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결국 에테르 이론에 기초하여 지구의 절대 운동을 탐지하려는 마이켈슨과 몰리의 계획은 실패했다. 대다수의 과학자들은 여전히 에테르 이론에 기초하여 왜 빛의 속도가 관찰자의 운동과 무관하게 일정한 것처럼 측정되는지를 설명하기 위해 노력했다. 그러나 아인슈타인은 에테르가 없기에 에테르에 대한 관찰자의 운동은 어떠한 방법으로도 탐지될 수 없다고 생각했다. 그는 관찰자의 운동과 무관하게 빛의 속도가 <math>c</math>로 언제나 일정하다는 광속 불변의 원리를 참으로 전제한 후, 관찰자에 따라 시간이 다르게 흐를 수 있다고 주장했다. 나의 1초는 다른 누군가의 1초와 다를 수 있다는 것이다. | 결국 에테르 이론에 기초하여 지구의 절대 운동을 탐지하려는 마이켈슨과 몰리의 계획은 실패했다. 대다수의 과학자들은 여전히 에테르 이론에 기초하여 왜 빛의 속도가 관찰자의 운동과 무관하게 일정한 것처럼 측정되는지를 설명하기 위해 노력했다. 그러나 아인슈타인은 에테르가 없기에 에테르에 대한 관찰자의 운동은 어떠한 방법으로도 탐지될 수 없다고 생각했다. 그는 관찰자의 운동과 무관하게 빛의 속도가 <math>c</math>로 언제나 일정하다는 광속 불변의 원리를 참으로 전제한 후, 관찰자에 따라 시간이 다르게 흐를 수 있다고 주장했다. 나의 1초는 다른 누군가의 1초와 다를 수 있다는 것이다. | ||
== 고전 전자기학의 비대칭성과 에테르 == | |||
[[그림:그림 2. 에테르에 대해 (a) 도선이 고정된 채 자석이 접근하는 경우와 (b) 자석이 고정된 채 도선이 접근하는 경우.png|thumb|그림 2. 에테르에 대해 (a) 도선이 고정된 채 자석이 접근하는 경우와 (b) 자석이 고정된 채 도선이 접근하는 경우]]아인슈타인은 일찍이 고전 전자기학의 비대칭적 성격으로부터 에테르의 필요성을 의심하고 있었다. 고전 전자기학에 따르면, 전기장과 자기장은 에테르라는 매질의 서로 다른 상태들로, 자기장의 변화는 전기장을 낳으며, 전기장은 그곳에 놓인 도선에 전류를 흐르게 만든다. 그래서 그림 2a처럼 에테르에 대해 고정된 도선에 자석을 접근시키면 도선에 전류가 유도되는 것이다. 그런데 고전 전자기학에 따르면, 고정된 자기장 하에서 움직이는 전하는 특정한 방향의 힘을 받아 운동하게 된다. 그래서 그림 2b처럼 에테르에 대해 고정된 자석에 도선을 접근시키면 도선 속 전하들이 힘을 받아 전류가 유도되는 것이다. 결국 고전 전자기학은 그림 2의 두 현상을 서로 다른 에테르의 상태에서 비롯된 별개의 현상처럼 기술한다. 그림 2a에서는 전기장이 존재하는 반면 그림 2b에서는 전기장이 존재하지 않기 때문이다. 그러나 두 현상은 관찰을 통해 구분될 수 없다. 아인슈타인이 보기에, 두 현상은 자석과 도선의 상대적인 운동에 의해 회로에 전류가 유도되는 완벽하게 동일한 현상으로, 둘을 다른 현상처럼 기술하는 것은 에테르라는 고정된 매질을 가정함으로써 발생하는 착각인 것이다. | |||
그렇다면 두 현상은 어떻게 동일한 방식으로 이해될 수 있을까? 아인슈타인에 따르면 자연에 실재하는 것은 전기장이나 자기장이 아니라 전자기장이며, 특정한 상태의 전자기장은 관찰자의 운동에 따라 전기장 성분과 자기장 성분으로 다르게 분해되어 관찰된다. 그래서 자석과 도선의 상대적인 운동에 의해 전류가 유도되는 동일한 현상은 서로 다른 관찰자에게 서로 다른 방식으로 관찰될 뿐이다. 즉 도선에 대해 정지해 있는 관찰자에게는 그림 2a에 대한 고전 전자기학의 기술처럼 전기장 성분이 탐지되고, 자석에 대해 정지해 있는 관찰자에게는 그림 2b에 대한 고전 전자기학의 기술처럼 전기장 성분이 탐지되지 않을 뿐, 전자기장의 측면에서는 동일한 일이 벌어진 것으로 이해될 수 있다는 것이다. 이러한 이해 방식에서는 전기장과 자기장을 관찰자와 무관한 방식으로 기술하기 위해 가정해야 했던 에테르라는 존재는 불필요해진다. | |||
== 연습문제 == | == 연습문제 == | ||
[[파일:상대성 이론과 두 명의 관찰자.png|섬네일|버스 안에는 갑이 타고 있으며, 버스 밖에는 을이 서 있다. 버스의 높이는 갑과 을 모두에게 L로 측정되며, 버스의 길이는 갑에게 2L로 측정되었다. 한편 을이 측정하기에 버스는 오른쪽으로 v의 속도로 운동 중이다(단 v는 0보다 크다). 이제 버스의 중앙 상단(C)에 위치한 광원에서 빛이 사방으로 출발했다고 하자.]] | |||
=== 문제 1 === | |||
[[파일:상대성 이론과 두 명의 관찰자.png|섬네일|버스 안에는 갑이 타고 있으며, 버스 밖에는 을이 서 있다. 버스의 높이는 갑과 을 모두에게 L로 측정되며, 버스의 길이는 갑에게 2L로 측정되었다. 한편 을이 측정하기에 버스는 오른쪽으로 v의 속도로 운동 중이다(단 v는 0보다 크다). 이제 버스의 중앙 상단(C)에 위치한 광원에서 빛이 사방으로 출발했다고 하자. 한편, 어떠한 관찰자에게든 시간은 그 관찰자와의 거리가 고정되어 있는 두 지점을 빛이 왕복한 횟수를 통해 측정된다. 즉 각 관찰자에게 시간은 각자가 가지고 있는 동일한 규격의 빛 왕복 시계를 통해 측정된다고 할 수 있는데, 편의상 시계 속의 빛이 위아래를 1회 왕복하는 시간을 ‘1똑딱’이라고 정의하자.]] | |||
버스 안에는 갑이 타고 있으며, 버스 밖에는 을이 서 있다. 버스의 높이는 갑과 을 모두에게 L로 측정되며, 버스의 길이는 갑에게 2L로 측정되었다. 한편 을이 측정하기에 버스는 오른쪽으로 v의 속도로 운동 중이다(단 v는 0보다 크다). 이제 버스의 중앙 상단(C)에 위치한 광원에서 빛이 사방으로 출발했다고 하자. 한편, 어떠한 관찰자에게든 시간은 그 관찰자와의 거리가 고정되어 있는 두 지점을 빛이 왕복한 횟수를 통해 측정된다. 즉 각 관찰자에게 시간은 각자가 가지고 있는 동일한 규격의 빛 왕복 시계를 통해 측정된다고 할 수 있는데, 편의상 시계 속의 빛이 위아래를 1회 왕복하는 시간을 ‘1똑딱’이라고 정의하자. 아인슈타인이 이 상황을 이해한 것으로 가장 적절한 것은? | 버스 안에는 갑이 타고 있으며, 버스 밖에는 을이 서 있다. 버스의 높이는 갑과 을 모두에게 L로 측정되며, 버스의 길이는 갑에게 2L로 측정되었다. 한편 을이 측정하기에 버스는 오른쪽으로 v의 속도로 운동 중이다(단 v는 0보다 크다). 이제 버스의 중앙 상단(C)에 위치한 광원에서 빛이 사방으로 출발했다고 하자. 한편, 어떠한 관찰자에게든 시간은 그 관찰자와의 거리가 고정되어 있는 두 지점을 빛이 왕복한 횟수를 통해 측정된다. 즉 각 관찰자에게 시간은 각자가 가지고 있는 동일한 규격의 빛 왕복 시계를 통해 측정된다고 할 수 있는데, 편의상 시계 속의 빛이 위아래를 1회 왕복하는 시간을 ‘1똑딱’이라고 정의하자. 아인슈타인이 이 상황을 이해한 것으로 가장 적절한 것은? | ||
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# 을이 보기에 빛이 D에 도달하는 시간은 1똑딱이겠군. | # 을이 보기에 빛이 D에 도달하는 시간은 1똑딱이겠군. | ||
=== | === 문제 2 === | ||
[[파일:전자기 상호작용과 절대공간.png|섬네일|(가)와 (나)에서 자석과 도선은 서로 가까워지고 있는 중이며, (가)의 관찰자는 도선이 다가오고 있는 것을 관찰 중이며, (나)의 관찰자는 자석이 다가오는 것을 관찰 중이다. 그러나 그들은 도선과 자석이 절대 공간에 대해 실제로 어떠한 운동 중인지는 알지 못한다.]] | |||
(가)와 (나)에서 자석과 도선은 서로 가까워지고 있는 중이며, (가)의 관찰자는 도선이 다가오고 있는 것을 관찰 중이며, (나)의 관찰자는 자석이 다가오는 것을 관찰 중이다. 그러나 그들은 도선과 자석이 절대 공간에 대해 실제로 어떠한 운동 중인지는 알지 못한다. 이 상황에 대해 아인슈타인이 이해한 방식으로 가장 적절한 것은? | |||
# 고전 전자기학의 입장에서는 (가)와 (나)에서 실제로 벌어지는 일을 완전하게 기술할 수 없다. | |||
# 고전 전자기학의 입장에서, (가)의 도선에는 전기장이 형성되지만, (나)의 도선에는 전기장이 형성되지 않는다. | |||
# 고전 전자기학의 입장에서, (가)에서는 도선에 전류가 유도되지만 (나)에서는 도선에 전류가 유도되지 않는다. | |||
# 아인슈타인의 입장에서, (가)와 (나)에서 발견되는 자석과 도선의 상호 작용은 서로 다른 종류의 현상이다. | |||
# 아인슈타인의 입장에서, (가)의 관찰자는 전기장을 탐지하지만, (나)의 관찰자는 전기장을 탐지하지 못한다. | |||
=== 문제 1 해설 === | |||
정답 : 4번(을이 보기에 갑의 1똑딱은 자신의 1똑딱보다 길겠군). 을이 보기에 갑의 시계는 오른쪽으로 움직이고 있다. 따라서 을이 보기에, 갑의 시계 속 빛은 자신의 시계의 위아래 간격인 0.5L의 거리를 왕복하는 것이 아니라 비스듬한 길을 따라 그보다 더 긴 거리를 이동해야 1회 왕복할 수 있다. 그런데 아인슈타인에 의하면, 빛의 속도는 누구에게나 항상 <math>c</math>로 일정하고, 문제의 설명에 의하면 시간은 각자의 빛 왕복 시계로 측정된다. 따라서 을이 보기에 갑의 1똑딱(갑의 시계가 1회 왕복하는 데 걸리는 시간)은 을의 1똑딱(을의 시계가 1회 왕복하는 데 걸리는 시간)보다 길다. 즉 이는 갑의 시계가 을의 시계보다 느리게 감으로써, 두 관찰자의 시간이 다른 속도로 흐름을 말한다. | 정답 : 4번(을이 보기에 갑의 1똑딱은 자신의 1똑딱보다 길겠군). 을이 보기에 갑의 시계는 오른쪽으로 움직이고 있다. 따라서 을이 보기에, 갑의 시계 속 빛은 자신의 시계의 위아래 간격인 0.5L의 거리를 왕복하는 것이 아니라 비스듬한 길을 따라 그보다 더 긴 거리를 이동해야 1회 왕복할 수 있다. 그런데 아인슈타인에 의하면, 빛의 속도는 누구에게나 항상 <math>c</math>로 일정하고, 문제의 설명에 의하면 시간은 각자의 빛 왕복 시계로 측정된다. 따라서 을이 보기에 갑의 1똑딱(갑의 시계가 1회 왕복하는 데 걸리는 시간)은 을의 1똑딱(을의 시계가 1회 왕복하는 데 걸리는 시간)보다 길다. 즉 이는 갑의 시계가 을의 시계보다 느리게 감으로써, 두 관찰자의 시간이 다른 속도로 흐름을 말한다. | ||
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* 5번. 을이 보기에 버스는 오른쪽으로 움직이고 있다. 따라서 을이 보기에, C에서 출발한 빛이 D에 도착하려면 비스듬한 길을 따라 L보다 더 긴 거리를 이동해야 한다. 그런데 아인슈타인에 의하면, 빛의 속도는 누구에게나 항상 <math>c</math>로 일정하고, 문제의 설명에 의하면 시간은 각자의 빛 왕복 시계로 측정된다. 따라서 을이 보기에 빛이 D에 도달하는 데 걸리는 시간은 자신의 시계 속 빛이 0.5L의 간격을 왕복하는 데 (즉 L의 거리를 이동하는 데) 걸리는 시간인 1똑딱보다 길다. | * 5번. 을이 보기에 버스는 오른쪽으로 움직이고 있다. 따라서 을이 보기에, C에서 출발한 빛이 D에 도착하려면 비스듬한 길을 따라 L보다 더 긴 거리를 이동해야 한다. 그런데 아인슈타인에 의하면, 빛의 속도는 누구에게나 항상 <math>c</math>로 일정하고, 문제의 설명에 의하면 시간은 각자의 빛 왕복 시계로 측정된다. 따라서 을이 보기에 빛이 D에 도달하는 데 걸리는 시간은 자신의 시계 속 빛이 0.5L의 간격을 왕복하는 데 (즉 L의 거리를 이동하는 데) 걸리는 시간인 1똑딱보다 길다. | ||
== 관련 항목 == | == 관련 항목 == | ||