과학적 망상 : 특수 상대성 이론에 대해

 제 개인적인 과학적 망상을 기록하기 위해 이 글을 작성합니다. 위에서 보이듯이 네이버 어학사전에 망상이라고 치면 "주관적이고 근거가 없는" 혹은 "이치에 맞지 아니한 생각"이라고 나옵니다. 네. 여기서 후술 할 내용은 망상에 가까운 제 과학 가설들입니다.

 

 물리학은 좋아하지 않지만 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론은 신기해서 관심이 많았고, 잠자기 전이나 샤워할 때 등 특별히 할 게 없을 때 이에 대해 마구마구 망상을 하곤 했습니다. 예를 들자면 질량이 공간을 왜곡시키는 근본적인 원인을 때려 맞춰 본다든가 말이죠.(결국 맞추진 못했습니다만...)

 

또한 치밀한 계산을 통해서가 아닌 개념적인 면에서 망상을 많이 하므로 실제론 과학적 망상이 아닌 철학적 망상이 더 맞는 표현이겠네요.

 

그동안 많은 망상들이 있었고 그들 중 대부분이 시간에 지남에 따라 해결되거나 잊히곤 했습니다.

이 글에 남길 과학적(철학적에 더 가깝지만) 망상은 제가 현재진행형으로 하고 있는 망상입니다.

 

이렇게 적으면 뭔가 대단한 망상일 것 같지만 사실 단순한 망상입니다 : 빛보다 빠른 물체를 만들 수 있다.

라는 망상입니다.

 

??? 이게 뭔 헛소리...

 

라고 하실 수 있습니다. 일단 어쩌다 이 이기적인 가설을 세우게 됐는지 알아봅시다.

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일단 속도는 상대적이라는 특징에 집중해야 합니다. 상대적이라는 뜻은 기준을 뭐에 두냐에 따라 그 물체의 속도를 다르게 정의할 수 있다는 것입니다.

그러니까 누군가에겐 정지한 물체가 누군가에게는 1m/s, 또 다른 누군가에게는 10km/s, 또 다른 누군가에게는 10000km/s가 될 수 있습니다.

 

반대로 움직이는 그 물체가 스스로의 관점으로 봤을 땐 자신은 정지한 것과 차이가 없습니다. 왜냐하면 속도는 상대적인 것이니까요. 절대적 기준이 없고, 단순히 두 물체 간의 상대적 속도의 크기만 존재할 뿐입니다.

따라서 만약 어떤 사람을 밖이 보이지 않는 밀폐된 공간에 가둬놓고 그에게 현재 속도의 크기를 물어본다면 대답할 수 없습니다. 기준을 뭐에 두냐에 따라 값이 달라지니까요. 반대로 비교할 대상이 없어지면 속도의 값을 정의할 수 없게 됩니다.

 

 

"하지만 어떤 물체든 빛의 속도에 도달하도록 만들 순 없어요. 무한한 에너지가 필요한걸요?"

맞습니다. 하지만 반대로 빛의 속도에 가깝게 만들 순 있습니다. 즉, 다음 그림과 같은 상황은 충분히 만들어 낼 수 있습니다.

 

이 그림은 우주에서, B행성의 사람들은 자신들의 시야를 가리는 A행성과 C행성이 마음에 들지 않았습니다. 결국 그들은 하면 안 되는 행동을 했습니다 : 자신들을 기준으로 A행성을 c/2의 속력으로 밀어냈고, C행성을 c/2의 속력으로 A와 반대 방향으로 밀어낸 것입니다!

B행성의 사람은 A행성과 C행성이 각각 -c/2, +c/2의 속도를 갖는다고 인식합니다.(오른쪽 방향을 +라 가정했을 때)

 

그런데 놀랍게도 A행성에도 사람이 존재했습니다...! A행성에 존재하는 사람 역시 B행성을+c/2 속도로 멀어진다고 인식합니다. 하지만 C행성은... 어? 무려 +방향으로 c의 속력을 가지게 되었습니다!

 

 

이와 같은 원리라면 다음과 같은 경우엔 어떻게 될까요...

 B행성의 사람들이 좀 더 세게 밀어야 하겠지만... 이런 경우를 생각해 보면

A행성의 사람들의 기준에선 B행성은 2/3c만큼, C행성이 무려 4/3c만큼 +방향으로 날아가고 있다고 관측하게 됩니다.

 

사실 여기서 더 나아가 "그럼 빛보다 빠른 물체는 어떻게 되는 거지? 시간이 거꾸로 흐르는 건가?"라는 생각이 들 수 있습니다.

 

여기서 저는 놀랍게도 또 다른 망상을 해냅니다 : 속력의 크기와 시간의 흐름은 관계가 없다.

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만약 여러분이 블랙홀 주변을 공전하는 우주선을 탔다면, 그 우주선의 시간은 느리게 갑니다. 네 이건 확실합니다. 빛이 중력의 영향을 받아 휘는 것도 빛이 중력을 좋아해서 그런 것이 아니라 질량이 있는 물체가 주변공간을 왜곡시켜서 발생하는 현상이기 때문입니다.

 

시간과 공간은 떼려야 뗄 수 없는 사이입니다. 공간이 왜곡됨에 따라 시간에도 영향이 간다는 것은 충분히 근거가 있는 내용입니다. 실제로 블랙홀이 공간을 왜곡시키니까요.

 

그런데 사람이 중력과 똑같이 느끼는 것이 하나 더 있습니다. 바로 관성입니다.

 

우주에서 어떤 사람을 아까와 같이 밖이 보이지 않는 밀폐된 철로 만든 박스에 가둬놓습니다. 그리고 그 박스를 우주선으로 끌고 우주선이 가속한다면(=박스를 가속시킨다면), 우주선이 가속하는 방향과 반대로 사람은 관성을 느끼게 될 것입니다.

그런데 이것과 별개로 철로 만든 박스를 어떤 중력이 강한 행성에 가만히 내버려 둔다면 똑같이 중력을 느끼게 됩니다. 

 

그리고 이 두힘(관성과 중력)중 어떤 힘인지 박스 안 사람에게 물어본다면 구별할 수 없을 것입니다.

 

즉, 어쩌면 가속은 공간을 왜곡시키는 것이라고 유추할 수 있습니다. 중력이 공간을 왜곡시키는 것이었으니까요.

그리고 관성과 중력에 의해 느끼는 힘은 왜곡된 공간에 의해 가해지는; 사실 똑같은 힘이라고 망상할 수 있습니다. 마치 탄성이 높은 고무줄처럼 관성과 중력이 가해질 때는 공간이라는 고무줄이 늘어났다가 관성과 중력이 사라지면 원상태로 돌아오는 거죠.

그런데 속도와 가속도에 의한 관성은 분명히 다른 것입니다. 관성은 힘에 의해 발생되며 힘이 사라지면 관성도 사라집니다.

 

결국 제가 말하고 싶었던 것은 단순히 속력이 높으면 그 물체의 시간이 느리게 흘러가는 것이 아니라 힘이 가해지는 순간(=공간이 왜곡되는 순간)에만 시간이 느리게 흘러간다는 것입니다. 그 힘이 관성에 의한 힘이든, 중력이든 말이죠.(둘이 같은 힘이므로 사실 더 이상 구별할 필요가 없네요) 즉, 어떤 사람이 10m/s로 달리든, 10km/s로 달리든 0.9c로 달리든, 30000c로 날아가든(누군가 강하게 밀었나 보죠... 스스로 빛의 속도에 도달할 순 없으니까요) 시간은 똑같이 흐른다는 겁니다. 애초에 속력이라는 것은 절대적인 기준이 없고 상대적인 값만 존재할 뿐인데 그 상대적인 값으로 시간이 느려진다라고 말할 수 있을까요?

 

"속도가 빠른 물체들이 다 같이 시간이 느려진다고 생각하면 되는 거 아닌가요?"

 

보통 매우 빠르게 날아가는 우주선과 정지한 행성에서 그것을 관찰하는 것으로 시간의 팽창을 설명하곤 합니다.

그러나 저의 경우 우주선과 행성이 아닌, 행성과 행성으로 상상을 해보겠습니다. 

• A행성에서 B의 행성의 사람을 바라보면 시간이 느리게 흘러가는 것처럼 보였다.

• B행성의 사람 역시 A행성의 사람을 관측했더니 시간이 느리게 흘러가는 것처럼 보였다.

"??? 뭔가 좀 이상한데? 서로 바라봤을 때 상대편의 시간이 느리게 흘러가는 것처럼 보였으면 누구 시점이 맞는 거지?"

애초에 "속도가 빠른 물체 전부가"라는 말은 틀린 말입니다. 아까도 말했지만 단순히 속도가 빠르다는 말은 존재하지 않습니다. 어떤 물체에 비해 상대적으로 속도가 빠르다 만 존재할 수 있습니다. 위 그림은 이점을 잘 보여주는 그림입니다.

 

저는 이 난제에 대해 스스로를 설득하지 못했고 결국 다음과 같이 망상에 가까운 가설을 세운 것입니다 : 속력의 크기와 시간의 흐름은 관계가 없다.

 

설명을 가속도 -> 속도 순서로 했지만 실제 저의 사고 과정은 '속도의 상대성에 의한 시간팽창의 모순(위 그림)' -> '중력은 시간을 팽창시킨다' -> '중력과 관성에 의한 힘은 사실 똑같은 힘이다.' -> '속도가 아닌 관성에 의한 힘이 시간팽창을 일으키는 요인이다!' 식의 과정으로 이루어졌습니다.

 

즉, 우주를 탐험하고 돌아온 우주선이 최종적으로 흐른 시간이 지구에 비해 더 적었던 건 사실 빠르게 일정한 속력으로 날아가는 동안 시간이 느리게 흘러갔던 것이 아니라 관성을 느낄 때만(우주선이 이륙할 때, 착륙할 때, 우주에서 방향을 바꾸거나 자잘한 가속 등 관성을 느끼는 모든 경우) 시간이 중력과 관성이 0일 때에 비해 느리게 흘렀고 정작 목표 속력에 도달했을 땐 시간은 지구인들과 똑같이 흘렀던 것입니다.(물론 우주선이 우주에 가만히 있으면 중력과 관성에 의한 힘이 0이기 때문에 지구 중력 때문에 오히려 지구인들의 시간이 더 느리게 흘러갑니다.)

 

결과적으론 우주선이 출발할 때와 착륙할 때 등 각종 가속할 때만 시간이 느리게 흘러갔지만, 이를 직접 확인할 수 있는 방법이 없으므로(움직이는 물체를 탄 사람은 시간 흐름의 변화를 느끼지 못하니까요), 마치 단순히 속력이 빠른 물체는 시간이 느리게 흘러간다고 지금껏 결론을 내렸을 뿐이고요.(거의 음모론자에 가깝네요)

 

하지만 이 망상에 가까운 가설을 증명하기 위해선 먼저 아인슈타인의 광자시계를 어떻게든 부정해야 합니다...

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우선, 저는 아인슈타인을 매우 존경한다는 것을 말씀드립니다.

 

광자시계는 실존하지 않는다고 가설을 세웠습니다. 광자시계의 개념은 이렇습니다 : 거리를 두고 마주 보는 반사율 100%인 거울 사이를 광자 하나가 오가는 것

 

빛은 기본적으로 파동 혹은 입자의 성질을 뜁니다. 

만약 파동의 특징을 이용하는 시계라면 다음과 같은 상황이 벌어집니다.

우주선 안의 사람은 광자시계가 정상적으로 작동합니다. 네. 눈이 아플 지경이군요.

 

하지만 우주선 밖이라면 결과가 달라집니다. 우주선 밖 사람이 보기엔 우주선과 별개로 빛은 잔상이 남듯이 그 자리에서 한번 반사됩니다. 우주선의 움직임이 파동의 빛을 왼쪽으로 이동시키진 않으니까요.(우주선이 빛을 끌고가지 않으니까요) 빛 입장에선 반사되고 보니 이미 우주선은 왼쪽으로 이동하여 빛은 거울을 만나지 못합니다. 반사율 100퍼센트의 거울이 의미가 사라졌습니다. 참고로 그림에선 약간 왼쪽으로 나가도록 그렸는데 사실 우주선 수직 위로 나갑니다. 

 

반대로 입자의 특징을 이용하는 경우를 생각해 보겠습니다. 이에 관해선 좀 찾아보니 뭔가 그럴듯한 글을 찾아냈습니다...

https://blog.naver.com/gt7461/222117578881

아인슈타인의 광자시계 사고실험은 관측이 전제되지 않았다

 

어떤 분의 글인진 잘 모르겠으나 이분의 의지를 이어받아 제 망상을 이어 붙이자면, 광자시계 속 빛 알갱이는 단순히 입자상태의 빛이 아니라 광원이어야 합니다. 우리가 관측할 수 있어야 하니까요.(위 블로그의 내용이기도 합니다) (파동은 반사되어 나오는 빛이 있으므로 일단 관측할 순 있습니다.) 광원이면 결국 빛이라는 파동을 내뿜는 물체를 뜻합니다. 확실히 물체라면 우주선이 함께 왼쪽으로 끌고 갈 수 있겠군요. 또, 광원에서 나오는 빛을 실험자가 직접 목격할 수 있습니다! 하지만 광자시계에 광자가 아닌 빛나는 어떤 물체를 넣는 게 되어버립니다. 네. 더 이상 광자시계가 아니네요.

 

따라서 저의 주제파악을 하지 못한 망상은 위대하신 아인슈타인의 광자시계의 존재를 부정했습니다.

기왕 시작한 거 한술 더 뜨자면 빛은 신비로운 존재입니다. 이것으로 시계를 만드는 것 자체가 어떤 결과를 불러일으킬지 아무도 모릅니다. 

 

그래서 제 망상이 내린 결론은

1. 속력(속도)과 시간 팽창은 관계가 없다.
2. 관성과 중력이 공간 왜곡을 일으키며, 공간 왜곡이 시간팽창을 일으키는 원인이다.
3. 내가 스스로 빛보다 빠른 물체를 만들 순 없으나 다른 물체를 기준으로 빛보다 빠른 물체를 만들 수 있다.

음... 일단 가설이긴 하지만 이름을 지어줘야 하긴 하겠죠...(?)

1번 가설은 속도-시간 무관 가설

2번 가설은 관성과 중력의 본질은 같다는 가설이므로 관성-중력 동질 가설

즉, 관성은 공간이 왜곡됨으로 인해 물체가 받는 힘을 의미합니다.

3번 가설은 이론상 무한한 속력의 물체를 만들어 낼 수 있으므로(C행성에서 B'행성과 C'행성을 각각 또 밀어내고, C'행성에서 또 B''행성과 C''행성을 밀어내고... 를 무한 반복하면 A행성 기준으로 가장 오른쪽 끝에 있는 행성은 무한한 속력을 만들어 낼 수 있음) 무한속력물체 가설

이라고 이름 짓겠습니다. 과정이 생각보다 오글거리네요. 가설 이름은 잊으셔도 될 것 같습니다.

 

+++추가

빛보다 빠른 물체를 관측할 수 있을까요?

https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/497737.html

“빛보다 빠른 물질 있다” 아인슈타인 이론 뒤엎나

해당 기사에선 실험할 때 일정 거리를 두고 속도를 측정했습니다. 이런 식으로 하면 빛보다 빠른 물체를 충분히 관측할 수 있습니다. 사실 그냥 무한대에 가까운 물체도 관측할 수 있다고 할 수 있습니다. 그러나 저는 다음과 같은 상황을 가정하고 싶습니다. 

아까 제가 상상한 상황과 유사합니다. B행성 사람들이 A행성과 C행성이 싫어서 강한 힘으로 A행성과 C행성, 그리고 A행성의 짝꿍인 "매우 강한 광원"을 A행성과 같은 방향으로 밀어버렸습니다.

 

그리고 A행성에 갑자기 또 다른 인류가 탄생했습니다(?). 엄청나군요.

 

그림과 같은 상황에서 A행성에 거주하는 사람들에게 물어봅시다 : C행성을 아세요?

하지만 A행성 사람들은 다음과 같이 대답할 것입니다 : C행성이 뭐예요?

 

왜냐하면 A행성은 C행성을 관측할 수 없기 때문입니다.

 

우리가 물체를 관측하는 기본적인 원리는 광원에서 나온 빛이 물체에 반사되어 일부 파장은 흡수되고, 특정 파장만 반사되어 눈으로 들어오며, 눈으로 들어온 특정 파장은 곧 색깔로 인식하게 됩니다.

 

하지만 위 그림의 경우 A행성의 기준으론 C행성이 빛보다 빠르므로, A행성 옆에 있는 "매우 강한 광원"에서 나온 빛이 영원히 C행성에 도달하지 못합니다. A행성에서 광원의 빛을 측정하면 c로 나오지만 C행성의 속력은 현재 4/3c니까요.

 

그렇다면 C행성 바로 옆에 광원이 있다면 A 행성에서 볼 수 있을까요? 결론부터 말하면 그럼에도 불구하고 볼 수 없습니다.

 사실 광원의 위치는 상관이 없습니다. A행성에서 관측했을 때 어떤 광원이든 자신들을 기준으로 빛은 c의 속도를 가지고 있을 것이고, C행성의 속도는 +4/3c이기 때문에 영원이 도달하지 못합니다.

 

그럼 C행성에선 A행성 옆의 "매우 강한 광원"을 볼 수 있을까요?

네. 놀랍게도 가능합니다. C행성의 사람들 기준으론 자신들이 정지해 있고, "매우 강한 광원"에서 나오는 빛은 C행성 자신들을 기준으로 c의 속력으로 달려오기 때문에 C행성 사람들의 눈 속으로 들어올 수 있습니다! 

 

"광원은 4/3c의 속력으로 C행성으로 멀어지고 있잖아요? 빛의 속도는 c인데 어떻게 도달해요?"

왜냐하면 광원에서 빛이 나올 때 빛은 마치 잔상처럼 그 빛의 출발위치를 시작점으로, 관측자들의 기준으로 c의 속력을 가지기 때문입니다. 광원의 움직임이 광원에서 나온 빛의 속력에 영향을 주지 않습니다. 광원이 빛의 꼬리를 끌고 가지 않는다는 것입니다. 굳이 비유하자면 카트라이더에서 길에 바나나껍질을 버리듯이 빛을 뿌리고 간다고 할 수 있겠네요. 물론, 바나나가 아니라 빛이지만요.

 

A행성의 사람들은 "매우 강한 광원"을 통해 C행성을 관측할 수 없지만 정작 C행성의 사람들은 "매우 강한 광원"을 직접 볼  수 있다는 것이 신기하지 않나요?( = A행성의 사람들의 기준으론 "매우 강한 광원"에서 나온 빛이 C행성에 도달하지 못하지만 정작 C행성의 사람들은 "매우 강한 광원"에서 나온 빛이 자신들에게 도달한 것으로 보이는 것이 신기하지 않나요?) 

 

이 망상에 따르면 만약 속력에 따라 시간이 느리게 흘러가고 c에 가까워질수록 점점 멈추는데 c보다 빠른 물체는 언뜻 시간이 거꾸로 흐른다고 생각할 수도 있습니다. 하지만 애초에 '관측되지 않은 물체'는 관측자 기준에선 존재하지 않는 것이 되므로 시간이라는 개념을 정의할 필요가 없어집니다. 존재하지 않는 물체에 대해 시간을 정의하는 것이 말이 안 되기 때문이죠.

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여기까지가 제 망상이었습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사드립니다. 반박 시 여러분의 말이 맞습니다.

 

이제, 알고리즘 문제로 제 뇌를 정상화하러 가겠습니다.

혹시 모르죠... 알고리즘 속에 답이 있을지...