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쌍둥이 역설 아인슈타인이 특수상대성이론을 발표한 것은 1905년의 일이었다. 일반상대성이론은 1915년에 발표 되었다. 따라서 상대성이론은 이제 100년도 넘은 오래 된 이론이다. 그 동안 상대성이론은 수많은 검증 과정을 거쳤고, 실제로 여러 가지로 실생활에도 응용되고 있다. 그러나 아직도 많은 사람들에게 상대성이론은 쉽게 다가갈 수 없는 이론으로 남아있다. 그것은 상대성이론이 우리의 고정관념이나 상식과 다른 이야기를 하고 있기 때문이다. 상대성이론을 이해하기 위해서는 일상 경험을 통해 알고 있는 고정 관념을 버려야 한다. 상대성이론을 이해하기 위해 버려야 할 생각 중 하나가 시간에 대한 고정 관념이다. 우리는 시간은 우주에서 일어나는 사건들과는 관계없이 과거에서 현재로 그리고 미래로 일정하게 흘러가고 있다고 생각한.. 2010. 10. 30.
아인슈타인 - 특수상대성이론 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564~1642)는 1632년에 「두 체계에 관한 대화」라는 책을 출판했다. 코페르니쿠스의 태양 중심 천문체계와 프톨레마이오스의 지구 중심 천문체계를 비교한 이 책에서 갈릴레이는 밖을 볼 수 없는 갑판 아래의 방에서는 어떤 실험을 하더라도 배가 움직이고 있는지 서 있는지를 알아낼 수 없다고 설명했다. 그것은 서 있는 상태와 같은 속도로 달리는 상태는 물리적으로 동등하다는 것을 뜻한다. 다시 말해 우주 공간에 나만 남고 모든 것이 사라져 버린다면 내가 서 있는지 달리고 있는지 알 수 있는 방법이 없다는 뜻이다. 서 있다거나 달린다는 것은 상대방과의 거리가 어떻게 변하는지를 나타내는 상대적인 개념일 뿐이기 때문이다. 물리 법칙은 물리량 사이의 관계를 나타낸다.. 2010. 10. 30.
아인슈타인 - 일반상대성이론 등속도로 운동하는 관성계를 다룬 특수상대성이론은 모든 관성계에서는 동일한 물리법칙이 성립한다는 상대성 원리와 빛의 속도가 일정하다는 광속 불변의 원리를 바탕으로 하고 있다. 반면에 일반상대성이론은 모든 가속계에서도 같은 물리법칙이 성립한다는 확장된 상대성원리와 중력질량과 관성질량이 동등하다는 등가의 원리를 바탕으로 하고 있는 이론이다. 그 중에서도 중력질량과 관성질량이 동등하다는 등가원리는 일반상대성이론의 핵심이라고 할 수 있다. 갈릴레오 갈릴레이는 피사의 사탑에서 행한 낙하실험을 통해 무거운 물체와 가벼운 물체를 동시에 떨어뜨리면 같은 속도로 떨어진다는 것을 증명했다고 전해진다. 실제로 갈릴레이가 그런 실험을 했는지는 확실하지 않지만 사람들은 이 실험이 과학 발전에 큰 영향을 준 중요한 실험이라고 믿고.. 2010. 10. 30.
만물은 원자 - 원자로 구성된 나 핵전쟁이나 소행성 충돌 등에 의해 인류가 멸망할 위기에 처했다고 상상해 보자. 인류는 혹시라도 살아남을 우리 후손을 위해 가장 중요한 과학 사실 하나를 특수 합금에 새겨 지구 곳곳에 남기기로 했다. 과연 거기에는 어떤 내용을 새겨 넣어야 할까? “세상 만물은 원자로 되어 있다.” 20세기의 위대한 물리학자 파인만의 답이다. 그런데 좀 이상하다. 누군가는 이렇게 반문할지도 모른다. "겨우 원자라고? 웬만한 초등학생도 아는 시시한 내용이 뭐가 그렇게 대단해?" 하지만 과연 우리는 세상이 원자로 되어 있다는 것이 무슨 의미인지 정말 잘 알고 있는 것일까? 세상에는 참 많은 것들이 있다. 사람이나 강아지, 풀, 나무, 혹은 아메바나 독감 바이러스, 바위, 쇠, 물, 공기, 달, 태양, 그리고 우주 저 멀리 있는.. 2010. 10. 30.
상대론과 E=mc^2 특수상대성이론에 의하면 물체의 길이는 이 물체에 대하여 정지해 있는 관성계에서 측정한 값보다 일정한 속도로 달리고 있는 관성계에서 측정한 값이 작다. 다시 말해 물체가 정지해 있을 때보다 달리면 길이가 짧아진다. 이러한 사실을 처음 제안한 사람은 아인슈타인이 아니라 네덜란드의 물리학자 로렌츠(Hendrik Antoon Lorentz, 1853~1928)였다. 1895년 로렌츠는 빛의 속도가 관측자의 상대속도와 관계없이 항상 일정한 값으로 측정된다는 마이컬슨과 몰리의 실험결과를 설명하기 위해 물체가 달리면 달리는 방향으로 길이가 줄어들기 때문이라고 설명했다. 아일랜드의 피츠제랄드(George Francis FitzGerald, 1851~1901)도 같은 주장을 했기 때문에 이것을 로렌츠-피츠제랄드의 수축이.. 2010. 10. 30.
물리량의 양자화 눈에는 연속된 물질처럼 보이는 물과 같이 매끄러운 물질도 원자라는 작은 알갱이로 구성되어 있다는 것을 받아들이는 것은 그리 어렵지 않다. 학교에서 화학과 물리를 공부한 사람은 누구나 별다른 의심을 품지 않고 그렇게 생각한다. 그런데 20세기가 시작되던 1900년에 쉽게 받아들일 수 없는 새로운 사실이 밝혀졌다 에너지, 운동량과 같은 물리량도 연속된 양이 아니라 띄엄띄엄한 값으로만 존재한다는 것이 밝혀진 것이다. 뉴턴역학을 기초로 하는 고전 물리학에서는 에너지, 운동량, 속도와 같은 물리량은 알갱이로 이루어진 물질과는 달리 연속적인 양이라고 생각해왔다. 정지한 물체에 에너지를 가하면 속도가 증가하면서 운동에너지도 증가한다. 이 때 우리는 에너지가 0에서부터 연속적으로 증가할 것이라고 생각한다. 그런데 사실.. 2010. 10. 30.
양자역학에 대하여 2010. 10. 30.
덧차원 - 세상은 몇차원? 달걀을 깨지 않고 노른자만 꺼낼 수 있을까? 글쎄, 세기의 마술사라는 데이비드 카퍼필드라면 혹시 해 낼 수 있을지도 모르겠다. 만약 우리가 4차원 공간에 살고 있다면 이 마술 같은 일을 손쉽게 해치울 수 있다. 인간은 3차원 공간에 사는 생물이라서 4차원이 있다 하더라도 그것을 직접 느낄 수는 없다. 다만 2차원과 3차원 사이의 관계로부터 더 높은 차원을 유추해 볼 수는 있다. 종이에 원을 하나 그려놓고 그 안에 동전을 놓는다. 2차원 평면인 종이 위에서 동전을 움직여 원 밖으로 빼내려면 동전은 반드시 원주를 통과해야만 한다. 그러니까 2차원에서는 동전이 원주를 건드리지 않고 원 밖으로 나갈 수 없다. 그러나 동전을 3차원 방향으로 움직일 수 있으면 얼마든지 원주를 건드리지 않고서 동전을 빼낼 수 있다... 2010. 10. 30.
초전도체 - 공중 부양 20세기가 발견한 가장 신기한 현상 중에 하나가 초전도(superconductivity) 현상이다. 초전도 현상이란 금속의 온도를 0도K(K는 절대온도의 단위로 켈빈Kelvin의 약자. 0도K=영하 273도C) 가까이 내렸을 때 전기저항이 완전히 사라지는 현상이다. 초전도체에서는 전기저항이 전혀 없기 때문에 일단 초전도체로 만든 회로 안에 전류가 흐르기 시작하면 전력 손실이 전혀 생기지 않아 영원히 전류가 흐른다. 실험에 의하면 초전도체 안의 전류의 수명이 적어도 10만 년 이상이다. 이론적으로 계산한 값은 1010000000초로서 우주의 나이(137억년, 4 x 1017초)보다 비교할 수 없을 정도로 길다. 그래서 초전도 케이블로 전자석을 만들면 매우 강한 자기장을 얻을 수 있다. 초전도체 하면 자기부.. 2010. 10. 30.

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