[Cosmos] #3. 빛의 속도를 넘는다고 물리학이 무너지고 타임머신이 가능해지는건 아닙니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

스마일루의 코스모스

 

#3.

 

'지금의 물리학, 그리고 그 다음의 물리학에 대하여'

: 빛의 속도를 넘는다고 물리학이 뒤엎어지고 타임머신이 가능해지는건 아닙니다.

 

 

 

 

 

 

- 순 서 -

 

 

자극적인 문구들

과학적 방법론과 귀납적 추리

그런데 상대성이론이 틀린거라고?

빛의 속도를 넘어서자!

 

 

 

 

 

 

 오랜만입니다. 간만에 '소재'가 생겨서 이렇게 글을 쓰게 되었습니다. 원래 소재가 전혀 없었던 것은 아닙니다만 뭔가 동기부여가 되지 않았던 건데 이번에는 팍팍 되는군요. 다 필요 없고 그냥 빛 보다 빠른 입자에 대한 제 생각이 궁금하시다면 아래 '순서'에서 '그래서 상대성이론이 틀린거라고?' 부터 보시면 되겠습니다. 공식도 그냥 무시하시면 됩니다. ^^ 

 

 

CERN에서 생성된 중성미자중 이탈리아에서 15000개의 중성미자가 3년간 측정되었는데,

그 중 하나가 GPS로 정밀하게 계산된 두 지점사이 거리를, 진공에서의 빛이 돌파하는 속도보다 빨리 이동했다.

빛보다 1초에 18m정도 더 갈 수 있는 속도로 말이다.

엄청난 발견일까, 그냥 에러일까?

 

 

 

 아 그리고 공지사항에서 말씀드린 것 처럼, 이제 주기적으로, 한달에 두번 NASA 홈페이지 메인소식들을 간략히 정리해 올리도록 하겠습니다. 디시인사이드 우주갤러리에서 제가 가끔 하는일인데, 그걸 블로그로 옮겨올 생각이거든요. 10월 첫째주 부터 시작할 테니 그 다음글은 13~16일 정도 후에 올라오게 될겁니다. 그렇게 돌아갈 예정입니다.ㅋ  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@ 자극적인 문구들

 

 예, 이번에 글을 쓰게 된 이유는 최근 유럽 CERN에서 한 이탈리아 연구팀이 빛의 속도를 살짝 넘어서는 중성미자를 발견했다고 하면서 떠들썩 해진 것 때문입니다. 뉴스에서도 '타임머신 가능해지나?', '현대 물리학의 근간이 무너진다', '아인슈타인의 상대성이론은 틀렸나?' 라며 난리도 아니더군요. 그리고 당연한 듯이 '상대성이론에 따르면 빛보다 빨리 움직이면 시간여행이 가능한데...' 뭐 이러고 있구요. -_-;;; 그 중성미자가 빛의 속도보다 빨리 움직여서 과거로 갔으면 왜 측정되었겠습니까? 과거로 사라졌어야지.

 

 아무튼 그래서 저도 제목에 '지금의 물리학, 그리고 그 다음의 물리학에 대하여'라는 정식 제목 대신에 조금 소심하게 자극적인 부제목을 넣어봤습니다. 괜찮나요? 정식 제목보다는 오백만배는 낫죠? 원래 자극적인게 좀 좋은건가...^^; 아무튼 상대적으로 자극적이더라도 틀린말은 아니니 괜찮다 생각합니다. ^^;;;;

 

 예, 본론으로 들어가죠. 여러분은 이 우주의 법칙인 '과학법칙'이라는 것에 대해 어떻게 받아들이고 계십니까? 과학의 신빙성, 앞으로 계속 발전할 과학, 그랬을 때 새롭게 밝혀질 과학 법칙들, 그리고 그 후에 남게되는 기존의 법칙들의 가치... 어떻게 생각하고 계시나요? 그것이 오늘의 주제입니다. 이번 빛의 속도를 넘는 중성미자 발견 사건이 설령 장비의 오류라고 해도, 이번일을 계기로 좀 생각해봐야 할 부분은 있다는 생각입니다. 이번 이슈를 예로 들며 설명해보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@ 과학적 방법론과 귀납적 추리

 

 과학법칙이라는 것에 대해 살펴봅시다. 일단 과거로 돌아가 볼까요? 사실 그 오랜 옛날 분들에게는 죄송하지만, '오늘날의 기준'에서 비춰볼 때는 과거의 과학은 정말 문제가 많았죠. 그래도 그런 것들이 있었기에 지금의 과학이 있을 수 있었다고 할 수 있겠지만, 당시의 과학은 과학이라기 보다는 철학에 가까운 경우가 많았습니다. 그래도 차차 나름대로의 근거와 이론을 갖춘 경우도 생기기 시작했는데요, 지구가 우주의 중심이라는 천동설 같은 것이 그랬죠. 지금이야 말도 안된다고 생각했지만, 인간의 기준에서 천동설이라는 아이디어는 당연한 것이었으며, 이론을 고치고 고치면서 복잡해지긴 했지만 대부분의 천체 운동을 설명할 수 있었습니다.

 

 하지만 '과학적 방법론'이 등장하며 모든 과학이론들은 분명하고 충분한 검증을 통과해야 했습니다. 천동설은 거기서 무너졌죠. 과학적 방법론이 무엇이냐구요? 사전에는 이렇게 나와 있습니다.

 

 

17세기 이후 자연과학에 의해 정형화된

계획적인 관찰, 측정, 실험, 일반화, 시험 및 가설의 변경 등의 과정으로 이루어진 방법

 

 

대표주자라면 두말할 필요도 없이

바로 이 '아이작 뉴턴(1642-1727)'!!

 

 

 17세기 이전에도 과학적 방법을 통해 실험이 진행되고 과학적 현상을 밝혀낸 기록이 있긴 합니다만 일반적으로 저렇게 설명합니다. 쉽게 말하면, 아이디어나 경험을 바탕으로 가설을 세우고, 그 가설이 맞는지 실험과 관찰을 진행하게 되는 것이 그것입니다. 그를 통해서 이론을 완성해 내는 것이 과학적 방법론을 통한 과학이론의 완성, 증명인 것이죠.

 

 뉴턴이 중력과 운동법칙을 정리하며 고전역학을 완성한 것이 대표적 예입니다. 물체가 떨어지는 것을 보면서 '물체간 당기는 힘이 있지 않나' 라는 가설을 세웠고, 정밀한 실험으로 두 금속구가 서로 당기며 천장에 매달린 실이 휘어지는 것을 확인했지요. 누구나 그 실험을 재현해 볼 수 있었습니다. 운동법칙도 마찬가지 입니다. 가설을 세우고 실험을 통해 발견한 그 유명한 'F=ma' 같은 법칙들은, 누구나 확인 해 볼 수 있었고 그 결과 그 이론이 맞다고 동의 할 수 밖에 없었죠. 분명 검증을 통과한 겁니다. 수많은 사람들이 그 법칙을 재현해보며 검증하고, 이후 쓰여오면서 말입니다.

 

 하지만 문제는 있습니다. 바로 과학적 방법론은 귀납적으로 추리할 수 밖에 없다는 것이죠. 귀납적이라는 것, 즉 일부분의 증명과 검증을 통해서 전체를 설명하게 된다는 겁니다. 사실 수학이나 기존에 밝혀진 과학 이론을 통해서 그 귀납적 추리의 부족한 부분을 상당히 뒷받침 해주긴 하지만, 어찌되었건 귀납적 일 수 밖에 없습니다. 역시 예가 바로 F=ma지요. 질량 m이 1Kg이든, 0.0000000000001Kg이든, 10000000000000Kg이든 다 F=ma를 따를 것이라 생각했고, 역시 F가 몇 N(뉴턴)이든, a가 몇 m/s이든 F=ma가 성립할 것이라고 생각해 왔습니다. 수 많은 실험에서도 그러했구요. 

 

 그 귀납적인 추리의 빈틈을 바로 아인슈타인이 파고드는데 성공합니다. 이번 이슈도 다루려면 아인슈타인의 이론에 대해 좀 설명하긴 해야겠네요. 맥스웰 방정식에서 부터 시작되는 아인슈타인의 아이디어의 배경이 있습니다만 여기서는 다 생략하고, 결과적으로 아인슈타인은 생각을 거듭한 끝에 가설을 세웁니다.

 

 '빛의 속도는 변하지 않는다. 어떤 속도로 움직이는 관찰자이든 빛의 속도는 항상 빛의 속도로 보인다.'

 

 30만Km/s인 빛을 20만Km/s로 따라간다 해서 10만Km/s로 보이지 않는다는 겁니다. 벌써 뉴턴과 다른 이야기이죠. 그리고 또, 

 

'그렇게 되려면 결국 시간이 변해야 한다.

빠르게 움직이면 시간이 느리게 흐르면서 빛의 속도가 느리게 보이지 않게 되고

빛의 속도 그대로 보이게 된다'

 

 라는 가설도 세웁니다. '빛의 속도가 항상 빛의 속도로 보여야 한다'라는 '광속 불변의 법칙'이라는 가설을 세우면서 줄줄이 사탕으로 이어진 가설들이죠. 그래서 공식까지 만들어보니 F=ma를 넘어서는 새로운 공식들이 또 줄줄이 만들어 집니다. 놀랍게도 피타고라스의 정리만으로 유도되는데, 그것이 바로 '특수상대성이론'이죠. 

 

 

 

m = v의 속도로 이동중인 물체 질량

m0 = 정지상태의 물체 질량

v = 물체의 이동 속도

c = 빛의 속도

 

 

 사실 더 길고 중요한 공식이 있지만, 저게 일단 의미가 있어 저 공식을 실어봅니다. 저 공식이 무슨 뜻이냐면, 아까 말한것 처럼 뉴턴은 질량 m이 1Kg이든, 0.0000000000001Kg이든, 10000000000000Kg이든 다 F=ma를 따를 것이라 생각했고, 역시 F가 몇 N(뉴턴)이든, a가 몇 m/s이든 F=ma가 성립할 것이라고 생각했는데, 알고보니 '광속 불변의 법칙'이 사실이라면, 우리가 운동을 하든 말든 항상 일정할 것이라 생각했던 물체의 질량 m은, 물체의 속도 v가 증가함에 따라 계속 증가하게 된다는 것입니다. (공식을 보면 v가 증가하면 할 수록 분모가 1이하로 감소하고 따라서 m은 증가하게 되지요?)

 

 

빛의 속도 근처에서 기하급수적으로 증가!

하지만 빛의 속도 근처는 커녕 우리는 저기 x축 첫번째 눈금 근처도 못 가봤다는...

그러니 뉴턴과 그 시대의 학자들이 그걸 상상했을리가 없었겠지요?

 

 

 

 놀라운 사실이죠. 질량이 변한다니! 이는 과학적 방법으로 실험에 의해 확인 되었을까요? 물론입니다. 전자를 빛의 속도의 99.999999%까지 가속을 하면서, 가속에 들어가는 힘을 계산해보니 정말 질량이 늘어나는 것으로 확인되었죠. (사실 정확히는 속도가 빨라 질수록 운동량(mv)을 증가시키기 힘들어지는 것이 진다, 는 것이 결국 질량이 늘어나는 것 처럼 보인다는 겁니다. 이 현상에 대한 더더욱 근본적인 원인은 더 많은 연구가 필요한 상황입니다. 확인 되고는 있는거구요.) 시간이 느려진다는 것, 역시 확인 되었습니다. 우주선과 비행기에 실었던 초정밀 시계의 시간이 달라지는 것이 확인 되었죠.

 

 

 

 

설명할 필요는 없을 듯 합니다.

시간이 시간이 아니라는 뜻입니다. (t=t가 아니다!)

시간도 변합니다.

 

 

 

 움직이면 시간이 느려지니 아인슈타인의 가정대로 광속 불변의 법칙도 사실? 역시 맞는 것으로 실험을 통해 확인되었습니다. 그 외에 특수상대성이론이 예측하는 놀라운 것들, 빠르게 이동하면 이동해야할 거리가 줄어들어서 더 먼거리를 가게 되고, 이동하는 물체가 짧아보이고, 그 유명한 E=mc^2까지! 정말 엄청난 일이죠. 

 

 

이렇게 놀라우니 아무도 이해를 못해서

상대성 이론으로는 노벨상을 못탔다능!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@ 그런데 상대성이론이 틀린거라고?

 

 하지만 이번 빛보다 빠른 중성미자의 발견으로, 수많은 검증을 거친 아인슈타인의 상대성이론은 다시 도전을 받고 있다고 하지요. 이번 발견이 오류가 아니라고 칩시다. 그럼 정말 상대성이론은 도전받는거고, 과학의 근간이 뒤흔들리고 뭐 그런걸까요?

 

 그는 위에서 언급한 뉴턴의 고전역학의 운명을 보면 알 수가 있습니다. 아인슈타인의 발견으로 F=ma는 쓰레기통으로 버려졌나요? 그렇지 않지요. 이미 당대의 학자들이 F=ma를 누차 확인했는데 지금해보니 F=ma가 이제 갑자기 F=ma가 아닐리가 없지 않습니까? 이제는 상자를 밀면 F=2ma로 움직이나요? 아닙니다. 하지만 수정이 필요해졌죠. 아인슈타인에 의해 F=ma라는 뉴턴의 공식은 다음과 같이 수정되었습니다.

  

 

 

 

 빛의 속도 c는 299,792,458m/s 입니다. c의 제곱은 89,875,517,873,681,764가 되지요. 따라서 우리가 박스를 밀때의 1m/s는 물론이고, 미국의 최신형 전투기 F-22가 날아다니는 마하2의 속도, 680m/s, 제곱했을 때의 462,400정도로는 v2/c2의 값이 0.0000000000001정도 밖에 나오지 않습니다. (정확한 값 = 5.1448938591919316303729919974572x10^-12) 1 에서 0.0000000000001을 뺀 값이라고 해봤자 사실상 1이고, 따라서 위의 식은 분모가 1이니 사실상 F=ma라고 볼 수 있지요. 따라서 일상 생활에서는 F=ma가 여전히 유효한 겁니다. 실제 현실인 상대성이론의 근사값이 바로 고전역학인 것 입니다. 귀납적 추리가 전체를 설명하지 못해도 부분적으로는 아주 유효한 것이죠.

 

 이번 빛보다 빠른 중성미자의 발견이 에러가 아닌 것으로 밝혀지더라도 마찬가지 결과를 낳게 될 것 입니다. 상대성이론은 여전히 잘 사용되고 있으며 계속 그럴 것입니다. 검증된 것입니다. 과학적 방법론에 의해서 말이죠. 광속불변의 법칙? 여전합니다. 역시 확인된 것이거든요. 그 가정 하에 상대성이론이 존재하는 것이구요. 빛보다 빠른 중성미자의 발견은 그것과는 또 다른 차원에서 생각해야 할 문제가 되겠죠. 여전히 모든 물체는 속도가 빨라질수록 질량이 증가하는 현상을 경험 할 수 밖에 없을 겁니다. 우회할 방법을 생각 할 수 있는 날이 올지도 모르겠지만요. 따라서 이번 발견을 통해 상대성이론이 틀렸다고 폐기되는 일 같은 것은 단언컨데 없습니다. 새로운 발견으로 탄생하는 이론이 상대성이론을 포괄할 수는 있어도 말이죠. 그것이 과학적 방법론으로 쌓아 올려진 과학의 힘입니다. 따라서 미래의 새로운 이론을 기대하며 지금의 이론을 불신할 이유는 없는 것이죠. 빈틈을 찾는 건 언제나 해야 할 일이지만요.

 

 그렇기 때문에 새로운 발견은 과학은 한단계 발전하게 되는 것이지 뒤엎어지는 것이 아닙니다. 많은 새로운 이론들도 기존의 과학을 통합하고 포괄하려 하지, 뒤엎으려고 하지 않습니다. 따라서 엄청나게 혁신적인 이론이 등장할 수는 있어도, 지금의 과학과 아예 따로 노는 과학이라는 건, 신이 존재하는 그런 차원의 이야기로 넘어가지 않는 이상 불가능한 이야기가 되는거지요. 물론 아직 과학적 방법을 통해 완전히 검증되지 않은 이론들은 뒤엎어질 수도 있습니다. 따라서 그것을 뒤엎어야 할지, 맞는 것이니 계속 발전 시켜나가야 할지, 그것을 판단하고자 실험과 관측을 통해 과학적 사실을 밝혀내려는 노력들을 과학자들이 끊임없이 하고 있습니다. 우리는 그를 응원해야 겠지요.

 

 

이런 것도 다 만들었습니다. 땅속에 있는 바로 거대강입자가속기, LHC이죠.

입자물리학과 우주관련 이론들에 대한 여러 가설들을 증명해 줄 장비입니다.

이걸 운영하는 기관이 CERN이고, 여기에 딸린 가속기에서 생긴 중성미자가 이탈리아로 날아가

에러인지 사실인지 모를 이번 연구결과를 낳게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@ 빛의 속도를 넘어서자!

 

 슬슬 마무리를 지어봅시다. 과학적 방법론에 의해 쌓아올려진 오늘날의 과학은, 새로운 발견으로 근간이 뒤엎어지거나 하는 일이 존재 할 수가 없습니다. 지금까지 눈으로 확인하고 있는 과학 현상들이 새 발견으로 갑자기 변할 수는 없는거니까요. 결국 새로운 발견은 과학을 발전시키게 되고, 다음 단계의 과학을 낳게 될 것입니다.

 

 이번 빛보다 빠른 중성미자의 발견이 오류가 아니라면, 아주 크게는 두 가지를 생각해 볼 수가 있습니다. '우리가 아는 요인에 의한 현상', '우리가 모르는 요인에 의한 현상'이 그것이죠. 우리가 아는 요인으로 중성미자가 빛보다 빨라지는 경우는 중력파 같은 경우입니다. 아직 관측되고 있지는 않지만, 우주공간에서는 공간을 출렁이게 하는 미세한 중력파가 밀도 높은 천체들로 인해서 생겨나는 경우가 있을 것으로 생각되는데, 그를 통해서 이번 중성미자의 속도를 측정하는 두 관측소간의 거리가 일시에 짧아져 속도가 빨라진 것으로 측정 되었을 수 있습니다. 하지만 이번 실험결과에 따르면, 두 관측소간의 거리는 730km였고 중성미자가 빛보다 60ns(60나노초, 60x10^-9초)만큼 빨리 움직였는데, 그러기 위해서는 중성미자가 18미터 정도를 더 빨리 움직여야 합니다. 그럼 두 관측소간의 거리가 18m나 줄어들 정도로 중력파가 영향을 줬다? 글쎄요... 미국에서 레이저 간섭을 통해 중력파를 관측하려 한 LIGO실험에서 4km의 길이의 실험시설을 통해 중력파를 검출해내려 했지만 아직까지도 찾아내지 못했는데, 비례관계로 따지는 것은 중력파에서 옳지 않은듯 합니다만 일단 730km에서 18m면 4km에서는 10cm정도 입니다. 중력파의 영향이라는게 그 정도라면 LIGO에서 중력파를 발견하지 못했을리가 없는데 말이죠.

 

 

LHC도 그렇고 이런 것도 다 만들어냈습니다. 레이저 간섭계를 이용한 중력파 검출기, 바로 LIGO죠.

(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)

중력파라는 수학과 이론을 통해 세워진 가설을 과학적 방법으로 검증하기 위한 시설입니다.

중력파에 대한 가설 자체는 수학과 다른 별에 대한 이론을 바탕으로 하고 있어 탄탄하지만 결정적 물증이 없는 상태지요.

 

 

 

 여튼 재미있게도 아직까지 발견해내지 못하던 중력파의 발견일 수도 있고, 또는 '우리가 모르는 요인에 의한 현상', 즉 우리가 모르는 과학법칙에 의한 현상일 가능성이 있습니다. 상대성이론을 넘어서고 그를 포괄하는 운동에 대한 이론이 있을 수 있는 것이죠. 

 

 그 이론이 무엇인지는 모르겠지만, 일단 빛의 속도보다 빨리 움직인다고 해서 타임머신이 가능한 것은 아닙니다. 분명 상대성 이론을 넘어서는 현상인데 상대성이론으로 설명하려 하는 것 부터가 오류죠. 상대성이론에서 시간관련 부분을 다시 살펴볼까요?  

 

 

 

 

 이 공식을 보시면, 이동속도 v가 c, 즉 빛의 속도가 되면 분모가 0이 되면서 식이 성립하지 않습니다. 속도가 빛의 속도인 c를 넘어가면 어떻게 될까요? 계산해보시면 아시겠지만 '루트 -1', 즉 허수가 들어간 이상한 식이 되죠. 루트를 유리화 시키면 마이너스도 튀어나옵니다. 마이너스 시간이면서 허수시간? 타임머신이 가능하다해도 역시나 상대성이론으로는 설명이 안될 것 같습니다. 앞서 말한 것 처럼 빛의 속도보다 빨리 움직여서 과거로 간다면, 빛의 속도보다 빨리 움직인 중성미자는 왜 측정되었겠습니까? 과거로 사라졌어야지요.

 

 허수에 대한 물리학적 의미를 파악하게 되는 날이 올지도 모르겠죠? 소설을 써보자면... 다른 차원? 하지만 그게 상대성이론을 포괄하는 이론일 겁니다. 그래서 애초에 아인슈타인도 빛의 속도를 넘거나 물체의 속도가 빛의 속도와 가까워지는 것에 대해서는 아예 존재하지 않는 경우라 생각했습니다. 다만 사람들이 '빛의 속도에 다다를 수록 시간이 느려지니까 넘어서면 거꾸로 가는건가?' 해서 그렇게 된거구요.

 

▒

 

 여튼 참 재미있는 일이 일어나 버렸습니다. 과학적 방법론과 고전역학 400년, 상대성이론 100년만에 참으로 설레이는 순간을 맞이하게 되었지요. 물론 오류일 수도 있습니다. 또는 정말 위대한 것이지만 많은 사람들은 실망하게 될 중력파나 여타 공간과 관련된 현상의 발견일 수도 있겠구요. 아니면 정말 사실이어서 상대성이론을 뛰어넘는 이론의 발견일 수도 있습니다. '오류라고 볼 이유가 없다' 라고 밝혀지는 순간 과학자들은 원인을 밝혀내기 위한 엄청난 연구를 시작하겠죠. 그러다 새로운 이론이나 중력파 등의 현상등을 발견하지 못하면 그게 더 절망적이겠지만, 밝혀내고야 말 겁니다.

 

 하지만 새로운 이론이 밝혀진다고 해도 이것은 '혁명'이 아닙니다. '교체'가 아닌 것이죠. 바로 '진보'입니다. 우리는 우리의 과학이 무너질 걱정을 하지 않고 살아가기 위해 400년 전부터 규칙을 만들어 지켜왔습니다. 그리고 지금 빛보다 빠른 중성미자는 과학적 방법론에 의해 검증을 거치고 있습니다.  이왕이면 빛의 속도를 넘을 수 있다는 쪽으로 확인이 되었으면 좋겠네요. ^^

 

 어떤 결론이 나오든 혼란스러워 할 필요는 없을 겁니다.

 우리는 지난 400년 동안 그랬듯 과학적으로 생각하고 있으니까요. ^^

 

 

 

 

 

 

 

- fin -

 

 

 

 

 

 

문장 어색한 부분 수정&보완 (2011.9.26)

첫 이미지에 실험의 개략적 내용 추가 (2011.9.27)

 

 

 

 

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