안녕하십니까? 김 영식입니다.
이미 예고된 ‘절대성이론’의 ‘5. 쌍둥이 역설의 오해와 미해결 과제’를 올립니다.
진정한 의미의 물리학을 연구하시는 분들에게 도움이 되기를 바랍니다.
5. 쌍둥이 역설의 오해와 미해결 과제
아인슈타인의 상대성이론에서 도입한 상대적 좌표계는 허구적 위상을 갖는다. 하나의 예로 운동 관측자와 운동 물체는 공간의 체적(부피)이 없는 하나의 질점으로 정의된다. 이러한 질점의 운동 관측자와 운동 물체는 공간의 체적이나 고유의 관성계를 독자적으로 가질 수 없다. 그러므로 질점의 운동 관측자와 운동 물체에게 설정한 상대적 좌표계는 관성계의 기반이 없는 허구적 위상이고, 이 허상의 상대적 좌표계는 실천적 활용의 가치가 전혀 없다. 즉 상대성이론의 도입과정이나 상대론적 좌표변환식의 유도과정에서 설정한 관측자의 정지 좌표계 S와 운동물체의 변위 좌표계 S'는, 관성계의 기반을 갖지 않는 허구적 위상이다. 또한 허상의 상대적 좌표계를 활용하는 과정에서는, 반드시 쌍둥이의 역설과 같은 논리적 결함이 표출된다.
쌍둥이 역설이 특수 상대성이론의 관점에서 제기되었으나, 이 쌍둥이 역설은 그동안 특수 상대성이론의 관점으로 해결할 수 없었다. 이와 같이 특수 상대성이론의 관점에서 제기된 쌍둥이 역설이 특수 상대성이론의 관점으로 해결할 수 없었던 것은, 이 특수 상대성이론이 비정상적 논리로 성립된 것을 암시한다. 물론 강단의 물리학자들은 그동안 특수 상대성이론의 관점에서 제기된 쌍둥이의 역설을 일반 상대성이론의 변칙적 개입으로 해명하였으나, 이러한 일반 상대성이론의 해명마저도 다른 의미의 새로운 논리적 결함을 갖는다. 그러므로 쌍둥이의 역설은 아직까지 해결되지 않은 것으로 이해할 수 있다.
운동 물체가 갖는 시간의 지연효과는 특수 상대성이론과 일반 상대성이론의 관점에서 개별적으로 예측한다. 그러나 특수 상대성이론에서 예측한 시간의 지연효과와 일반 상대성이론에서 예측한 시간의 지연효과는 각각 다른 작용원리로 발생된다. 즉 특수 상대성이론의 관점으로 예측한 시간의 지연효과는 등속도의 상대적 운동에 의해 발생된다. 그러나 일반 상대성이론의 관점으로 예측한 시간의 지연효과는 가속운동이나 시공구조의 굴곡기능에 의해 발생된다. 그러므로 특수 상대성이론의 관점으로 예측한 시간의 지연효과와 일반 상대성이론의 관점으로 예측한 시간의 지연효과는 엄격하게 구별되어야 한다.
특수 상대성이론의 주장처럼 등속도의 상대적 운동에 의해 예측된 시간의 지연효과는 자연의 물리현상을 유효적으로 표현한다. 하나의 예로 지구의 성층권에서 생성된 뮤중간자(μ-meson)가 광속도의 0.9998 배(0.9998 C)로 운동할 경우, 이 뮤중간자의 수명은 본래의 예상치보다 50 배가 연장된다. 또한 준광속도의 뮤중간자가 시간의 지연효과를 갖는 것처럼, 빠른 속도로 운동하는 관측자에게도 시간의 지연효과가 발생할 것으로 예측된다.
아인슈타인의 특수 상대성이론은 등속도로 운동하는 관성계(좌표계)와 정지상황의 관성계에서 동일한 물리법칙이 적용되는 것을 전제한다. 이러한 특수 상대성이론의 관점에서 등속도로 운동하는 관측자의 시간은 정지했을 때와 동일한 가치의 시간단위를 가져야 한다. 즉 등속도로 운동하는 관측자의 시간단위는, 운동효과의 영향을 받지 않는다. 그러나 관측자에 대해 상대적으로 운동한 피관측 대상은 시간의 지연효과를 갖는다.
특수 상대성이론의 관점으로 예측된 시간의 지연효과를 쌍둥이 형 A와 동생 B에게 적용하면, 이들의 두 형제에게 쌍둥이 역설의 난제가 표출된다. 즉 우주선의 쌍둥이 형 A가 우주의 먼 곳을 여행하여 되돌아오고, 쌍둥이 동생 B가 지구에 남겨졌을 경우, 이 쌍둥이 형 A와 동생 B의 관계는 상대적으로 운동하는 효과를 갖는다. 여기에서 쌍둥이 동생 B의 입장으로 보면, 상대적으로 운동한 형 A의 나이가 더욱 느려진 것으로 관찰되어야 한다. 또한 등속도의 상대적 운동에 의한 시간의 지연효과는 쌍둥이 형 A도 동일한 조건으로 갖는다. 그러므로 우주를 여행한 쌍둥이 형 A가 지구의 동생 B를 관찰하면, 동생 B의 나이가 더욱 느려진 것으로 관측되어야 한다.
특수 상대성이론의 주장처럼 공허의 우주공간에서 쌍둥이의 형과 동생이 상대적으로 운동할 경우, 이 형과 동생에게 발생한 형과 동생의 시간은 동일한 조건의 지연효과를 갖는다. 그러므로 형과 동생에게 발생한 시간의 지연효과는 상쇄적으로 소멸되어야 한다. 또한 형과 동생에게 발생한 시간의 지연효과가 상쇄적으로 소멸되면, 형과 동생의 상대적 입장에서 서로에게 발생한 시간의 변화적 차이를 확인할 방법이 없다.
특수 상대성이론의 관점으로 예측된 상황처럼 쌍둥이 동생 B의 입장으로 관찰한 형 A의 시간이 느리게 흐르고, 형 A의 입장으로 관찰한 동생 B의 시간이 느리게 흐르는 것은, 논리적으로 성립되지 않는다. 왜냐하면 쌍둥이의 형 A와 동생 B가 상대운동에 의한 시간의 지연효과를 동일한 조건으로 가질 경우, 이 시간의 지연효과가 상쇄적으로 소멸되기 때문이다. 또한 상대적으로 운동하는 쌍둥이의 형 A와 동생 B에게 시간의 지연효과가 동일한 조건으로 발생되면, 이 시간의 지연효과를 비교형식으로 확인할 방법이 없다. 이와 같이 상대운동에 의한 시간의 변화적 차이가 확인될 수 없다는 의미의 논리적 결함은 쌍둥이의 역설(파라독스)이라고 부른다.
현대물리학을 강의하는 물리학자들은 그동안 특수 상대성이론의 관점으로 제기된 쌍둥이 역설의 논리적 결함을 일반 상대성이론의 관점으로 해명하였다. 즉 현대물리학에서는 특수 상대성이론의 관점으로 해결할 수 없었던 쌍둥이 역설의 논리적 결함을 일반 상대성이론의 변칙적 논리로 해명하였다. 하나의 예로 일반 상대성이론은 지구에 남겨진 쌍둥이 동생 B가 정지 관성계(정지 좌표계)를 갖고, 정지 관성계를 갖는 동생 B에게 시간의 지연효과가 발생되지 않았으나, 여행하는 쌍둥이 형 A가 가속운동의 관성계를 갖고, 가속운동의 관성계를 갖는 형 A에게 시간의 지연효과가 발생되는 것으로 해석한다.
쌍둥이 역설의 논리적 결함을 일반 상대성이론의 관점으로 해명하는 과정에서 시간의 지연효과가 발생된 원인은, 쌍둥이 형 A와 동생 B가 비대칭적 운동효과를 가졌기 때문이다. 이러한 논리의 해석은 시간의 지연효과가 오직 운동의 방향전환이나 비대칭적 가속도의 운동에 의해 발생되는 의미만을 반영하고, 시간의 지연효과가 등속도의 상대적 운동에 발생되는 의미를 반영하지 않았다. 만약 일반 상대성이론의 주장처럼 쌍둥이의 형 A가 갖는 시간의 지연효과를 가속도의 운동에 의해 발생되는 것으로 해석할 경우, 등속도의 상대운동을 전제한 시간의 지연효과가 무시된다. 즉 시간의 지연효과가 오직 가속도의 운동에 의해 발생하는 것으로 해석되면, 등속도의 상대적 운동으로 예측된 시간의 지연효과를 반영할 수 없다.
특수 상대성이론의 관점에서 관성계의 대칭적 등속운동으로 유도한 시간의 지연효과와, 일반 상대성이론의 관점에서 비관성계의 비대칭적 가속운동으로 유도한 시간의 지연효과는, 성립조건이나 물리적 의미가 전혀 다르다. 또한 특수 상대성이론의 관점에서 유도한 시간의 지연효과와, 일반 상대성이론의 관점에서 유도한 시간의 지연효과는 어떠한 관련성도 갖지 않는다. 여기에서 등속운동의 관성계가 갖는 시간의 지연효과와 가속운동의 비관성계가 갖는 시간의 지연효과를 엄격하게 구별하면, 쌍둥이 역설이 정상적으로 해결되지 않는다. 하나의 예로 쌍둥이 역설의 논리적 결함을 일반 상대성이론의 비대칭적 가속운동으로 해석할 경우, 특수 상대성이론의 대칭적 등속운동에 의한 시간의 지연효과가 부정된다. 그러므로 일반 상대성이론의 관점에서 제시한 쌍둥이 역설의 해석은, 우주를 여행한 형 A에게 시간의 지연효과가 발생되었다는 주장을 합리화시키기 위한 억지의 변칙적 변명에 불과하다.
강단 물리학자들이 주장하는 일반 상대성이론처럼 시간의 지연효과가 오직 가속도의 운동에 의해 발생될 경우, 쌍둥이의 형 A가 가속도로 운동하는 순간에만 시간의 지연효과를 일시적으로 갖고, 등속도로 운동하는 동안은 시간의 지연효과를 지속적으로 가질 수 없다. 여기에서 쌍둥이의 형 A가 가속도로 운동하는 순간에만 시간의 지연효과를 일시적으로 가지면, 이 시간의 지연효과가 우주여행의 거리차이에 대해 연관될 수 없다. 하나의 예로 쌍둥이의 형이 50 억 광년의 우주여행을 하거나, 10억 광년의 우주여행을 하더라도, 이들의 두 우주여행은 동일한 크기의 가속구간을 갖고, 동일한 크기의 가속구간을 갖는 두 우주여행은 시간의 지연효과가 동일해야 된다.
일반 상대성이론의 주장처럼 시간의 지연효과가 가속도의 운동에 의해 일시적으로 발생되면, 쌍둥이의 형 A가 수십 억 광년의 먼 우주를 여행하더라도 가속운동의 기간은 매우 짧아서 시간의 지연효과가 매우 작을 것으로 예상된다. 이와 같이 시간의 지연효과가 가속도의 운동(일반 상대성이론)에 의해 발생되는 것으로 해석할 경우, 우주를 여행한 쌍둥이의 형 A는 시간의 지연효과를 지속적으로 가질 수 없다. 이러한 논리의 관점에서 시간의 지연효과를 일반 상대성이론의 관점으로 해석하는 것은, 쌍둥이의 역설이 갖는 문제의 본질을 왜곡한 것이다.
특수 상대성이론의 관점에서 쌍둥이의 형 A과 동생 B가 갖는 등속도의 상대적 운동은, 그동안 가속되었던 과정이나 가속상황을 포함하지 않고, 오직 최종적으로 나타난 등속도의 상대적 운동만을 반영한 것이다. 여기에서 등속도의 상대적 운동이 그동안의 가속과정을 포함하지 않으면, 쌍둥이의 형 A가 갖는 시간의 지연효과도, 오직 등속도의 상대적 운동이라는 하나의 조건으로 해석되어야 한다.
특수 상대성이론의 가장 중요한 전제조건은 등속도의 관성계에서 모든 물리법칙이 동일한 형태로 적용되는 것이다. 그러므로 시간의 지연효과가 등속도의 관성계를 갖는 쌍둥이의 형 A나 동생 B에게 완벽한 대칭구조로 적용되어야 된다. 이러한 논리의 쌍둥이 역설이 특수 상대성이론의 관점으로 해결되는 것은 불가능하다. 하나의 예로 일반 상대성이론의 주장처럼 쌍둥이 역설의 문제점을 해결하기 위하여, 가속운동의 비관성계가 개입되거나, 가속운동의 비대칭적 조건이 개입되는 의미의 해설은, 특수 상대성이론의 범주를 벗어난 것이다.
쌍둥이 역설은 특수 상대성이론의 관점으로 제기되었으나, 이 쌍둥이 역설이 특수 상대성이론의 관점으로 해결되지 않는다. 또한 특수 상대성이론의 관점에서 쌍둥이 역설의 논리적 결함이 해결될 가능성은 희박하다. 이러한 쌍둥이 역설의 논리적 결함이 특수 상대성이론의 관점에서 해결되지 않는 이유는, 이 쌍둥이 역설을 최초로 제기했던 특수 상대성이론의 논리적 구조가 비정상적 결함을 갖기 때문이다. 즉 특수 상대성이론에서 도입한 상대적 좌표개념이 왜곡적 의미를 갖고, 이 왜곡적 의미의 좌표개념을 변칙적으로 활용하는 과정에서 쌍둥이 역설이 표출된 것이다. 이와 같이 특수 상대성이론에서 도입한 상대적 좌표개념이 왜곡적 의미를 가지면, 이 왜곡적 의미의 좌표개념을 이용하여 성립된 모든 주장이 쌍둥이 역설처럼 변칙적으로 진화할 수밖에 없다.
특수 상대성이론의 쌍둥이 역설에서 형과 동생이 갖는 시간의 지연효과는 오직 등속도의 대칭적 상대운동으로 발생되었다. 이와 같이 쌍둥이 역설이 등속도의 대칭적 상대운동으로 제기되었으나, 이 쌍둥이의 역설은 등속도의 상대운동으로 해결되지 않는다. 쌍둥이 역설이 특수 상대성이론의 관점으로 해결되지 않는 이유는, 특수 상대성이론에서 도입한 상대적 좌표개념이 왜곡되고, 이 왜곡된 상대적 좌표개념을 변칙적으로 활용하였기 때문이다. 특수 상대성이론의 상대적 좌표개념이 왜곡되었을 경우, 이 상대적 좌표개념을 이용한 모든 이해방법이 쌍둥이 역설처럼 변칙적으로 발전할 수밖에 없다.
특수 상대성이론의 상대적 좌표개념을 처음으로 도입하는 과정에서 암묵적으로 전제된 요구조건은, 피관측 작용인자(소립자)를 관측자의 반응대상로 가정한 것이다. 이와 같이 피관측 작용인자(소립자)를 관측자의 반응대상으로 가정한 상대적 좌표개념에서는, 쌍둥이 역설과 같은 논리적 결함이 필연적으로 표출된다. 그러나 필자의 주장처럼 우주공간이 하나의 절대적 좌표계를 갖는 것으로 가정하면, 관측자의 운동이나 작용인자(물체, 소립자)의 운동이 우주공간의 절대적 좌표계에 대해 절대적 가치로 표현된다. 또한 관측자의 운동이나 작용인자(소립자)의 운동이 우주공간의 절대적 좌표계에 대해 절대적 가치로 표현되는 과정에서는, 쌍둥이 역설과 같은 논리적 결함이 나타나지 않는다. 즉 하나의 절대적 좌표계를 갖는 우주공간에서는 운동대상과 정지대상이 분명히 차별화되고, 우주공간의 절대적 좌표계에 대해 운동하는 대상만이 시간의 지연과 같은 물리적 변화의 효과를 갖는다.
이상의 설명처럼 특수 상대성이론의 상대적 좌표계를 도입하기 위한 기본적 전제조건, 상대적 좌표계의 다중적 설정과 배치, 상대적 좌표계의 활용 등은 상식적 경험의 수준으로 수용되지 않는다. 즉 아인슈타인이 상대성이론을 도입하는 과정이나 활용하는 과정의 모든 주장은, 처음부터 끝까지 비정상의 논리로 구성되었다. 하나의 예로 관성계의 기반이 없는 허상의 상대적 좌표개념을 도입하고, 이 허상의 상대적 좌표개념을 활용하는 과정에서는, 쌍둥이 역설과 같은 심각한 논리적 결함이 필연적으로 표출된다. 이러한 필자의 지적은 상대성이론의 진화과정이 변칙적 논리로 전개되고, 상대성이론에 대한 그동안의 긍정적 인식이 심각하게 왜곡되었다는 것을 의미한다. 이와 같이 상대성이론의 기본개념이 논리적 결함을 가졌으면, 이 상대성이론을 대체할 수 있는 새로운 패러다임의 해결방안이 도입되어야 한다.
일반적 우주공간은 하나의 관성계로 간주되고, 하나의 관성계로 간주되는 일반적 우주공간에서는 오직 하나의 좌표계가 설정되어야 한다. 그러므로 하나의 좌표계가 설정된 일반적 우주공간에서는 복수의 상대적 좌표계가 다중적으로 설정될 수 없다. 특히 좌표계의 표현대상은 반드시 해당 좌표계의 내부에 포용되어야 한다. 여기에서 좌표계의 표현대상이 해당 좌표계의 내부에 포용될 경우, 표현대상의 작용인자(물체)에 대해 상대적 변위 좌표계를 불필요하게 설정할 이유가 없다. 즉 하나의 관성계로 간주되는 일반적 우주공간에서 다중적으로 설정된 상대적 좌표계와, 표현대상의 작용인자(물체)에 대해 설정한 상대적 변위 좌표계는 허구적 위상이다. 이러한 허구적 위상의 상대적 좌표계는 실천적 활용의 가치가 전혀 없다.
허상의 상대적 좌표계를 적용한 상대성이론의 기본개념은 논리적 결함을 갖는다. 여기에서 상대성이론의 기본개념이 논리적 결함을 가졌으나, 상대성이론의 기본개념으로 유도한 상대론적 좌표변환식(로렌츠인수 ϒ)은 실제적 상황에서 유효하게 활용된다. 이러한 상대론적 좌표변환식이 유효하게 활용되는 것은, 상대론적 좌표변환식(로렌츠인수 ϒ)의 유도과정이 왜곡되었으나, 이 상대론적 좌표변환식(로렌츠인수 ϒ)의 구조가 정상적으로 형성되었다는 것을 의미한다. 특히 우주공간의 절대적 좌표계를 주장하는 필자의 ‘절대성이론’에서는 상대론적 좌표변환식의 로렌츠인수 ϒ를 대체하기 위한 새로운 패러다임의 ‘절대 바탕인수 β’가 제시된다. 필자가 제시한 절대성이론의 ‘절대 바탕인수 β’의 구조에서는 상대론적 좌표변환식의 긍정적 형태를 일부분의 요소로 포용한다.
아인슈타인의 상대성이론이 타당하다는 것을 논리적으로 증명하려면, 특수 상대성이론의 관점에서 제기된 쌍둥이 역설의 논리적 결함을 특수 상대성이론의 관점으로 해결할 수 있어야 한다. 만약 특수 상대성이론의 관점에서 제기된 쌍둥이 역설의 논리적 결함을 특수 상대성이론의 관점으로 해결할 수 없으면, 상대성이론의 기본개념이 폐기되어야 한다. 상대성이론의 중대한 오류는 관성계와 좌표계의 의미를 왜곡적으로 정의하고, 왜곡적으로 정의된 관성계와 좌표계의 의미를 변칙적으로 활용하는 순간부터 시작되었다. 그러므로 상대성이론을 대체하기 위한 새로운 패러다임의 해결방안에서는, 관성계와 좌표계의 의미가 새롭게 정의되고, 새롭게 정의된 관성계와 좌표계의 의미가 정상적으로 활용되어야 한다.
끝까지 읽어 주셔서 감사드립니다.
다음의 차례는 ‘6. 속도의 정의를 부정하는 광속일정법칙’입니다.
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