아인슈타인의 통찰력
쿠궁
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2019.05.29 22:17
고등학교 수능 과학탐구 물리1 수업 도중 나온 아인슈타인의 통찰력 이야기,
아인슈타인은 실험을 하지 않고 하늘이 내린 물리적 직관과 통찰력만으로 당시 여러 물리 현상을 맞추어냄
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우넘
재밌다.
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그러나 모든 것이 본인 발상에서 나왔는 지 조금은 의아하기도 함.
1. 아인슈타인의 광속불변의 원리는 먼저 전자기학의 맥스웰 방정식에서 유도됐음. 어느 절대공간에 대해서 항상 상수라는 것이 맥스웰 방정식에서 자연스럽게 유도됨. 즉 아인슈타인 이전에 이미 증명된 부분임.
여기서 아인슈타인은 맥스웰이 이를 유도하는 가정을 뉴턴역학의 '절대공간'으로 생각했는데, 이것들 조금 더 확장하여 갈릴레이의 '상대공간'에 대해서도 성립한다고 사고체계를 넓혔음.
때문에 아인슈타인 혼자만 광속불변의 원리를 세운것은 아님. 오히려 좌표계와 우주공간에 대한 개념을 새로이 생각하고, 특수상대성 이론을 일반화해서 가속운동계인 일반상대론까지 확장시킨것에 투자한 노력이 더 대단하다고 생각.
2. 아인슈타인이 유도한 수식들은 사실 앞서 언급된 마이켈슨-몰리 실험에서 수도 없이 다루었던 직각의 반사계에서 빛의 운동에 대한 수식에서 착안된 식들이 많고, 실제로 논문을 보면 (v/c)^2와 t, L의 형태가 무수히 등장함.
즉, 빛의 운동에 대해 직교하는 공간에서 광속을 상수로 두는 것 자체가 이미 수학적으로 모순이 발생하였으므로 사고실험을 세우는 것이 쉬웠을 것임.
여기서 아인슈타인이 대단한 것은 이것을 시간지연과 공간의 수축등으로 해석을 했다는 면임.
3. 만약 관찰자가 광속으로 이동할때 빛이 삼각함수의 형태를 그리면서 움직일까, 직선일까, 아니면 정지해 있을까, 아니면 여전히 빛일까에 대한 생각은 상식밖의 생각이며 매우 혁신적인것이 틀림없음. 그러나 당시의 가장 화두였던 물리학 이론은 빛의 파동성과 입자성, 즉 빛의 이중성에 대한것이고 이미 19세기에 가장 첨예하게 다투던 논쟁 중의 하나였음. 그리고 빛의 파동성에 대한 파동역학의 결론으로 생긴 물리학자들의 당연한 의문점이였다고 생각이 됨.
아인슈타인은 이것을 해석할 때에 질량을 가진 물체는 광속으로 달릴 수 없음을 말했음. 또한 광속을 넘어설 수 없음을 증명함. 즉, 불가능에 대한 가정을 수식을 통해 직관적으로 깨우침. 이런 사고의 확장이 대단한 면.
4. 중력상수에 대한 해석과 전자기력에 대한 고찰로부터 블랙홀의 존재예견과 중력파 예측등은 정말 발상의 전환이라고 밖에 표현할 수 없음. 하지만 수학적으로는 전자기력에 대한 해석을 조금 뒤틀어서 전환한 것뿐임. 두 힘은 본질적으로 매우 달라 두 힘을 통합하는 것도 매우 힘들지만, 두 힘을 기술하는 방정식과, 전자기장, 중력장이라는 장의 변화에 따라서 생기는 힘이라는 근본적인 공통점때문에, 물리 상수만 적절하게 수정하더라도 중력장에 대한 이론을 곧바로 쓸 수 있을 정도. 때문에 알베르트 아인슈타인의 가장 존경 받을 점은 뛰어난 천재성보다는 불세출의 직관이라고 생각함.
특수 상대성 이론만을 놓고 보면, 빛의 이론이 많이 등장했던 당대의 물리학이 만들어낸 당연한 의문점과 그에 따른 결과가 아닐지
그러나 이를 집대성하고 어마어마한 통찰력으로 상대론이라는 빛의 전자기적 운동역학의 성질을 후에 장이론 으로 집대성한 아인슈타인이 대단하다는 것은 인정할 수 밖에 없는듯.