 가는 것 처럼 보입니다.

   우리 우주선 B 에서의 빛이 왔다 간 거리를, 우주선 A 에 똑같이 파란색으로 복-붙 해 봤습니다. 
   
   우리 우주선 B 에서의 1 초 동안.... 우주선 A 에서는 1초의 반도 못 갔군요!!!!

   
   절대적인 것은 시간이 아니라 빛의 속도 라고 했습니다.

   우주선 B 에서는 1초가... 우주선 A 에서는 1초가 채 되지 못했습니다.
   그러나, 우주선 A 에 타고 있는 입장에서 보면, 우주선 A 에서의 1초가 1초입니다.   

   즉, 빨리 달리고 있는 우주선 A 에서는 시간이 느리게 가고 있습니다.

   
   사족 : 제대로 상대성 이론을 이해하려면, 다른 분들이 쓰신 글들 보시구요. 
         이 사고실험도 쌍동이 패러독스인가 해서... 골치 아픈 일이 있지만... 제대로 보시려면 복잡하구요.
        일단, 개념적으로 상대성 이론, 속도가 빠르면 시간이 느리게 간다 라는 기본 사고 실험은 이게 제일 좋은 것 같습니다.
        이 글을 보시며, 화가 나시는 많은 과학도 분들께는 다시 한 번 사과의 말씀을 드립니다 ㅎㅎ;



 4. 중력 = 힘... 중력의 본질은 힘?

   이야기를 바꿔서...

   중력이 뭔지 한 번 생각해 봅니다.
   
   우리가 밖이 보이지 않는 닫혀 있는 엘레베이터를 타고 우주 공간에 있다고 가정합니다.
   우리는 중력을 느끼며, 엘레베이터 바닥에 서 있다고 가정합니다.

   중력을 느끼고 있기 때문에, 우리는 이 엘레베이터는 어떤 별 위에 있다고 생각할 수 있을 것입니다.

   그런데,
   사실은... 실제로 어떤 별 위에 있을 수도 있고.

   아니면,
   무중력 공간에서... 어떤 우주선이 우리 엘레베이터를 한 쪽으로 열심히 끌어가고 있어서...
   관성의 법칙때문에, 중력을 느끼고 있는 것일 수도 있습니다.

gravity (1).jpg


    우리가 별 위에 서 있는 것 때문에 중력을 느끼는 것인지...

    아니면, 누군가가 엘레베이터를 쭉~ 끌어당겨서 바닥에 붙어 있는 건인지...
   누가 어떻게 말해 줄 수 있을까요?

   우리는 엘레베이터 밖을 볼 수 없기 때문에, 어떤 대답도 할 수 없습니다.

   
   중력의 본질은 "힘", "가속도" 아닐까요?
   
   정해진 것이 지금 빛의 속도 밖에 없으니...
   중력도 알지 못하는 어떤 불가사의한 힘 이라고 뉴튼이 정의 했던 것도 깨 부숴 보죠...
   시간과 공간도 깨 부쉈는데, 중력도 못 깨부수겠습니까.

   중력 과 힘, 가속도가 같은 말이겠군요!!!!


   인터스텔라에도 보시면...
   우주선이 똥그랗게 생겨 가지고... 뱅뱅 돌리니, 사람들이 바닥에 설 수 있었지요...
   원심력 떄문에, 사람들이 밖으로 밀려나가는 힘때문에 서 있을 수 있는 것인데...
   이게 중력과 다를 게 없잖아요.

   인터스텔라의 마지막 우주 정거장에 야구 장면 기억 나시죠?
   거기서도 그 동그란 모양의 우주선이 뱅뱅 돌면서 원심력으로 중력을 만들고 있고,
  
   예전에 멧 데이먼이 출연한 영화 "엘리시움" 에서도,
   원통형 우주 정거장에서 사는 사람들이 뱅뱅 돌면서 중력 발생 시키고 있었고,
   
   브루스윌리스 주연 "아마겟돈" 에서도 러시아 정거장에 들러서도...
   정거장이 뱅뱅 돌면서 우주선에 중력을 발생 시키자 러시아 우주인이 " Oh, yeah...  feel gravity! " 라는 장면이 있죠.

   암튼... 
   중력이랑 힘이랑은 본질이 같다라고 보시면 되곘습니다.



 5. 중력이 센 곳에서는 시간이 느리게 간다.

   인터스텔라를 초등학생도 이해할 수 있도록 설명하기 위해.
   희대의 궤변을 하는 마지막 단락 입니다. ㅋ;;;; (ㅈㅅ)

   
   아무것도 없는 우주의 우주선에서
   중력을 느끼려면, 원심력을 이용해야 한다고 말씀 드렸구요...

   그럼...
    아래의 그림을 보겠습니다.

 gravitytime.jpg

 
  자... 주위에서 뱅뱅 돌고 있는 우주선...
  원심력에 의해 중력을 느낄 수 있을 겁니다.   

  중력이란, 힘이랑 같으니까요...


  자, 드디어 궤변을 완성할 마지막 단락에 도착했습니다.

  위 우주선에서 "중력" 을 느끼려면, "원심력" 을 이용해야 합니다.
  "원심력" 을 나오게 하려면, 밖을 도는 우주선이 "속도" 를 내야 합니다.

  처음에 말씀 드린 것과 합쳐 보겠습니다.

  "속도가 빠른 곳에서는 시간이 느리게 간다." 와 합쳐 보면...

  중력이 있는 곳에서는 시간이 느리게 갑니다.
  

 꺄....

   결론에 도달했습니다....

   즉, 블랙홀의 중력권에 있는 별에서는 ... 시간이 느리게 갑니다....


 
 물리학도들께는 죄송합니다. T_T;;;
 그래도, 사고실험만으로 상대성 이론을 설명한 것으로... 초등학생들도 이해할 수 있도록 설명해 본 가상한 노력을 어여삐 여겨...
 오류 지적이나, 의견은 댓글로 써 주시더라도.... 반대 만큼은 T_T;;;  상처가 될까봐...

  헤.. 추천 구걸.


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