[특수상대성이론] 동시성이 사라지다

안녕하세요 @chosungyun입니다.
우리가 사는 이 세상은 어떤 일이든지 발생한다면 그 순간은 모두 같은 순간으로 기억을 합니다.
감정적으로는 다르게 기억할지는 몰라도 어떤 사건이 일어난 순간은 모두 같은 순간입니다.

하지만, 이 동시에 발생한다는 것이 상대론이 적용되는 세상에서도 같을까요?

특수상대성이론을 발표한 아인슈타인은 상대론에 관한 상상을 기차를 타고 다니면서 많이 했다고 합니다.
그래서 우리도 기차를 예를 들면서 동시성이 유지될지 아니면 무너질지 알아보겠습니다.

머릿속으로 지금부터 상상을 해야 합니다.

우선 여러분은 눈앞에 기찻길이 보이는 위치에 서서 바라보고 있는 관측자입니다.
그리고 열차 칸의 중앙에는 빛을 내는 램프가 있습니다. 빛을 가린 상태로 말이죠.
그리고 그 칸의 양 끝에 각각 사람이 서 있어서 관측을 하는 동시에 손을 든다고 합시다.
여기서 이 사람이 빛을 보고 손을 드는데 걸리는 반응 시간 이런 것은 고려하지 않겠습니다.
그냥 보이는 그 순간 손을 들게 됩니다.

그럼 이 환경에서 빛을 내는 램프의 가림막을 치우게 된다면 어떻게 될까요?

우선 열차 안에서 바라본다면 양 끝에 있는 두 사람은 동시에 손을 들게 됩니다.
왜냐하면, 같은 관성계 안에서 빛의 이동속도는 동일하고 시간도 똑같기 때문에 두 사람은 동시에 빛이 도달하는 사건을 감지합니다.

하지만, 여러분이 처음에 서 있던 위치인 기차를 밖에서 바라본다면 어떻게 될까요?
이제는 기차의 속도도 고려대상이 됩니다.
기차가 오른쪽으로 빛의 속도에 가깝게 움직이고 있다면 가림막을 치우고 빛을 관측하여 손을 드는 것은 왼쪽에 있는 사람이 먼저 들게 됩니다.
왜냐하면 램프로부터 빛이 왼쪽이로 이동하면서 동시에 기차가 오른쪽으로 이동하기 때문에 왼쪽에 있는 사람까지 도달하는데 걸리는 시간이 짧아지고 반면 오른쪽은 기차의 이동방향과 같은 방향으로 빛이 오기 때문에 도달이 늦어집니다.

즉, 고전역학에서 말했던 동시성이 파괴가 됩니다…
그런데 우리가 아는 하나의 사실이 있습니다.
빛의 속도는 불변이다. 항상 광속으로 일정하다는 것입니다.
빛의 속도가 변한 것이 아니라면 그럼 위의 동시성 파괴를 어떻게 받아들여야 할까요?
실제로 동시에 일어나지 않은 사건인 걸까요?
가림막을 여는 행위를 두 번 하지 않았기 때문에 동시에 일어난 사건이 아니라고 말하기는 힘듭니다.
그렇다면 이것을 관측하는 시간이 다르게 흘러갔다고 생각할 수 있습니다.
똑같은 거리였고 속도가 같다면 시간이 다르게 흐른 것이라고 볼 수밖에 없는 것이죠.

어떠신가요?
사고실험이 이해가 되시나요?
결국 어떠한 관성계(정지 혹은 운동하는)냐에 따라 사건이 동시에 발생한다는 고전역학의 관점은 무너지고 시간이 서로 다르게 흐른다는 것을 알 수 있게 됩니다.

상대론에 따르면 연인들이 ‘너와 나 이 순간부터 우린 함께야’ 라고 약속한 순간을 다르게 기억한다면 우리는 다른 관성계에 존재했었구나라고 이해할 수 있을지도 모르겠습니다..ㅎㅎ

다음 포스팅에서는 다르게 흘러간다는 이 시간이 어떻게 다르게 흘러갈지 알아보도록 하겠습니다.
여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!

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“해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글이미지입니다”