시간과 공간(제2단락) ㅡ스티븐 호킹

제2단락ㅡ시간과 공간

갈릴레오ㅡ 매끄러운 경사면에서 서로 다른 무게의 공을 굴리기

 

아리스토텔레스는 가벼운 물체보다 무거운 물체가 먼저 낙하한다고 주장했는데,

그 이유는 지구가 무거운 물체를 더 큰 힘으로 끌어당긴다고 생각했기 때문입니다.

 

갈릴레오는 피사의 사탑의 취지와 비슷한 실험을 하게 됩니다.

매끄러운 경사면에서 서로 다른 무게의 공을 굴렸습니다.

무거운 물체를 수직으로 떨어뜨리는 것과 비슷하지만, 공의 속도가 느리기 때문에 관찰이 용이했고,

측정 결과는 떨어지는 모든 물체는 그 무게와 상관없이 같은 비율로 속도가 증가한다는 사실을 입증합니다.

 

만약 납으로 만든 공과 깃털을 수직으로 떨어뜨린다면, 당연히 납공이 빨리 떨어질 것입니다.

그 이유는 깃털의 무게가 가볍기 때문이 아니라 깃털이 받는 공기 저항 때문에 틀리게 나타나는 것입니다.

각기 무게가 다른 납으로 만든 2개의 공을 낙하시킨다면 공들은 같은 속도로 떨어집니다.

 

우주비행사 <데이비드 스콧>은 물체의 운동을 느리게 만드는 공기저항 없는 달에서

깃털과 납 덩어리를 동시에 떨어뜨리는 실험을 합니다. 실험결과 그는 실제로 두 물체가

동시에 달 표면에 떨어진다는 사실을 발견합니다.

 

우주비행사 달에서 깃털과 납 덩어리 동시에 떨어뜨리는 실험

 

어떤 물체의 무게가 두배가 되면 그 물체를 끌어당기는 중력도 두배가 되겠지만,

그 물체의 질량 또한 두배가 되기 때문에 이 두 가지 효과가 정확하게 상쇄되어서

가속도는 항상 같아집니다.

 

자동차의 엔진의 힘이 강할수록 가속도는 커집니다.

그러나 같은 힘의 엔진일 경우에는 자동차가 무거울수록 가속도는 작아집니다. 

 

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1676년 덴마크 천문학자 <올레 크리스텐센 뢰머>에 의해 처음 발견된 것은 빛은 유한하지만

매우 '빠른속도'로 움직일 때에는 '시간 간격이 일정하지 않다'는 사실을 발견합니다.

그 까닭은 지구가 목성에서 멀리 떨어져 있을수록 위성에서 오는 빛이 우리에게 도달하기까지

더 많은 시간이 걸리기 때문이라고 합니다.

 

오늘날 우리는 길이보다 '시간'을 더 정확하게 측정할 수 있기 때문에 '거리를 엄밀하게 측정'하는

데에 이 방법을 사용합니다. 1광초는 빛이 1초 동안 달린 거리로 간단하게 정의됩니다.

 

아인슈타인은 <특수 상대성 이론>과 모순되지 않는 <중력 이론>을 찾으려고 노력했지만 성공하지 못합니다.

그러나 이 이론은 뉴턴의 중력 이론과 모순됩니다.

뉴턴의 이론은 모든 물체가 그들 사이의 거리에 따라서 달라지는 힘으로 서로를 끌어당긴다고 설명합니다.

즉,누군가가 두 물체 중에서 하나를 이동시키면, 다른 하나에 미치는 힘도 동시에 변화를 일으킨다는 것입니다.

 

그는 1915년에 오늘날 우리가 <일반 상대성 이론>이라고 부르는 이론을 제안합니다.

아인슈타인은 <중력>이 다른 힘들과는 달리 <실제로는 힘>이 아니며, 전부터 추측해왔듯이 '시공이 평평하지 

않기 때문에 발생하는 결과'라는 혁명적인 주장을 제기합니다.

 

태양(A)의 질량이 태양 근처의 시공을 일그러뜨린다. 이것은 먼 별(B)에서 출발하여 태양 근처를 지나는 빛을 굴절시켜서, 지구(C)에서는 그 빛이 마치 다른 방향(D)에서 온 것처럼 보이게 한다.

 

 

'시공'은 그 속에 들어 있는 <에너지와 질량의 분포>에 따라서 "구부러지거나"  "휘어져" 있다는 것입니다.

'광선' 또한 '시공' 속에서 '측지선'을 따라서 움직입니다(측지선은 점과 점사이 최단경로).

즉 '공간이 휘어 있다는 사실'은 빛이 더 이상 공간 속을 직진하는 것처럼 보이지 않는다는 것을 뜻합니다.

 

예를 들면, 이 이론은 태양에 가까운 점들의 광원이 '태양의 질량' 때문에 안쪽으로 약간 휠 것이라고 합니다

멀리 떨어진 별에서 출발하여 우연히 '태양 가까운 곳'을 지나게 된 빛이 비록 작은 각도이지만

'굴절'하게 되고, 그로 인해서 그 별이 지구상의 관측자에게는 '다른 위치에 있는 것처럼 보이게 한다'는

것을 뜻합니다.

 

1919년 영국의 탐사대가 서아프리카에서 '일식'을 관찰해서 아인슈타인의 이론의 예측대로

빛이 실제로 '태양에 의해서 굴절된다'는 사실을 증명합니다.

그 이후 수차례 관측을 통해서 '빛의 굴절'은 분명한 사실로 확인됩니다.

 

<일반 상대성 이론>에서의 또 하나의 예측은 시간이 '지구처럼 질량이 큰 물체'의 근처에서는

'느리게 가는 것처럼 보인다'는 것입니다.

그 까닭은 '빛의 에너지'와 그 '진동수'(초당 빛의 파동수)사이에 관계가 있기 때문입니다.

 

급수탑의 꼭대기와 맨 밑에 장치한 2개의 시계ㅡ아래쪽 시계가 더 느리게 간다

 

1962년 급수탑의 꼭대기와 맨 밑에 장치한 매우 정밀한 두 개의 시계가 있습니다.

지구에 더 가까운 아래쪽 시계가 일반 상대성 이론 예측대로 더 느리게 간다는 사실

위쪽 시계는 10시 9분을 가르키고, 아래쪽 시계는 10시 2분 정도를 가리키네요

산꼭대기의 해가 빨리 떨어진다는 의미도 같은 의미 입니다.

 

만약 쌍둥이 한 명은 산 꼭대기에 살고, 다른 한 명은 해변에서 산다고 가정하면,

산 꼭대기에 사는 쌍둥이는 해변에 사는 쌍뚱이에 비해서 더 빨리 나이를 먹을 것이라고 합니다.

두 사람이 다시 만났을 때, 전자가 후자에 비해 더 늙었을 것이라는 뜻과 같습니다.

 

빛이 지구의 중력장 속에서 위로 올라가면, '빛은 에너지'를 잃으며

그에 따라 '진동수'도 낮아집니다.

즉 중력장을 느끼지 못하는 우주에서는 시간을 느끼지 못하게 됩니다. 

 

만약 우주선을 타고 '빛에 가까운 속도'로 오랫동안 여행을 했다면,

나이 차이는 훨씬 더 멀어질 것이라고 합니다.

우주여행에서 돌아온 쪽이 지구에 남아 있던 다른 쌍둥이 보다 더 젊을 것입니다.

 

영화에서 보여준 사실이 정말 사실이었네요.(인터스텔라)

아버지는 그 나이 그대로 있는 것같고 딸은 벌써 할머니가 되어 있었죠.

 

시간과 공간에 대한 이 새로운 이해는 우리의 우주관을 혁명적으로 바꿔놓았습니다.

'영원히 불변인 우주라는 낡은 개념'은

팽창하는 '동역학적인' '우주개념'으로 대체된 것입니다.

 

<스티브호킹>과 <로저 펜로즈>는 <아인슈타인>의 '일반 상대성 이론'이

우주에 분명히 시작이 있으며 끝도 있을 것이라는 사실을 암시한다고 합니다.