세상에서 가장 유명한 과학자 아인슈타인과
상대성 이론 완전 정복하기!
#전현무 #하석진 #이상엽 #궤도 #황제성 #윤소희
지식 충전 퀴즈쇼 [브레인 아카데미]
매주 목요일 밤 10시 방송
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00:00마리퀴리와 동시대를 살았던 또 한 명의 천재 과학자에 대해서 이야기를 해보려고 합니다.
00:05과학이 일으킨 혁명을 말할 때 절대 빼놓을 수 없는 인물이고요.
00:09아인슈타인일까요?
00:10사람들한테 물어봤을 때 과학자 이름 아는 사람 한 번 대봐라 그러면 다 이 사람 이름을 이야기하죠.
00:15아인슈타인이구나.
00:16아인슈타인.
00:19바로 아인슈타인인데요.
00:21천재들 많았다.
00:22근데 아인슈타인의 이름을 다 알고 있지만 아인슈타인의 가장 큰 업적이 뭘까요?
00:26상대성이론.
00:28그렇죠. 그래서 상대성이론이라는 이름은 다 알고 계시는데
00:32그게 뭔지는 몰라요.
00:33상대성이론은 굉장히 단순한 질문에서 출발했다고 할 수도 있어요.
00:381905년 아인슈타인은 시간을 재는 문제를 고민하고 있었다고 해요.
00:43왜 이런 고민을 하고 있었냐면 이 당시는 철도가 막 깔려서 사람들의 생활이 급변하고 있던 그런 시대입니다.
00:51철도가 놓이자 당시로서는 상상할 수 없는 문제들이 생기기 시작해요.
00:56어떤 문제들이 생길 수 있었을까요?
00:58도착 시간이 도시마다 시간이 달라서요.
01:04그렇죠. 이런 문제가 생기는 거죠.
01:06무슨 말이냐면 지금 저희한테는 우리나라에서 모든 지역이 동일한 시계를 쓴다는 너무나 당연한 사실을 알고 있지만 과거에는 시간이라는 것은 각자 사는 지역이 그 시간을 갖고 있는 겁니다.
01:21무슨 말이냐면 시계란 것은 천체의 운동에서 오는 거거든요.
01:26태양의 움직임이 시간을 정해주게 돼요.
01:28태양이 가장 높은 곳에 왔을 때가 가장 높은 각도에 있을 때가 정옵니다.
01:33그래서 각 도시마다 태양이 머리 꼭대기 딱 가장 높은 지점에 왔을 때가 12시를 써야 되는데
01:41그런 식으로 하면 지구상에서 위치가 달라짐에 따라서 다 시간이 다르게 돼요.
01:48그러네.
01:50그런데 기차가 운행이 시작되자 4시 34분에 출발한다고 했는데 4시 34분이 시카고 시간인지 뉴욕 시간인지
01:59도시마다 다 다르다면 어떻게 기차를 운행할 수 있을까요?
02:02그렇죠.
02:03그래서 표준시가 필요하다는 아이디어가 나오기 시작해요.
02:07적어도 경도 한 15도 내에서는 동일한 시간을 써야 한다라고 이야기를 하죠.
02:12아마 많은 분들이 모르실 수도 있겠지만 대한민국의 시간도 표준시에 따르면 태양이 가장 높을 때가 우리 12시가 아니에요.
02:18맞아요. 맞아요. 12시 반쯤이야.
02:21우리는 일본 동경에 맞춰진 시간을 쓰고 있어요.
02:24그래서 30분 정도 차이가 납니다.
02:26동경시.
02:27그렇구나.
02:29그 당시에 그래서 철도에서는 어떤 문제를 다뤄야 했냐면 여러 철도 역들 사이에 시계를 동기화시키는
02:37어떻게 이걸 다 맞출까요? 전화를 걸어야 되나? 일일이 전화 걸어가지고 여기 몇 시고 몇 시고
02:42이게 보통 일이 아닌 거예요. 그 많은 도시들과 역을 다 맞춰야 되니까
02:461905년에 아인슈타인은 아마 놀라실 분도 있겠지만 대학 교수로 있지 못하고 특허청의 말단 직원으로 일하고 있었어요.
02:55일이 안 풀려가지고요.
02:57그때 주로 특허청에서 심사했던 것들이 바로 이 시계를 동기화시키는 시계를 동기화시키는 많은 기술들을 심사했다고 하더라고요.
03:05그런 일들을 하면서 과연 시간을 일치시킨다는 것은 무엇인가? 시간이란 무엇인가? 아마 이런 생각들을 하지 않았을까?
03:13생각해볼 수 있을 것 같아요.
03:15맛있다.
03:17그래서 결국 우리가 알고 있는 상대성 이론에 도달하게 되는데요.
03:23두 가지 중요한 가정을 해서 상대성 이론으로 가게 되는데
03:33첫 번째 가정은 모든 물리법칙이 관찰자에 상관없이 동일해야 한다는 겁니다.
03:41올라온 일은 아니에요. 왜냐하면 여러분이 움직인다고 물리법칙이 바뀌면 법칙이 쓸모가 있을까요?
03:47그러니까 움직임과 상관없이 물리법칙은 같아야 한다.
03:51두 번째 가정은 굉장히 이상한 가정인데 운동과 상관없이 모든 빛은 속도가 같다는 건데요.
03:59이게 사실 얼핏 들으시면 이해가 안 될 수도 있어서 건물에 가보시면 에스칼레이터가 있잖아요.
04:06네.
04:07에스칼레이터에 가만히 서 있으면 그 속도로 움직이게 되죠.
04:11그 위에서 걸으면 더 빨리 움직이게 돼요.
04:14네.
04:15에스칼레이터의 속도에 내가 움직이는 걸 더해서 속도가 빨라지게 되잖아요.
04:19그런데 빛은 어떤 특성이 있냐면
04:21에스칼레이터에서 빛을 쏘건
04:24에스칼레이터에 타지 않고 가만히 서서 쏘건
04:27속도가 똑같다는 거예요.
04:29우와.
04:31운동 상태에 상관없이 빛의 속도는 언제나 일정하다는 겁니다.
04:38어허. 어허.
04:41이게 틀릴 수도 있겠죠.
04:42그런데 이게 옳다고 하면 뉴턴역학에 어떤 변화가 벌어질까를 연구하면
04:48그 결과물로써 상대성 이론이 툭 나오는 거죠.
04:53자, 여기서.
04:57자, 이 두 가지 가정을 사용해서 상대성 이론을 제가 설명을 해보려고 하는데요.
05:02자, 여기서 이제 시간의 개념을 하나 설명할 필요가 있는데
05:06시간이란 것은 결국 가장 중요한 것은 어떻게 재느냐 하는 거예요.
05:10어떤 식으로 시간을 정의해야 하냐면
05:12반드시 두 개의 사건이 있어야 돼요.
05:15첫 번째 사건과 두 번째 사건.
05:18첫 번째 사건이 일어났을 때 시계를 딱 켜요.
05:21째깍 째깍 째깍 시계가 움직이잖아요.
05:23두 번째 사건일 때 시계를 딱 멈추고 봐요.
05:26시계가 가리키는 이 숫자의 차이가 시간이라는 거예요.
05:30차이.
05:31이거 뭐 시비 걸 수 없겠죠.
05:33자, 이제 그렇게 접근을 해볼게요.
05:35지금 기차에 앉아있는, 지하철에 앉아있는 사람이 보이시는데요.
05:38두 개의 사건은 하나는 여기서 빛을 탁 킨 게 첫 번째 사건이에요.
05:42그러면 이 빛은 위로 올라갔다가 이 위에 거울이 있거든요.
05:46거울에 부딪혀서 반사해서 다시 아래로 내려오게 돼요.
05:49다시 땅에 닿는 순간이 두 번째 사건이에요.
05:52이 두 사건 사이에 시계를 두 번 읽으면 시계의 간격이 걸린 시간이 되겠죠.
05:59제가 이걸 1초라고 해볼게요.
06:01예를 들어서.
06:02지금 지하철이 움직이고 있어요.
06:05그러면 움직이는 저 지하철을 바깥에 서 있는 소녀가 보고 있는데
06:11그럴 때 저 두 사건은 어떻게 보일까.
06:15지하철 내부에서의 빛은 아래에서 위로 올라갔다가 내려왔잖아요.
06:21그런데 밖에서 보면 지하철이 움직이기 때문에 빛이 이렇게 갔다 올 수는 없어요.
06:27이렇게 사선으로 진행할 수밖에 없겠죠.
06:33그러면 아주 간단한 원리에 따라서 아래 위로 진행한 것보다 사선으로 진행한 게 더 길이가 길어요.
06:42자명하죠.
06:43네.
06:44그런데 지금 빛의 속도는
06:46일정하다고 했는데
06:48운동과 상관없이 언제나 똑같다고 그랬잖아요.
06:50네.
06:51속도는 똑같은데 거리가 더 길어졌죠.
06:54네.
06:55그러니까 바깥에서 봤을 때의 시간이 더 길어진다는 뜻이에요.
07:00우와.
07:01안에 탄 사람은 이거 1초 걸렸어.
07:07빛이 오르락 내리락 하는데 1초 걸렸어.
07:09밖에서는 무슨 소리야.
07:10내가 볼 때는 2초 걸렸는데
07:12누가 오를까요.
07:13둘 다 맞죠.
07:14그게 바로 상대성 이론이죠.
07:16이렇게 시간이 상대적이라는 겁니다.
07:18우와.
07:19이해가 너무 잘 됐어.
07:24그러면 나이 들면 시간이 빨리 가는 거는 왜 그래요?
07:27나이 들어서 그래요.
07:30진이 빠지는.
07:33그런데 중요한 건 뭐냐면
07:35실제 일상생활이나 아니면 아무리 빠른 비행기를 타더라도
07:38상대성 이론에 따라서 물론 시간이 약간 더 지연되긴 하지만
07:41그 효과는 너무나 미미해요.
07:44일상에서는 거의 저희가 그 효과를 볼 수 없고요.
07:47미미하구나.
07:48미미하다.
07:49하지만 우주에서는 이 효과가 두드러지게 나타나는 현상들이 있어서
07:53우리가 알 수 있는 것인데
07:54그 영화 인터스텔라에서 보셨지만
07:56실제로 상대성 이론 때문에
07:58아버지는 1년밖에 안 지났지만
08:00딸이 60년의 시간이 흘러서
08:02딸과 아버지가 만났을 때
08:04딸은 지금 늙어 죽기 직전의 상황이 돼 있잖아요.
08:07그들에게 이 시간은 실제의 시간입니다.
08:09물리적 시간인 것이죠.
08:10우와.
08:11신기하다.
08:12이처럼 아인슈타인은 이런 연구들을 통해서
08:15뉴턴의 이론이 기반하고 있는 절대적인 시공간
08:19어떤 우리의 상태와 무관하게
08:21그냥 주어져 있는 절대적인 거야라고 믿고 있던 것 자체가
08:25틀렸다는 걸 보여준 거죠.
08:26그러니까 시간과 공간 자체가
08:29어떤 변화할 수 있는 속성이 있다는 걸 이야기한 거예요.
08:32우와.
08:34그래서 이 특수상대성 이론을 발표한 해가 1905년인데요.
08:38이 해에 이 이론도 참 놀라운 이론인데
08:42이것을 포함하여
08:44현대물리학의 근간이 되는 논문은
08:46네 편을 발표하는데요.
08:48그러니까 이게 지금 상대성 이론이 하나 있고요.
08:50광전 효과가 있고
08:52브라운 운동이 있죠.
08:54이 중에 하나가 진짜
08:55아마 여러분 들으시면 다 알만한
08:57유명한 공식이 들어있는 그런 논문이기도 한데요.
08:59이는 MC죠.
09:00그렇죠.
09:01이는 MC스쿄요?
09:02아 네.
09:03질량 에너지 등가 법칙도 이때 발표가 된 겁니다.
09:06그래서 1905년을 저희는 기적의 해라고 부릅니다.
09:10과학 역사의 딱 두 번의 기적의 해가
09:14뉴턴의 기적의 해 아인슈타인의 기적의 해.
09:17아
09:18상대성 이론이라는 단어만 알고
09:20이 원리 개념을 이제 들었어요.
09:23맞아요.
09:24사실 나도 그래요.
09:25이제 들었어요.
09:26되게 어렵다 근데.
09:27네.
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