[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 2부

@향팔 님, @SooHey 님 오늘은 휴가이고 오전엔 일정이 없으니 여유잡고 이면지에 그림을 그려봤습니다. 잘 그려지지는 않았지만 양해하시길, 워낙 그림 솜씨가 없어서요. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 하나를 찰떡같이 믿고 빌려옵니다. 즉, 빛의 속도(광속)는 어디서나 일정하다. 보통 30만km/초 정도의 속도라고 하죠. 그리고 속도는 이동한 거리를 걸린 시간으로 나누어 구하죠. 이 두 가지 개념을 가지고 그림을 설명하겠습니다. 빠른 속도로 날아가고 있는 우주선이 있다고 칩니다. 우주선 안에는 철수가 타고 있고 우주선 밖 지구에서는 철수의 여친인 영희가 잘 가라고 배웅을 하고 있습니다. 그리고 우주선 안에는 거울로 만들어진 시계가 있습니다. 우주선 통로의 오른쪽 벽에 걸린 거울에서 빛이 나와서 왼쪽 벽에 걸린 거울로 빛이 도달하는 시간을 재는 시계입니다. 통로라고 해봐야 큰 우주선이라도 5미터 이내일테니 그야말로 순식간에 빛은 오른쪽 거울에서 왼쪽 거울로 갈 겁니다. 그래서 사실은 빛이 수없이 왔다갔다 한 것을 다 챙겨서 시간을 재야하는데 그러면 설명이 너무 복잡해지므로 그냥 오른쪽 거울에서 왼쪽 거울로 빛이 가는데 걸린 시간만을 고려하기로 합니다. 그림에서 빨간색 원으로 그려진 것이 빛의 광자이고요, 빨간색 점선이 광자가 이동한 궤적입니다. 우주선에 타고 있는 철수는 시계 바로 옆에 서 있습니다. 그래서 오른쪽 거울에서 광자가 출발하고 시간 t1이 흐른 후에 왼쪽 거울에 도착하는 광자의 궤적이 그냥 똑바로 가는 직선으로 보일 겁니다. 광자는 통로 간의 간격 s1을 이동했을 뿐이죠. 광자의 이동속도는 곧 광속이므로 광속=s1/t1이 됩니다. 반면, 두번 째 그림에서는 우주선이 이동한 거리를 좀 과장되게 그렸는데 우주선 밖에서 눈물을 훔치고 있던 영희가 보기에는 광자가 오른쪽 거울에서 왼쪽 거울로 이동하는 시간 동안 우주선 자체도 왼쪽에서 오른쪽으로 움직인 것을 보게 됩니다. 이 경우 광자는 철수가 본 것과는 달리 s2의 궤적을 따라 사선으로 이동하는 것으로 영희에게는 보입니다. 이 때 광자가 이동한 거리를 s2, 걸린 시간을 t2라고 하면 광속=s2/t2가 됩니다. 여기서 특수 상대성 이론을 가져오면, 광속은 어디서나 일정하다고 했으므로 광속=s1/t1=s2/t2가 되어야 합니다. 그런데, s2는 사선이므로 분명히 s1보다는 큰 숫자겠죠(피타고라스 정리 생각하면 분명하죠.). 분자가 큰데 숫자가 같아지려면 분모도 커져야 하므로 t2도 t1보다 커져야 합니다. 결론은 t2>t1 이죠. 즉 철수가 느끼는 시간 t1이 영희가 느끼는 시간 t2보다 짧다. 영희는 헤어짐의 슬픔보다는 철수가 자신보다 더 젊어진다는데 기분이 상해서 눈물을 흘리는 걸까요. ㅎㅎ 이해가 되셨는지요? 유튜브나 블로그 같은데 찾아보면 더 자세한 그림과 설명이 있을테니 참조하셔도 좋겠습니다. 아울러, 빛의 속도로 날아가는 우주선에 타고 있으면 시간이 아예 안흐를까 하는 질문에도 답을 할 수 있게 되는 것 같아요. 광속=s1/t1=s2/t2에서 s2가 어마어마하게 커진다는 이야기죠. 광속으로 날아가고 있으니까요. 그런데 s1은 최대 5미터 밖에 안되는 짧은 거리죠. s1/t1이 큰 숫자가 되려면 t1이 거의 무한소에 가까울 정도로 작아져야 합니다. 그래서 t1은 0이 되는 거 아닐까요. ㅎㅎ그런데 이게 제가 어디서 확인한 내용은 아니라서 걸러서 읽으시기 바랍니다.

@밥심 와 - 완벽하게 이해가 되는 그림과 설명입니다. ^^ 그림 실력도 수준급이세요. ^^ 빨간색 광자가 귀엽고 예쁩니다. 저 우주선 안에 타고 있으면.. 동안을 유지할 수 있는 비결이 되려나요? ㅎㅎ @stella15

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스텔라님께서 동안 유지의 비법을 공유하라고 하신 말씀 때문에 스텔라님께도 @를 넣었어요. ㅎㅎ 그림 속 우주선을 타고 싶어요.

아, 그런건가요? 제가 좀 늦습니다. 죄송합니다. ㅠ 제가 지우는 게 좋겠네요. ㅎ

아이들 수준의 그림 실력을 타박하지 않으시고 격려해주셔서 감사합니다.

우와... 이해가... 되었습니다... 직관적으로는 이해할 수 없는 것이, 논리적으로는 이해가 되네요... 근데 왜 슬퍼질까요? ㅠㅠ

직관적으로 이해가 안 되는 최고 분야는 바로 양자역학이죠. 상대성이론은 양자역학에 비하면 양반인 것 같아요. 이해하려고 무지 애써도 이해될까 말까 하는 것들을 처음 생각해낸 사람들 때문에 약간의 서글픔을 느끼는 걸까요...

영희와 철수 이야기에서 .. 영희에 감정이 이입되셔서 슬퍼지신 거 아닐까 생각했어요. ^^

우와! 빙고!!! 사실 이런 데 슬퍼진다고 하기가 쫌 부끄러워서 가만 있었는데 들켰네요^^; 제가 대문자 F거든요 ㅋㅋㅋㅋㅠ

대문자 F 는 “사랑” 입니다 ^^

전 너무 T스러운 상상을 했네요. ㅠㅠ

우와! 요런 식의 사고실험이라는 건 언제나 너무 어렵고 막연하게만 느껴져서 뭔 채널을 봐도 종국에는 그냥 멍-해지기만 하는 저의 한계를 느꼈었는데요, 밥심님의 사고실험은 찰떡같이 머리 속에 들어오네요. 재미있게 읽다보니 어느새 결론이 나와 있어요! 감탄했습니다. 앞으로도 궁금한 게 생기면 밥심님의 이면지 꿀잼 특강을 종종 신청해도 될까요.

제가 아는 내용이라면 기꺼이 설명드리겠으나 그런 부분이 얼마나 있을지는 모르겠네요. 보통 빨리 날아가는 우주선에서 시간이 늦게 가는 이유에 대해 궁금해하시는 분들은 중력이 세면 왜 시간이 빨리 가는가? 또는 인공위성이 안 떨어지고 계속 도는 진짜 이유가 잘 이해가 안 된다, 또는 라디오 주파수가 인간의 가청 주파수보다 훨씬 큰데 어떻게 라디오에서 음악을 듣는가 같은 문제들도 세트로 궁금해하시는데 향팔 님도 궁금하시면 말씀하세요. 나중에 또 시간 나면 설명드리겠습니다. 그리고, 지금 하시는 물리 공부로 대략 세상을 구성하는 물질들이 돌아가는 원리에 대해 흥미가 생기고 나면 이런 물리를 이용한 기계와 도구들은 어떻게 만들어졌는지를 공부하면 세상을 바라보는 시야가 훨씬 커질 겁니다. 그럴 때는 아래 책을 참고하면 좋아요. 아이들도 많이 읽고, 그림으로 설명한다고 쉽다고 생각하고 읽다가 포기하는 분들도 많은데, 사실 물리 원리를 제대로 알고 있어야 이해하기 쉽습니다. 그럼, 다시 과학 공부 파이팅 하세요! 아 참, 사진은 오늘 제가 직접 찍은 반가우면서도 반갑지 않은 새포아풀입니다. ㅎㅎ

이 사진 너무 멋있습니다. 마음에 쏙 들어요 ^^

오! 안그래도 지난번에 중력이 강하면 왜 시간이 느리게 가는지에 관해서도 옆방에 같이 질문 남겼었거든요. 그러면서 나름 머리를 굴린 끝에 이렇게 생각했답니다. 제 단순한 머리통 속에서 의식의 흐름이 어떻게 돌아갔는지 보세요. ‘아인슈타인에 따르면 중력은 시공간을 휘게 만든다고 했겠다? 중력이 강하면 그만큼 시공간이 많이 휠 테니까 시간이 느리게 가나보다! (휘어지면 돌아가야 하니까 느리게 가지~) 반대로 중력이 약하면 시공간이 그만큼 덜 휠 테니까 시간이 빠르게 가는갑다! (똑바로 쭉 가면 되니까 빠르게 가지~)’ 하하하! 생각하는 수준이 참 노답이죠. 이토록 어리석은 중생이 @밥심 님의 이면지 특강을 1회 더 신청해봅니다.

답을 이미 알고 계시네요. 이제 상대성 이론에 대해서는 어디 가셔서 방귀 좀 뀐다고 할 수 있는 수준이 되신 듯. ㅎㅎ 문제는 일반 상대성 이론에서 중력은 힘이 아니라 휘어진 시공간의 곡률을 따라 물체가 자연스럽게 이동하는 현상이라고 주장했는데 이게 뭔 개소리여? 하는 반응이 먼저 나오죠. 상대성 이론은 사고실험도 가능하고 진짜 실험으로 입증도 해서 사실이라고 인정할 수 밖에 없지만 직관적으로는 잘 이해가 안 됩니다. 제 생각엔 우리 같은 일반인들은 그냥 인정하고 넘어가면 될 것 같아요. 전공자도 아닌데요 뭐. ㅎㅎ

아!? 그럼 저 생각이 대강 말이 되는 건가요. 하하 밥심님 덕분에 제게도 이제 과알못 탈출의 빛이 한 줄기 비치는 건가요. “일반 상대성 이론에서 중력은 힘이 아니라 휘어진 시공간의 곡률을 따라 물체가 자연스럽게 이동하는 현상이라고 주장했는데” > 밥심님의 글을 읽고 한번 상상해봤어요. 시공간 위에 중력이라고 하는 무엇인가가 떡-하니 올라가 있으면 그 자리는 그거 땜시 움푹 들어가 휘어질 것이고, 그 움푹 들어간 곳으로 물체는 떼구르르 굴러 들어간다!” 뭐 이런 식으로요 ㅎㅎ

바로 그런 식이죠. 개미귀신이 파놓은 구덩이에 빠지면 오목한 곳으로 스르르 계속 미끄러져가는 그런 구조랄까요? 그런데, 시간이면 시간이고 공간이면 공간이지 시공간의 곡률은 도대체 뭔가? 이런 생각을 하기 시작하면 머리가 아파지면서 내가 물리학을 전공하지 않은 것에 대해 감사하게 되죠. ㅎㅎ

아 그러네요. 시공간이라는 걸 한꺼번에 생각한다면 과연 그게 무얼까 상상해 보려니까 이제부턴 상상 자체가 안돼요…