EBS 빛과 물리학, 영화 인터스텔라 시청 후 보고서
분야
hwpEBS 빛의 물리학
1) 빛과 시간
열여섯 살 아인슈타인의 머릿속은 빛으로 가득했다. 빛의 속도로 달리면 빛은 어떻게 보일까? 거울을 들고 빛보다 빨리 달리면 거울 속 나는 어떻게 보일까? 소년의 질문은 10년 뒤 시공간에 대한 인류의 이해를 바꿀 혁명적 논문의 초석이 됐다. 갈릴레오 갈릴레이는 지동설을 지지한다. 항해하고 있는 배를 예시로 드는데 움직이는 배안에서의 운동은 서 있을 때와 차이가 없다는 것을 이유로 든다. 이것은 운동을 관찰하는 사람에 따라 운동은 달리 보인다는 ‘상대성 원리’를 설명한 것이다. 그리고 이것은 이후 아인슈타인의 ‘상대성 원리’가 만들어지는 가장 기초가 된다. 우리가 아는 상대성 이론은 사실 두 가지 이론으로 되어있는데 그 중 하나가 1장에서 다루는 특수 상대성 이론이다. 특수 상대성 이론(1905)의 핵심은 ‘빛은 어떤 관측 상황에서도 속도가 변하지 않고 등속운동 한다. 따라서 속도가 빠른 물체는 상대속도가 느린 물체에 비해 시간이 느리게 간다.’ 이것이 특수 상대성 이론의 핵심 요소다. 이러한 이론의 이해를 돕도록 우주선 안의 언니와 지구의 동생의 다른 시간과 기차에서의 실험등으로 쉽게 알기 쉽게 표현하였다. 또한 동영상에서는 나와 있지 않지만 질량이나 길이도 변한다고 한다. 상대성 이론에 따르면 광속을 추월할 수는 없다. 그러면 광속에 도달할 만큼 에너지를 투입하고도 속도가 안 나오면 그 에너지는 어디로 간 걸까? 질량이 된 것이다. 왜냐하면 에너지는 보존되기 때문이다. 광속은 이룰 수 없는 속도고 그 에너지는 보존되었으니 광속에 가까워질수록 질량이 증가한다. 역으로 질량을 줄이면 에너지가 발생한다는 식도 성립하게 된 것이다.
2) 빛과 공간
우리는 왜 땅에 붙어 있을까? 모든 물체는 왜 바닥을 향할까? 뉴턴의 만유인력 법칙은 중력을 명쾌하게 설명한다. 하지만 완벽해 보이는 만유인력 법칙에도 치명적 결점이 존재했다. 왜 만물이 서로를 잡아당기는지 설명하지 못한 것이다 그런데 아이슈타인은 여기에 중력이 왜 생기는지 궁금했다. 그리고 그것을 상대성 이론에 접목하려고 시도해보았다. 특히 가속도에 관한 부분이 아인슈타인의 발목을 잡고 있었는데, 아인슈타인은 이것을 몇 년 동안 연구하다가 하나의 아이디어로 풀어냈다. 먼저 우주 속의 우주선을 가정했다. 우주선이 움직이면 우리는 우주선 진행방향의 반대방향으로 움직이게 된다. 움직였다기보다는 우주선 벽이 움직인 거다. 이 때 등속운동이라면 우리는 벽에 한번 붙었다가 다시 떨어져서 움직일 수 있겠지만 우주선 속도가 계속 가속되면 우리는 벽에 계속 붙게 된다. 즉, 어떤 힘이 생긴 것이다. 아이슈타인은 가속도에 의해 생긴 힘, 이것을 중력이라고 본 것이다. 지구가 우리를 당긴 힘은 만유인력+원심력이라고 한다. 또한 우주선 속의 사과를 예로 들면서 아이슈타인의 중력이 발생하면 공간이 휜다고 추론한 것을 설명하고 있다. 사과는 분명 직선으로 가고 있는데 바뀐 건 우주선이다. 이렇게 ‘일반 상대성 이론(1916)’은 중력이 공간을 휘게 하고, 빛의 경로도 바꾼다는 것을 수식으로 증명한다. 중력+특수상대성 이론을 합친 것이 일반 상대성 이론이 된다.
3) 빛의 추적자
빛의 탐구 역사는 인류의 역사와 함께한다. 빛을 처음 과학의 영역으로 가져온 사람은 갈릴레오로, 그는 빛의 속도를 재려 했던 최초의 과학자였다. 뉴턴은 아리스토텔레스 이후 수천 년간 지속된 빛과 색의 논란에 종지부를 찍었다. 미스터리한 무지갯빛의 정체를 밝힌 건 프리즘을 이용한 간단한 실험이었다. 3장에서는 빛을 다루는 광학과 빛의 속도 측정, 그리고 전자기파를 이론으로 확인한 멕스웰의 이야기가 나온다. 갈릴레오의 망원경 발명과 이것을 바탕으로 천체를 관측하고 새로운 사실들을 알아낸다. 그리고 뉴턴은 ‘광학’(1704)이라는 책을 통해 이때부터 발전해온 빛의 성질을 다시 집대성 한다. 사실 뉴턴이 새로 발견해낸 것이 더 많다. 이 때, 백색광이 여러 스펙트럼을 가진 빛의 합이라는 것을 알아내었다. 이전까지의 물체가 가진 것이라 여겨졌던 색은 빛의 반사와 각자 다른 굴절률을 가진다는 개념을 바탕으로 뉴턴은 반사 망원경을 고안한다. 페러데이 전자기 유도현상을 발견(1831), 전기장과 자기장이 분리된 것이 아니라는 것을 생각, 멕스웰은 이것을 수식으로 증명하고 전자기파를 고안했다. 그리고 빛이 전자기파의 일종임을 알아낸다. 빈 공간 속에서 전자기파가 움직일 수 있게 셀과 유동바퀴라는 개념을 가져온다. 그리고 셀은 탄성을 가져 원래 자리로 되돌아온다고 가정하여 이론을 전개 하여 전자기파가 이동하는 것을 구체화 하였다.(1864) 이 때 만들어진 공식은 광속이 초속 30만km인 것도 찾아냈다. 그 후 헤르츠가 전자기파를 발견한(1888)이후 멕스웰의 이론은 완벽하게 문명 속으로 들어왔다. 그리고 마르코니가 연 무선전신의 시대(1896)를 연다.
4) 빛과 원자
세상은 무엇으로 이뤄졌을까? 인류는 오랫동안 답을 찾아왔다. 1803년, 과학계는 마침내 ‘원자’라는 결론에 다다랐다. 질문의 답은 끝난 듯 보였다. 그러나 그것은 시작에 불과했다. 100년도 채 안 돼 더는 쪼개지지 않을 것 같던 가장 작은 알갱이에서 무언가가 나왔다. 원자의 문을 연 사람은 영국의 물리학자 톰슨. 그가 발견한 것은 전자였다. 톰슨은 진공관의 실험으로 원자의 안에 전자와 양성자가 있다는 것을 알게 된다 톰슨의 발견은 물리학계에 새로운 활력을 불어넣었다. 원자 내부는 어떻게 생겼을까? 원자 안에는 전자만 있을까? 전자는 얼마나 작을까? 전자는 어떻게 움직일까? 과학자들의 직관과 흥미로운 실험을 통해 조금씩 실체를 드러내는 가장 작은 세계를 만나게 된다. 러더퍼드의 원자핵 발견, 막스 플랑크 흑체복사를 문제 해결하여 에너지를 양자화하여 에너지의 불연속성을 이론화 하였다. 닐스 보어가 등장하여 원자 모델을 고안한다. 전자가 에너지를 방출하고 흡수함에 따라 궤도를 변경한다는 것을 이론으로 만들고 에너지 방출시 에는 이 에너지 형태가 빛으로 나타나는 것을 알냈다. 양자 도약이라는 개념이 생긴다.
5) 빛과 양자
