[특수 상대성 이론] 빛의 속도는 항상 일정한가? constancy of the speed of light

아인슈타인의 저서
특수상대성이론과 일반상대성이론의 서문(1916년 12월)

RELATIVITY THE SPECIAL AND GENERAL THEORY, ALBERT EINSTEIN

PREFACE

THE present book is intended, as far as pos- sible, to give an exact insight into the theory of Relativity to those readers who, from a general scientific and philosophical point of view, are interested in the theory, but who are not conversant with the mathematical apparatus 1 of theoretical physics.

The work presumes a standard of education corresponding to that of a university matriculation examination, and, despite the shortness of the book, a fair amount of patience and force of will on the part of the reader.

The author has spared himself no pains in his endeavour to present the main ideas in the simplest and most intelligible form, and on the whole, in the sequence and connection in which they actually originated. In the interest of clearness, it appeared to me inevitable that I should repeat myself frequently, without paying the slightest attention to the elegance of the presentation.

I adhered scrupulously to the precept of that brilliant theoretical physicist, L. Boltzmann, according to whom matters of elegance ought to be left to the tailor and to the cobbler. I make no pretence of having withheld from the reader difficulties which are inherent to the subject. On the other hand, I have purposely treated the empirical physical foundations of the theory in a “step-motherly” fashion, so that readers unfamiliar with physics may not feel like the wanderer who was unable to see the forest for trees. May the book bring some one a few happy hours of suggestive thought!

A. EINSTEIN December, 1916

이 책은, 일반적인 과학적, 철학적인 관점에서 상대성 이론에 관심이 있지만 이론 물리학의 수학적 표현에 익숙하지 않은 독자들에게, 가능한 한 상대성 이론에 대한 정확한 통찰력을 주기 위한 것이다.

이 책은 대학 입학시험을 볼 수 있을 교육을 받았을 것이라는 점과, 책의 부족함에도 불구하고 상당한 인내심과 독자의 의지력을 지니고 있다는 것을 가정하고 있다.

나는 가장 단순하고 알기 쉬운 형태로 주요 사상을 제시하기 위한 노력 하였고, 실제로 생겨난 순서와 연관성에 대한 노력을 아끼지 않았다. 명확성을 위해 표현의 우아함에 전혀 신경 쓰지 않고 자주 반복해야 할 수밖에 없다는 점도 밝혀둔다.

나는 훌륭한 이론 물리학자 볼쯔만(L. Boltzmann)의 가르침을 꼼꼼히 지켰다. 볼쯔만의 말에 따르면, 우아함의 문제는 재단사와 재봉사에게 맡겨야 한다. 나는 이 주제가 갖고 있는 (내재된) 어려움을 독자들로부터 모른 체 하지 않는다. 반면, 물리학에 익숙하지 않은 독자들이 숲을 보고 나무를 보지 못하는 방랑자처럼 느껴지지 않도록 이론의 경험적인 물리학 기초를 "새어머니처럼" 의도적으로 다루었다. 이 책이 누군가에게 행복한 몇 시간 동안의 도발적인 생각을 가져다 주기를 바라며!

A. 아인슈타인 1916년 12월

책 서문이 인상적이다. 아인슈타인이 집필한 책을 읽어 보고 싶게 한다.


특수상대성이론

아인슈타인의 특수상대성이론은 빛의 속도는 항상 일정하는 것은 전재로 한다. 왜 빛의 속도는 항상 일정해야 하는지가 궁금해진다.
진공에서의 빛의 속도는 정확히 299,792,458m/s으로 c로 표기한다. 특수 상대성 이론에서는 시간 개념이 변한다.

아인슈타인이 위대한 것은 이처럼 시간의 상대성을 도입했다 것에 있다.

절대적으로 서로 나눠져 있던 시간과 공간이 묶어서 시공간으로 본 것이다.

시간은 공간과 한데 묶여서 행동을 같이 하게 된다.
시간의 성질은 공간과 별다를 것이 없게 된다.

특수상대성이론에서는 시간과 공간의 구분이 없어지며, 시간도 공간처럼 상대적이 된다.
공간상의 거리는 관찰자의 위치나 운동 상태에 따라 달라지는 것처럼 관찰자에 따라 시간도 변한다는 것이 바로 특수상대론의 핵심이다.


시간이 상대적일 수 있을까? 사람마다 시간이 다르다면 세상이 어떻게 돌아가겠는가라는 생각을 시간이 상대적이라는 것을 쉽게 받아들이기 어렵다.

광속 불변 원리

특수상대성이론에 따르면, c는 우주의 모든 에너지, 물질, 정보가 가질 수 있는 속도의 최댓값이다.
아무런 힘도 작용하지 않는 물체는 정지해 있거나 등속 직선 운동을 하는 관성 좌표계에서는 관찰자의 속도와 관계없이 질량이 없는 입자와 전자기장의 파동은 c로 진행한다.

속도는 분자에 공간을, 분모에 시간을 변수로 한다. 따라서 분자에 있는 공간이 상대적이 되면 분모에 있는 시간도 상대적이 되어야 빛의 속도를 일정하게 만들 수 있다고 생각할 수 있다. 시간에 상대성을 부여하지 않으면 빛의 속도는 일정할 수 없게 된다.
이것이 빛의 속도가 일정해야 하는 이유이다.

특수상대성이론에서는 시간지연과 길이수축을 설명한다.
시간 지연이란 움직이고 있는 기준계에서의 시계는 시계는 정지한 관찰자가 측정한 시간은 고유시간보다 천천히 간다 것이다.
길이 역시 기준계에 대해 다르게 측정된다. 길이 수축이란 움직이고 있는 기준계의 관찰자가 측정한 물체의 길이는 고유길이보다 짧다는 것이다. 여기서 고유길이란 고유시간과 같이 그 물체에 대해 정지해 있는 관찰자가 측정한 길이를 말한다.

아인슈타인의 특수 상대성 이론 핵심은 이것뿐이다. 우리가 살고 있는 세상은 빛의 속도에 비해 무시할 정도로 느리게 움직이고 있어 일상생활에서 시간의 상대성을 경험하기 힘들다.

아인슈타인이 일반상대성원리를 발견한 다음에야 빛이 왜 그 같은 속도로 움직이는지 증명이 됐다.


질량-에너지 등가 원리

E=mc²

그리고, 아인슈타인은 특수상대성이론에서 물체의 운동 방향으로 움직이는 막대는 길이가 줄어들고(길이 수축), 거기에 있는 시계는 느려진다(시간 지연)는 점에서 질량과 에너지가 같은 것이라는 결론을 도출했다. 이것이 질량-에너지 등가원리이다.


빛의 속도도 변한다.

우주 생성 초기에 빛의 속도가 지금보다 빨랐을 것이라며,
영국 런던임페리얼칼리지의 주앙 마궤이조(João Magueijo) 교수와 캐나다 워털루 대학 페리미터(Perimeter) 연구소의 니아예쉬 앞쇼르디(Niayesh Afshordi) 박사 '빛의 속도는 변한다'라고 주장하기도 했다.


책 : 특수상대성이론과 일반상대성이론의 서문(1916년 12월)

RELATIVITY THE SPECIAL AND GENERAL THEORY, ALBERT EINSTEIN

목차

1부 특수 상대성 이론

I. 기하학적인 명제의 물리적 의미.
II. 좌표계
III. 고전 역학의 공간과 시간
IV. 갈릴레오 좌표계
V. 상대성 원리(제한적 의미)
VI. 고전 역학에 채택된 속도 추가의 정리
VII. 빛의 전파 법칙과 상대성 원리의 명백한 양립 불가능성
VIII. 물리학에서 시간의 개념에 대해
IX. 동시성의 상대성
X. 거리 개념의 상대성에 대해
XI. 로렌츠 변환
XII. 로드 및 시계의 움직임 측정
XIII, 속도 추가 정리 피조의 실험
XIV. 상대성 이론의 발견적 가치
XV. 이론의 일반 결과
XVI. 경험과 특수 상대성 이론
XVII. 민코프스키의 4차원 공간

제2부 일반 상대성 이론

XVIII. 특수 및 일반 상대성 원리
XIX. 중력장.
XX. 상대성 일반 가정에 대한 주장으로서의 관성 질량과 중력 질량의 등가성
XXI. 고전 역학의 기초와 특수 상대성 이론의 어떤 점에서 불만족스러운가?
XXII. 상대성 일반 이론에서 몇 가지 추론
XXII. 회전하는 기준체에 대한 시계 및 측정 막대의 동작
XXIV. 유클리드와 비유클리드 연속체
XXV. 가우스 좌표계
XXVI. 유클리드 연속체로 간주되는 특수 상대성 이론의 시공간 연속체
XXVII. 일반 상대성 이론의 시공간 연속체는 유클리드 연속체가 아니라는 점
XXXIII. 상대성 일반원칙의 정확한 공식
XXX. 상대성 원리에 기초한 중력 문제 해결법

제3부 전체 관점에서의 우주에 대한 고려 사항

XXX. 뉴턴 이론의 우주론적인 어려움
XXX. "유한"하지만 "무한" 우주의 가능성
XXXI. 일반 상대성 이론에 따른 공간 구조

부록
I. 로렌츠 변환의 단순한 파생
II. 민코프스키의 4차원 공간("세계") [제146절의 보충물].
III. 일반 상대성 이론의 실험 확인
(a) 수성의 근일점의 운동
(b) 중력장에 의한 빛의 굴절
(c) 적색으로의 스펙트럼 라인 이동
참고 문헌 목록
색인