앞에서 특수 상대성 이론의 두 가정을 보았습니다. 모두 틀린 가정이죠. 가정1 모든 관성계에서 물리법칙은 같다.'에서 빛은 적용이 되지 않습니다. 가정1에서의 물리법칙이란 뉴턴의 법칙을 말합니다. 뉴턴의 법칙은 질량을 가지는 물질의 법칙입니다. 빛은 질량이 없습니다. 그래서 빛은 가정1에 적용이 되지 않습니다.
지금부터 특수 상대성 이론에서 주장하는 내용들을 하나씩 짚어보겠습니다.
A. 사건의 동시성 (동시성의 파괴)
먼저 특수 상대성 이론에서 주장하는 것을 동영상으로 보겠습니다.출처 : - EBS 빛의 물리학 중에서 -
잘 보셨나요. 이 영상중에서 기차가 등속으로 달리때 기차안의 상황이 잘못 표현 되어 있습니다. 기차내부에 설치된 두 반사기에 동시에 빛이 도달하는 것은 아님니다. 좌측 반사기에 먼저 도착합니다. 그러면 왜 기차 내부의 관찰자는 동시에 보이는 것일까요? 그것은 관찰자가 빛을 보려면 반사기에서 다시 관찰자에게 와야 빛을 볼수 있기 때문이죠. 즉, 빛이 각각의 거울에 왕복해야 기차안의 관찰자가 볼수 있기 때문입니다. 빛이 광원에서 거울에 갈때와 거울에서 관찰자에게 올때 좌측과 우측의 현상은 서로 반대 현상을 보이는 것이죠.
기차의 속도가 c/2=15만km/s 라고 가정하고, 광원과 좌측 거울, 우측 거울 사이의 거리가 각각 30만km 라고 가정하면 좌측과 우측 빛의 진행하는 상황을 계산해 보면,
1. 좌측 - 광원에서 좌측 거울로 가는 시간 Tl = 2/3초 , 왜냐하면, 거울의 속도는 기차의 속도이므로 좌측 거울과 빛이 만나는 시간Tl을 계산하면, 광원과 거울의 거리 = {(거울의 속도 * Tl) + (빛의 속도 * Tl)} ===>
30만km = {(15만km/s * Tl) + ( 30만km/s * Tl)), 따라서 좌측 거울과 빛이 만나는 시간 Tl = 2/3초
2 우측 - 광원에서 우측 거울로 가는 시간 Tr=2초, 왜냐하면, 거울의 속도는 기차의 속도이므로 빛과 거울이 만나는 시간을 계산하면,
{광원과 거울과의 거리 + (기차의 속도 * Tr)} = (빛의 속도 * Tr) ===>
{30만km + (15만km/s * Tr) = (30만km/s * Tr) , 따라서 시간 Tr = 2초 입니다.
이렇게 달리는 기차안에서 빛이 거울(반사기)에 도착하는 시간은 다름니다. 이제 빛이 거울에서 다시 관찰자에게 오는 시간은 좌측과 우측 경우에 반대의 현상이 나타남니다. 그래서 결국 좌측 빛과 우측 빛은 동시에 관찰자에게 보이는 것입니다. 기차안의 관찰자가 빛을 보는 시간은 양쪽 모두 Tl + Tr = Tr + Tl = 2/3 + 2 = 8/3초 입니다.
즉, 동시적인 사건이 아님니다. 관찰자가 이렇게 보는 이유는 빛의 속도의 유한성 때문입니다. 현재 물리학의 정의에 1m를 빛이 1/299,792,458 초 동안 이동한 거리로 하고 있습니다. 이것은 빛의 속도를 정의한 것과 같습니다. 빛의 속도가 무한이 아닌 이상에는 이런현상은 자연스러운 것입니다. 이것은 굳이 빛의 속도에 근접해야만 확인할 수 있는 것이 아니라, 우리의 일상에서도 쉽게 목격되어 짐니다. 동시적인 사건이 동시에 안보인다고 동시성이 파괴 되는 것은 아님니다. 우리 인간이 빛으로 인지하기 때문에 일어나는 현상입니다. 만일 소리로 인식한다면 그 차이는 더욱 커질 것입니다. 즉, 무엇으로 측정하는냐?에 따라서 나타나는 현상입니다.
3. 기차 밖에 있는 빛에 대해서 정지한 관찰자에게는 좌측 빛과 우측 빛이 동시가 아니게 보여짐니다. 이것은 빛이 절대 정지의 좌표계로 부터 일정한 속도로 전파된다는 것을 잘 보여주는 현상입니다. 물론 기차 밖의 관찰자도 빛이 거울에 도착한 시간에 빛을 볼수 있는 것은 아님니다. 기차 밖에 있는 관찰자는 좌측은 2/3*2 = 4/3초, 우측 빛은 2* 2 = 4초 입니다. 보이는 것은 실제와 언제나 다름니다.
4. 아인슈타인이 잘못 생각한 것은 보이는 것이 실제라고 생각했기 때문입니다. 빛을 이용해서 우리가 사건을 보기 때문에 사건이 일어난 장소에서 우리가 있는 장소까지의 거리와 빛의 속도를 이용해서 계산해야 실제 일어난 시각을 정확히 알 수 있습니다.
