사랑하는 사람과 30분이 싫은 사람과 5분 보다 짧은 이유, 특수상대성이론 (5/27 수)

특수상대성 이론이란 5/27 수

안녕하세요! 아주대학교 총장 박형줍니다. 아인슈타인은 시공간을 다루는 특수상대성이론과 중력을 다루는 일반상대성이론을 제안했죠. 이 둘은 아주 다릅니다. 사랑하는 이성과 함께 있는 30분은 싫은 사람과의 5분보다 짧게 느껴진다는 어느 영화 장면은 특수상대성이론을 설명할 때 쓰이죠. 달리는 기차에서 따라오는 자동차를 보면 느리게 보이고요. 이런 고전적인 상대성에다가, 빛의 속도에 가깝게 빨리 움직이면 상대성의 정도가 적어진다는 이상한 생각을 추가한 게 특수상대성이론입니다. 빛의 속도로 가는 우주선에서 역시 빛의 속도로 반대 방향으로 날아가는 우주선을 보면, 고전적인 상대성으로는 빛의 속도의 두 배로 보여야 하죠. 그런데 특수상대성이론은, 그게 아니고 여전히 빛의 속도로 보인다고 해요. 그러니까 빛의 속도의 몇 배로 나는 우주선 운운하는 소설은 이제 잊읍시다. 그런 건 없어요.

특수상대성이론의 결과물인 E=mc2이라는 유명한 방정식은 길거리 포스터나 티셔츠에도 단골로 등장하죠. 여기서 c가 빛의 속도입니다. m은 질량이고 E는 에너지인데요. 질량이 에너지로 바뀔 수 있다는 뜻을 표현한 이 유명한 방정식에서 원자폭탄이 나왔어요. 질량 100의 원자핵에 큰 충격을 가하면 질량 49짜리 원자핵 두 개로 갈라집니다. 여기서 사라진 질량 2 만큼이 엄청난 에너지로 튀어 나온다는게 핵분열입니다. 이 이론을 실제 원자폭탄으로 구현해서 2차 세계대전의 종식을 가져온 데 미국의 맨해턴 프로 젝트죠. 반면에 수소폭탄은 핵융합을 이용합니다. 질량 50의 가벼운 두 원자핵을 엄청난 고온에 두면 합쳐져서 질량 98의 무거운 원자핵이 되는데, 이때 사라진 질량 2가 무시무시한 에너지로 바뀌어 나온다는 게 핵융합인데요. 이걸 사용한 수소폭탄은 나왔지만, 고온의 플라즈마 상태를 유지하며 담아둘 용기가 없어서 아직 핵융합 발전은 상용화되지 못했습니다. 현재 핵융합 발전 개발을 위한 국제 프로젝트인 ITER가 우리나라도 참여해서 진행되고 있습니다.

특수상대성이론은 수학적으로는 그다지 어려울 게 없어서 고등학교를 마치면 배울 수 있어요. 반면에 중력을 다루는 일반상대성 이론은 상당히 난해한 기하학 이론을 사용합니다.