6월 18일 장회익 자연철학 강의 발제문 입니다.
작성자
조윤숙
작성일
2020-06-18 12:13
조회
2740
안녕하세요?
장회익의 자연철학 강의 듣는 조윤숙입니다.
오늘 강의 발제문 보내드립니다.
제가 참여하지 못한 앞선 강의들을 챙겨 듣지 못해 오늘 수업할 내용들을 제대로 이해하지 못했습니다.
예전에 들었던 뉴턴에 대한 강의 내용들을 떠올리며 코끼리 코 만지듯이 살짝 이해한부분만 써 보았습니다.
부실한 발제문을 보내드려 대단히 죄송합니다.
읽어보시고 수정이 필요하면 연락주시면 감사하겠습니다.
제 발제문의 미흡한 부분들이 오늘 강의에서 자세하게 논의하기를 바래봅니다.
훌륭한 강의 들을수 있게 늘 애써주셔서 진심으로 감사드립니다.
오늘 밤에 뵙겠습니다.꾸벅
-조윤숙 드림
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지난 목요일 발제, 정말 고마운 마음으로 잘 들었습니다. 발제문도 훌륭했고 또 그 설명하시는 방식이 무척 쉽고 명쾌해서 좋았습니다. 결국 시간을 잰다는 것이 무엇인가 하는 가장 근본적인 문제를 잘 짚어 주셨습니다.
중력에 따른 시간 느려짐(시간지연)은 매우 현실적인 현상이고 GPS나 기타 군사적인 목적으로도 심각한 사안입니다. 멈춰 있는 사람과 움직이는 사람의 시간이 제각기라는 상대성이론의 주장은 직관적으로 받아들이기가 무척 어렵습니다. 그에 비해 중력 때문에 시간의 흐름이 달라진다는 것은 그러려니 하고 의외로 수긍하기가 더 쉬운 게 아닌가 싶습니다.
움직이는 사람과 멈춰 있는 사람의 시간이 다르다는 것은 1905년 아인슈타인의 특수상대성이론에서 등장했습니다. 온라인 세미나에서는 상대속도가 결국 (거리 / 시간)이기 때문에 2차원 그래프에서는 사다리의 기울기로 생각할 수 있다는 점이 다시 강조되었습니다. 문제는 그 기울기(즉 상대속도)를 재는 방식에서 "분모의 시간"을 어떻게 선택할 것인가 하는 것입니다.
우주 어디에나 시간이 똑같다고 한다면 사다리의 기울기는 바닥(그 똑같은 시간)을 기준으로 재야 합니다. 그러나 만일 움직이는 사람과 멈춰 있는 사람의 시간이 다르고 어느 쪽이 더 진짜인가 주장할 수 없다는 것을 받아들인다면, 이제 상대속도 자체가 근본적으로 다르게 나타납니다. 당혹스럽게도 그것이 실험으로 확인되었습니다.
뚱냥님이 발제해 주신 것은 그 다음 단계였습니다. 1916년 이후 중력까지를 포괄하는 일반상대성이론을 발표하기 전부터, 아인슈타인은 중력을 이론 속에 포함시키려 무진장 애를 썼습니다. 여러 차례 실패한 논문들을 발표했습니다. 그 중에서 나중까지 살아남은 것이 바로 중력이 있을 때 위치에 따라 시간이 달라진다는 주장이었습니다. 이것이 바로 "중력 시간 느려짐"입니다.
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그런데 더 엄격하게 말하자면 이미 그 전부터 시간의 흐름이 그렇게 달라질 수 있다는 것을 알아챈 사람들이 있었습니다. 대표적으로 <장회익의 자연철학 강의>에도 여러 차례 등장하는 네덜란드의 물리학자 헨드릭 안톤 로렌츠는 이미 1892년 무렵부터 이와 관련된 생각을 논문으로 꾸준히 발표했습니다. 아인슈타인과는 비교가 안 될 만큼 영향력 있고 존경받는 물리학자였기 때문에 로렌츠의 주장도 반향이 컸습니다. 로렌츠는 제2회 노벨물리학상 수상자이기도 합니다. 제1회가 엑스선을 발견한 독일의 실험물리학자 빌헬름 뢴트겐에게 돌아갔던 반면, 제2회에는 놀랍게도 이론물리학자에게 노벨상이 주어졌습니다.
하지만 로렌츠 자신도 이렇게 시간이 위치에 따라 그리고 관찰자의 움직임(속도)에 따라 달라진다는 자신의 이론적 예측을 도무지 받아들일 수 없었습니다.
비슷하게 프랑스의 수학자 앙리 푸앵카레도 당시의 실험적 발견과 여러 가지 상황을 바탕으로 1898년에 "시간의 척도(측정)"라는 제목의 논문을 통해 시간이 상대적일 수 있다는 것을 강하게 설명했습니다. 1905년에 거의 '듣보잡'이었던 스위스 특허청 직원 아인슈타인이 논문을 발표했을 때 당시 유럽의 물리학자나 수학자 집단에서 별로 반응이 없었던 것은 이러한 사정 때문이었습니다. 로렌츠와 푸랭카레가 이미 위치와 운동상태에 따라 다르게 보이는 시간에 대해 상세하게 해명을 해 놓았기 때문입니다.
그러나 로렌츠도 푸앵카레도 그렇게 위치나 운동상태에 따라 달라지는 시간을 진짜 시간이 아니라고 생각했습니다. 진짜 시간은 우주 어디에나 보편적으로 존재하는 것이라 믿었기에, 이것을 감히 부정하고 싶지 않았던 것입니다. 그래서 자신들이 찾아낸 자연스런 결과를 '가짜 시간' 또는 '겉보기 시간'으로 굳이 의미를 축소해서 해석했습니다.
아인슈타인이 로렌츠나 푸앵카레와 달랐던 것은 그렇게 찾아낸 상대적인 시간들이 죄다 진짜 시간이라고 과감하게 주장했다는 점입니다.
아인슈타인이 더 과감했던 것은 그 전의 매우 좁은 이론, 즉 특수상대성이론에서 멈춰 있는 사람과 움직이는 사람 사이에 시간이 다르다는 데에서 멈추지 않은 것에 있습니다. 중력을 이론에 포함시킨 뒤, 이 곳의 시간과 저 곳의 시간도 그 흐름의 빠르기가 달라질 수 있음을 밝혀냈습니다.
중력에 따른 시간의 느려짐이 실험적으로 입증된 것은 1959년의 일입니다. 제가 온라인 세미나에서는 헝가리의 물리학자 외트뵈시의 실험이라고 언급했는데, 잠시 착각했었습니다. 외트뵈시도 중력과 관련된 정교한 실험으로 유명하지만, 중력 시간 느려짐을 실험으로 확인한 것은 캐나다 출신의 미국 물리학자 로버트 파운드와 글렌 레브카였습니다. (파운드-레브카 실험)