안녕하십니까? 김 영식입니다.
이미 예고된 ‘절대성이론’의 ‘6. 속도의 정의를 부정하는 광속일정법칙’을 올립니다.
진정한 의미의 물리학을 연구하시는 분들에게 도움이 되기를 바랍니다.
6. 속도의 정의를 부정하는 광속일정법칙
일반적으로 물체의 두 운동속도 v1과 v2는 합산적으로 가감된다. 하나의 예로 운동 기차의 내부에서 물체를 전방으로 던질 경우, 이 물체의 실제적 운동속도는 기차의 운동속도만큼 합산적으로 증가된다. 즉 기차의 운동속도를 v1라 하고, 기차의 내부에서 던져진 물체의 운동속도를 v2라 하면, 기차 내부의 물체가 마지막으로 갖는 실제적 운동속도 v를
v = v1 + v2 (6-1)
의 구조로 표현할 수 있다. 이와 같이 기차 내부의 물체가 마지막으로 갖는 실제적 운동속도 v는, 운동 기차의 외부에서 관찰된 것이다.
일상적 경험으로 확인할 수 있듯이, 물체의 운동속도는 반드시 시간에 따른 위치의 변위량(운동거리)으로 표현되어야 한다. 여기에서 물체의 운동시간을 t라 하고, 물체가 갖는 운동거리의 변위량을 L라 하면, 이 물체의 운동속도를 v가
v = (6-2)
의 구조로 표현될 수 있다. 식 (6-1)의 구조처럼 두 대상의 운동속도가 하나의 벡터량으로 합산되고, 식 (6-2)의 구조처럼 물체의 운동속도가 시간에 따른 위치의 변위량(운동거리)으로 표현되는 속성은, 공리적 성격이 강하므로 편의상 ‘속도의 공리’라고 부르겠다.
대다수의 물리학자들은 그동안 식 (6-1)과 (6-2)의 구조로 표현한 ‘속도의 공리’가 광속일정법칙을 전제한 아인슈타인의 상대성이론(로렌츠의 좌표변환식)에서 수용되는 것으로 오해(착각)하였다. 그러나 상황의 조건에 따라서 상대성이론의 광속일정법칙은 속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)를 수용하지 않고, 속도의 공리는 상대성이론의 광속일정법칙을 수용하지 않는다. 즉 좌표계의 중심적 위치(좌표축의 0점)에서 관측자가 정지상황으로 존재할 경우, 이 정지 관측자에게 광파의 전파속도는 항상 일정한 크기로 측정된다. 그러므로 좌표계의 중심적 위치를 갖는 정지 관측자에게는 상대성이론의 광속일정법칙이 성립될 수 있으나, 식 (6-1)과 (6-2)의 구조로 표현한 ‘속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)’가 수용되지 않는다. 또한 좌표계에서 관측자가 운동할 경우, 이 운동 관측자의 입장으로 측정한 광파의 전파속도는 합산적으로 증감된다. 이러한 조건의 운동 관측자에게는 식 (6-1)과 (6-2)의 구조로 표현한 ‘속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)’가 성립될 수 있으나, 상대성이론의 광속일정법칙이 수용되지 않는다.
관측자가 좌표계의 중심적 위치(좌표축의 0점)에서 정지상황으로 존재하면, 이 정지 관측자의 입장에서 관찰한 광파의 전파속도가 항상 일정한 크기로 측정된다. 왜냐하면 우주공간의 좌표계(공간계)가 광파의 전파속도를 본래의 가치로 보존하고, 우주공간의 좌표계가 본래의 가치로 보존한 광파의 전파속도를 정지 관측자의 입장으로 측정하였기 때문이다. 만약 광원체가 운동하더라도, 우주공간의 좌표계가 광파의 전파속도를 본래의 가치로 보존하여서, 우주공간의 좌표계가 보존한 광파의 전파속도는 정지 관측자에게 항상 일정한 크기로 측정된다.
지구의 중력장은 일반적 우주공간에 대해 독립적으로 분리된 공간계와 좌표계를 갖고, 이 중력장의 공간계와 좌표계는 일반적 우주공간의 조직체제(공간계와 좌표계)에 대해 30 km/sec의 속도로 공전한다. 또한 일반적 우주공간에서 300 000 km/sec의 광속도를 갖는 광파가 지구의 중력장 내부로 진입될 경우, 지구의 중력장 내부로 진입된 광파는 다시 300 000 km/sec의 광속도를 유지한다. 여기에서 지구의 중력장 내부로 진입된 광파의 전파속도는 공전운동의 영향을 받지 않는다. 이와 같이 지구의 중력장 내부로 진입된 광파의 전파속도가 300 000 km/sec의 광속도를 불변적으로 유지하면, 상대성이론의 광속일정법칙이 유효한 것으로 오해(착각)될 수 있다.
지구의 중력장 내부에서 관측자가 운동하면, 이 운동 관측자의 입장으로 측정한 광파의 전파속도가 반드시 합산적으로 변화되어야 한다. 즉 지구 중력장의 조직체제(공간계와 좌표계)는 광파의 전파속도를 일정한 크기로 보존한다. 이와 같이 광파의 전파속도를 일정한 크기로 보존한 지구의 중력장 내부에서 관측자가 운동할 경우, 이 운동 관측자의 입장으로 측정한 광파의 전파속도는 관측자의 운동속도만큼 합산적으로 변화되어야 한다. 왜냐하면 광파의 전파속도를 일정한 크기로 보존한 지구 중력장의 조직체제에 대해 관측자가 운동하였기 때문이다. 그러므로 지구의 중력장 내부에서 광속도의 합산적 변화를 관찰한 운동 관측자에게는 상대성이론의 광속일정법칙이 성립되지 않는다.
운동 관측자에게 상대성이론의 광속일정법칙이 성립하지 않는다는 필자의 주장은, 다음과 같은 사고실험을 통하여 더욱 분명하게 이해될 수 있다. 즉 300 000 km/sec의 광속도로 전파되는 광파에 대해 관측자(실험기구)가 250 000 km/sec의 속도로 따라 갈 경우, 이 운동 관측자의 입장으로 측정한 광파는 50 000 km/sec의 속도를 가져야 한다. 여기에서 운동 관측자의 입장으로 측정한 광파는 1 초당 50 000 km의 거리를 이동하였고, 1 초당 50 000 km의 거리를 이동한 효과가 좌표축(X)의 정형적 위치로 표현된다. 또한 광파의 변위거리(L1)와 관측자의 변위거리(L2)가 좌표축(X)의 정형적 위치로 표현되는 과정에서, 이들의 두 변위거리(L1, L2)는 선형적으로 합산(L=L1+L2)되고, 이 선형적 합산거리(L=L1+L2)가 광파의 전파속도(C=L/t)를 결정한다. 그러므로 관측자와 광파의 관계가 1 초당 50 000 km의 거리차이(L=L1+L2)를 갖는 것은, 광파의 최종적 전파속도가 50 000 km/sec의 크기로 표현되는 것을 의미한다.
관측자와 광파의 관계가 갖는 50 000 km의 거리차이는 좌표축의 정형적 위치로 표현된 간격이며, 이 50 000 km의 거리차이를 좌표축의 정형적 위치에서 보존한다. 또한 좌표축의 정형적 위치에서 보존한 50 000 km의 거리차이는, 식 (6-2)의 구조처럼 광파의 전파속도(C=L/t)를 결정한다. 이러한 광속도(C=L/t)의 본질은 관측자의 운동으로 발생한 광파의 변위거리(L=L1+L2)를 시간(t)의 크기로 나눈 것이다. 이와 같이 광속도가 관측자의 운동에 의해 변화되면, 이 운동 관측자에게 상대성이론의 광속일정법칙이 성립되지 않는다. 그러므로 상대성이론의 광속일정법칙은 광속도(C=L/t)의 가치가 시간(t)에 따른 광파의 변위거리(L=L1+L2)로 표현되지 않는 논리적 결함을 갖는다.
식 (6-1)과 (6-2)의 구조로 표현한 ‘속도의 공리’에서는, 광속도가 가변적으로 증감되는 것을 주장한다. 즉 식 (6-1)과 (6-2)의 구조로 표현된 ‘속도의 공리’를 전제하면, 운동 관측자의 입장에서 광속도의 변화효과가 반드시 검출되어야 한다. 또한 속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)처럼 운동 관측자의 입장으로 측정한 광파의 전파속도가 가변적으로 증감될 경우, 상대성이론의 광속일정법칙은 성립하지 않는다. 아인슈타인의 주장처럼 상대성이론의 광속일정법칙이 성립하려면, 운동 관측자 입장으로 측정한 광파의 전파속도가 변화되지 않아야 한다. 이러한 논리의 관점에서 광속도의 가변적 증감효과를 주장하는 속도의 공리와 광속도의 불변성을 주장하는 상대성이론의 광속일정법칙은 동시적으로 양립될 수 없다. 여기에서 식 (6-1)과 (6-2)의 구조로 표현된 속도의 공리가 논리적으로 타당하면, 상대성이론의 광속일정법칙이 폐기되어야 한다.
아인슈타인이 주장한 상대성원리의 광속일정법칙은 일반적 광속도 c보다 더욱 빠른 초광속도(c
아인슈타인이 주장한 상대성이론의 광속일정법칙에서는 식 (6-1)과 (6-2)의 구조로 표현된 속도의 공리를 부정한다. 그러나 아인슈타인이 상대론적 좌표변환식(로렌츠의 좌표변환식)을 유도하는 과정에서는, 상대성이론의 광속일정법칙(c=c')보다 식 (6-1)과 (6-2)의 구조로 표현한 속도의 공리가 더욱 우선적 입장으로 선택되었다. 이러한 상대론적 좌표변환식의 유도과정에서 좌표계의 변위효과(s->s‘)가 반영된 c'=c+v(cs‘)를 반영한 c'=c+v의 속성은, 좌표계(s)의 운동속도 v와 좌표축(t)의 광속도 c가 선형적 구조로 합산된 것이다.
상대론적 좌표변환식의 유도과정에서는 광속일정법칙(c=c')보다 속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)가 우선적 입장으로 선택된 의미를 갖는다. 또한 속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)가 우선적 입장으로 선택된 상대론적 좌표변환식은, 실제의 상황에서 유효적으로 활용되는 것을 발견할 수 있다. 이와 같이 속도의 공리를 전제한 상대론적 좌표변환식이 유효적으로 활용되는 것은, 상대론적 좌표변환식의 유도과정에 적용한 c'=c+v(c
아인슈타인의 주장처럼 속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)보다 상대성이론의 광속일정법칙(c=c')이 우선적 입장으로 선택될 경우, 상대론적 좌표변환식의 유도과정에서 c'=c+v(c=c'의 필수조건)의 등식적 개념이 적용되어야 한다. 그러나 상대론적 좌표변환식의 유도과정에서 c'=c+v(c=c'의 필수조건)의 등식적 개념을 적용하면, c+v의 합산적 광속도와 c의 단독적 광속도가 구별될 수 없고, c+v의 합산적 광속도와 c의 단독적 광속도가 구별되지 않는 상대론적 좌표변환식은 정상적으로 성립할 수 없다. 또한 광속도의 가치가 항상 일정한 크기로 유지되는 c'=c+v(c=c'의 필수조건)의 등식적 개념을 물체의 광속도에 적용하면, 엄밀한 의미의 관점에서 물체의 광속도와 운동량(운동에너지의 규모)이 연계적으로 비례되지 않는다. 여기에서 물체의 광속도와 운동량(운동에너지의 규모)이 연계적으로 비례되지 않는 것은, 광속도의 운동 물체에 대해 에너지의 보존법칙이 성립될 수 없다는 것을 의미한다.
운동 물체가 갖는 광속도와 운동량(운동에너지의 규모)의 비례적 관계를 표현하는 과정에서, 일반적 광속도보다 더욱 빠른 속도의 존재를 부정한 c'=c+v(c'=c의 필수조건)의 등식적 개념이 선택될 경우, 외부의 다른 운동에너지(운동속도 v)가 광속도 c의 광파에 대해 변화의 영향력을 추가적으로 행사할 수 없다. 그러나 외부의 다른 운동에너지(운동속도 v)는 광속도 c의 광파에 대해 변화의 영향력을 행사한다. 하나의 예로 광학적 도플러(Doppler)효과의 방정식을 유도하는 과정에서는, 반드시 일반적 광속도보다 더욱 빠른 속도의 존재를 인정한 c'=c+v(c
운동 관측자의 입장으로 관찰한 광파의 전파속도가 c'=c+v(c
광학적 도플러효과의 방정식에서는 오직 c'=c+v(c'>c의 필수조건)의 합산적 개념이 포함되고, 상대성이론의 광속일정법칙을 전제한 c'=c+v(c'=c의 필수조건)의 등식적 개념이 포함되지 않았다. 만약 광학적 도플러효과의 방정식에 c'=c+v(c'=c의 필수조건)의 등식적 개념이 포함되었으면, 이 도플러효과의 방정식으로 표현한 광파의 진동수 fo가
fo = f(c+v=c', c=c'의 필수조건 )
fo = f
fo = f(불변) (6-3)
의 크기를 불변적으로 유지해야 된다. 이와 같이 광학적 도플러효과 방정식으로 표현한 광파의 진동수 fo가 본래의 크기를 불변적으로 유지하는 것은, 광파의 진동수 fo가 관측자의 운동속도 v에 의해 증감(변화)되지 않는 것을 의미한다. 그러나 운동 관측자가 실제적으로 관찰한 광파의 진동수 fo는 관측자의 운동속도 v에 의해 증감(변화)된다. 그러므로 상대성이론의 광속일정법칙을 전제한 c'=c+v(c'=c의 필수조건)의 등식적 개념은 광학적 도플러효과 방정식에 적용될 수 없다.
필자의 주장처럼 c'=c+v의 선형적 합산구조가 갖는 c'>c의 필수조건이나 c'=c의 필수조건에 따라서, c'=c+v의 선형적 합산구조가 적용된 방정식의 본질은 전혀 다른 물리적 의미를 갖는다. 또한 광학적 도플러효과의 방정식에서는 상대성이론의 광속일정법칙을 전제한 c'=c+v(c'=c의 필수조건)의 등식적 개념이 적용될 수 없다. 이와 같이 상대성이론의 광속일정법칙을 전제한 c'=c+v(c'=c의 필수조건)의 등식적 개념이 광학적 도플러효과 방정식에 적용될 수 없는 것은, 이 상대성이론의 광속일정법칙이 정상적으로 성립되지 않는 것을 의미한다. 그러므로 광학적 도플러효과의 방정식에서 적용될 수 없는 상대성이론의 광속일정법칙은 폐기해야 된다. 즉 광학적 도플러효과의 방정식에는 c'=c+v(c
아인슈타인의 상대론적 좌표변환식이나 광학적 도플러효과의 방정식이 성립되는 과정에서는 속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)를 잠재적 조건으로 적용하였으나, 상대성이론의 광속일정법칙에서는 속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)를 완강히 거부한다. 이와 같이 상대론적 좌표변환식이나 광학적 도플러효과의 방정식에서 잠재적 조건으로 적용된 속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)를 상대성이론의 광속일정법칙이 거부하는 것은, 이 상대성이론의 광속일정법칙에 대한 그동안의 인식이 왜곡되었다는 것을 암시한다. 또한 상대론적 좌표변환식이나 광학적 도플러효과의 방정식에서 광속일정법칙의 순수한 의미(c'=c의 필수조건)가 실제적으로 적용될 수 없으면, 활용적 가치를 갖지 않는 상대성이론의 광속일정법칙이 폐기되어야 한다.
상대성이론의 광속일정법칙(c'=c+v, c'=c의 필수조건)은 ‘속도의 공리'(v=v1+v2, v=L/t)’를 수용하지 않고, ‘속도의 공리’는 상대성이론의 광속일정법칙을 수용하지 않는다. 이러한 논리의 관점에서 ‘속도의 공리’와 상대성이론의 광속일정법칙은 공존적으로 양립될 수 없다. 또한 상대성이론의 광속일정법칙과 속도의 공리가 갖는 본래의 의미를 비교하면, 이들의 두 주장이 전혀 다른 전제조건으로 구성되었다는 것을 발견할 수 있다. 즉 상대성이론의 광속일정법칙은 속도의 한계성(c=c'의 필수조건)을 주장되고 있으나, 속도의 공리(L=L1+L2, v=L/t)는 광속도보다 더욱 빠른 속도의 존재(c
상대성이론의 광속일정법칙(c'=c+v, c'=c의 필수조건)과 ‘속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)’는 공존적으로 양립될 수 없는 의미를 분명히 가졌으나, 다른 한편으로 이들의 두 주장이 각각 나름대로의 유용성도 공통적으로 갖는다. 이와 같이 공존적으로 양립될 수 없는 의미의 두 주장이 나름대로의 유용성을 공통적으로 갖는 것은, 이들의 두 주장에 대한 올바른 이해가 아직까지 부족하다는 것을 암시한다.
현대물리학의 발전과정에서는 그동안 상대성이론의 광속일정법칙(c'=c+v, c'=c의 필수조건)과 ‘속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)’가 갖는 대립적 주장을 적극적 관심으로 취급하지 않았고, 이들의 부조화를 의도적으로 외면하였다. 여기에서 상대성이론의 광속일정법칙과 ‘속도의 공리’가 갖는 대립적 입장을 올바로 이해하는 것은 물리학적으로 대단히 중요한 의미를 갖는다. 특히 상대성이론의 광속일정법칙(c'=c+v, c'=c의 필수조건)과 ‘속도의 공리(v=v1+v2, v=L/t)’를 종합적으로 분석하면, 이들의 두 주장이 도플러(Doppler)효과의 일부분에 포함되는 것을 발견할 수 있다. 또한 상대성이론의 광속일정법칙과 속도의 공리가 도플러효과의 작용원리에 포함될 경우, 이 도플러효과의 작용원리를 통하여 상대성이론의 광속일정법칙과 속도의 공리가 갖는 대립적 입장을 편리하게 해결할 수 있다. 이러한 도플러효과의 작용원리는 다음의 다른 항목에서 구체적으로 소개하겠다.
아인슈타인이 주장한 상대성이론의 기본개념에서는, 광파의 전파속도가 항상 일정한 크기로 관찰된다는 의미의 광속일정법칙을 요구한다. 또한 상대성이론의 광속일정법칙이 타당하다는 주장의 실험적 근거로는, 그동안 마이켈슨-모올리의 간섭계 실험(1881, 1886)이 제시되었다. 여기에서 일반적 우주공간의 모든 영역이 물질적 실체의 에테르(Ether)로 가득 채워졌을 경우, 공전운동의 지구에서 광속도의 변화가 반드시 검출되어야 하고, 우주공간의 에테르(좌표계)에 대한 지구의 공전속도가 절대적 가치로 표현되어야 한다. 왜냐하면 일반적 우주공간에서 지구가 공전운동을 하고, 이 공전운동을 하는 지구의 간섭계가 일반적 우주공간의 에테르와 좌표계를 투과적으로 관통하기 때문이다. 그러나 지구의 공전운동을 검출하기 위한 마이켈슨-모올리의 간섭계 실험에서는 광속도의 변화가 발견되지 않았다.
마이켈슨-모올리의 간섭계는 광속도의 변화를 검출하기 위한 기구로서 매우 완벽한 기능을 가졌으나, 이 간섭계 실험이 실패한 원인은 간섭계 실험을 수행한 당시의 상황에서 지구 중력장의 지식적 정보가 부족하였기 때문이다. 지구의 중력장은 일반적 우주공간에 대해 독립적으로 분리된 고유의 공간계와 좌표계를 갖고, 지구 중력장의 공간계(좌표계)가 지구와 함께 동행적으로 공전한다. 그러므로 공전운동이 이루어지는 지구 중력장의 내부에서 마이켈슨-모올리의 간섭계 실험을 수행할 경우, 이 간섭계의 기구는 지구 중력장의 공간계와 좌표계에 대해 정지상황을 유지하고, 정지상황의 간섭계에서는 광속도의 변화가 검출될 수 없다. 즉 지구의 공전운동에 의한 우주공간의 상대적 공간바람(에테르의 상대적 흐름)이 지구 중력장의 내부까지 전달되지 않는다.
지구의 중력장은 일반적 우주공간에 대해 독립적으로 분리 단절된 공간계와 좌표계를 갖고, 이 지구 중력장의 공간계에서 마이켈슨-모올리의 간섭계는 정지상황을 유지하였다. 이러한 논리의 관점에서 운동 관측자에게 적용될 광속일정법칙은 아직까지 실험적 검증이 완성되지 않은 것으로 볼 수 있다. 만약 마이켈슨-모올리의 간섭계를 이용하여 광파의 전파속도가 합산적으로 증감되는지의 여부를 확인하려면, 지구의 중력장 내부나 일반적 우주공간에서 간섭계가 직접 운동하는 조건을 제공하여야 된다. 여기에서 간섭계의 운동에 의해 광파의 전파속도가 합산적으로 증감되는 효과는, 운동 관측자에게 광속일정법칙이 성립될 수 없다는 것을 의미한다.
필자의 주장처럼 지구의 중력장이 일반적 우주공간에 대해 독립적으로 분리된 공간계(좌표계)를 가질 경우, 마이켈슨-모올리의 간섭계 실험에서 광학적 매질(에테르)의 검출이 실패한 원인을 편리하게 이해할 수 있다. 마이켈슨-모올리의 간섭계 실험에서 광학적 매질의 검출이 실패한 것은, 지구의 중력장이 일반적 우주공간에 대해 독립적으로 분리 단절되었다는 필자의 주장을 실천적으로 증명한 것이다. 만약 마이켈슨-모올리의 간섭계 실험에서 광학적 매질(에테르)의 검출이 실패한 원인을 올바르게 인식하였다면, 광속일정법칙을 수용한 아인슈타인의 상대적 좌표개념과 상대성이론이 출현되지 않았을 것이다.
아인슈타인은 상대성이론의 기본개념에서 광속일정법칙을 도입하고, 이 광속일정법칙이 운동 관측자에게 성립되는 것을 주장한다. 그러나 아인슈타인의 상대성이론에서 도입한 광속일정법칙은 운동 관측자에게 성립될 수 없다. 이와 같이 운동 관측자에게 광속일정법칙이 성립되지 않는다는 필자의 주장은, 도플러효과의 작용원리를 통하여 편리하게 이해할 수 있다. 특히 도플러효과가 여러 종류의 환경적 조건에서 발현되는 진행과정을 비교하면, 광파의 전파속도와 파장이 변화되는 순차적 단계를 명확하게 확인할 수 있다. 광파의 전파속도와 파장이 순차적으로 변화되는 진행과정을 정리할 경우, 광속도의 본질을 이해하는 과정에서 매우 중요한 단서가 제공된다.
도플러효과의 작용원리를 전제할 경우, 일반적 우주공간(또는 지구의 중력장)에서 관측자가 운동하면, 이 운동 관측자의 입장으로 측정한 광파의 파장과 전파속도가 반드시 가변적으로 증감되어야 한다. 그러나 일반적 우주공간에서 관측자가 정지상황을 유지하면, 광원체의 운동이 이루어지더라도, 정지 관측자의 입장으로 관찰한 광파의 전파속도가 변화되지 않고, 오직 광파의 파장만이 변화된다. 즉 광원체의 운동은 광파의 전파속도에 대해 변화의 영향을 주지 않는다. 이러한 도플러효과의 순차적 진행과정을 엄밀하게 분석하면, 일반적 우주공간에서 광파의 전파작용이 항상 일정한 크기의 광속도로 보존된다는 결론을 유도할 수 있다.
도플러효과의 분석으로 유도되는 결론처럼 일반적 우주공간의 공간계에서 광파의 전파작용이 항상 일정한 크기의 광속도로 보존될 경우, 이 광파의 전파작용을 광속도로 관찰한 관측자는, 일반적 우주공간에 대해 정지상황이 유지되는 것으로 판단할 수 있다. 즉 일반적 우주공간의 공간계(좌표계)에서 관측자가 정지상황을 유지하면, 이 정지 관측자의 입장으로 관찰한 광파의 전파작용이 항상 일정한 크기의 광속도를 갖는다. 이러한 정지 관측자의 입장에서는 상대성이론의 광속일정법칙이 유효한 것으로 오해(착각)될 수 있다. 그러나 광파의 전파작용을 보존한 일반적 우주공간에서 관측자가 운동하면, 이 운동 관측자의 입장으로 관찰한 광파의 전파작용이 다른 크기로 증감되어야 한다. 그러므로 광속도의 증감효과를 관찰한 관측자의 입장은, 광파의 전파작용을 보존한 일반적 우주공간에서 운동하는 것으로 판단할 수 있다. 물론 광속도의 증감효과를 관찰한 관측자에게는, 상대성이론의 광속일정법칙이 성립되지 않는다.
아인슈타인의 상대성이론은 운동 관측자의 입장에서 거리의 단축효과가 나타나는 것을 주장한다. 그러나 관측자가 운동하더라도, 이 운동 관측자에게는 거리의 단축효과가 발생되지 않는다. 즉 운동 관측자는 거리의 단축효과를 가질 수 없다. 운동 관측자에게 거리의 단축효과가 발생된다는 상대성이론의 주장은, 도플러효과의 관점으로 수용되지 않는다. 아인슈타인이 상대성이론의 기본개념을 도입하는 과정에서, 운동 관측자가 거리의 단축효과를 갖는 것으로 주장한 이유는, 좌표계와 속도의 의미를 왜곡적으로 이해하고, 왜곡된 좌표계와 속도의 의미를 변칙적으로 적용하였기 때문이다. 즉 아인슈타인의 상대성이론에서 도입한 광속도 일정불변의 법칙은, V=L/t의 구조로 표현되는 ‘속도의 공리’를 부정한 것이다. 일반적인 ‘속도의 공리’에서 속도를 표현한 V=L/t의 구조가 시간 t에 따른 변위거리 L로 정의된다. 그러므로 광속도 C를 ‘속도의 공리’로 표현하면, 광속도 C가 L/t의 구조를 갖고, 이 광속도 C=L/t의 구조가 운동 관측자에게 원형적으로 적용되어야 한다.
필자가 소개한 ‘속도의 공리’를 전제할 경우, 운동 관측자의 입장으로 관찰한 광파의 변위거리 L이 가변적으로 증감(L=L1+L2)되면, 피관찰 대상의 광속도 C=L/t가 반드시 종속적으로 변화되어야 한다. 왜냐하면 광파의 변위거리 L이 광속도 C=L/t의 하위적 기본요소이고, 가변적으로 증감된 광파의 진행거리 L(L=L1+L2)이 광속도 C=L/t의 가치를 결정하기 때문이다. 특히 운동 관측자의 입장으로 관찰한 광속도의 단위 C=L/t에는 도식적 표현이 곤란한 시간 t를 포함하고 있어서, 이 광속도 C의 본질을 명확하게 이해하려면, 광파의 전파속도를 거리단위 L의 관점으로 표현하는 것이 편리하다. 이와 같이 광파의 전파속도 C를 거리단위 L의 관점으로 표현하는 과정에서는, 상대성이론의 광속일정법칙이 그동안 왜곡적으로 이해되었다는 필자의 주장을 분명하게 확인할 수 있다.
도플러효과의 관점으로 유도된 필자의 결론처럼, 광파의 전파작용은 일반적 우주공간이나 지구 중력장의 공간계에서 항상 일정한 크기의 광속도로 보존된다. 이와 같이 광파의 전파작용이 보존된 일반적 우주공간의 공간계에서 관측자가 운동할 경우, 이 운동 관측자의 입장으로 관찰한 광파의 전파거리 L은 반드시 광파의 전파거리 L1과 관측자의 운동거리 L2가 선형적으로 합산된 L=L1+L2의 크기를 가져야 한다. 또한 광파의 전파거리 L1과 관측자의 운동거리 L2가 선형적으로 합산된 L=L1+L2의 크기는, 우주공간의 좌표계를 구성한 거리의 좌표축 X, Y, Z에 명확한 위치로 표시할 수 있다.
운동 관측자의 입장으로 관찰한 광파의 합산적 변위거리 L=L1+L2를 광속도의 단위 C'=L/t로 환산할 경우, 이 광파의 전파속도 C'=L/t는 반드시 광속도 C=L1/t와 관측자의 운동속도 V=L2/t가 합산된 L/t=L1/t+L2/t의 크기를 가져서 C'=C+V의 합산구조로 표현되어야 한다. 여기에서 운동 관측자가 관찰한 광속도의 합산구조 C'=C+V는, 좌표계의 좌표축 X, Y, Z에 표시(보존)된 광파와 변위거리 L=L1+L2를 시간 t의 단위로 나눈 것이다. 즉 광속도의 단위 C'=L/t는 시간 t에 따른 광파의 전파거리 L로 결정되고, 이 광파의 전파속도 C'=L/t를 결정하는 광파의 전파거리 L=L1+L2가 증가되었다.
광파의 전파속도 C'=L/t를 시간 t에 따른 변위거리 L로 정의한 ‘속도의 공리’에서는, 광속도의 합산효과 C'=C+V가 수용된다. 이와 같이 운동 관측자의 입장으로 관찰한 광파의 전파속도 C'가 C+V의 크기로 합산(증감)되는 것은, 광파의 전파작용(광속도)이 우주공간의 좌표계에서 보존된 것을 의미한다.
운동 관측자의 입장에서 광파의 합산적 변위거리 L=L1+L2와 광파의 합산적 전파속도 C'=C+V가 관찰되면, 이 운동 관측자가 고유의 좌표계를 가질 수 없고, 운동 관측자에게 상대성이론의 광속일정법칙이 성립될 수 없다. 즉 상대성이론의 광속일정법칙은 광파의 전파속도 C'=L/t가 시간 t에 따른 변위거리 L로 표현되지 않는 논리적 결함을 갖는다. 만약 운동 관측자에게 상대성이론의 광속일정법칙을 적용할 경우, 광파의 전파속도 C'=L/t는 시간 t에 따른 변위거리 L로 표현할 수 없어서, ‘속도의 공리’가 부정된다. 그러므로 우주공간의 공간계에서는 ‘속도의 공리’와 상대성이론의 광속일정법칙이 양립될 수 없다.
아인슈타인의 주장처럼 상대성이론의 ‘광속일정법칙’이 정상적으로 성립하려면, 운동 관측자에게 측정된 거리의 크기가 항상 일정한 가치를 유지하는 ‘거리의 일정법칙’이 도입되어야 한다. 즉 ‘광속일정법칙’과 ‘거리의 일정법칙’은 반드시 병행적으로 성립되어야 한다. 그러나 운동 관측자에게 적용하기 위한 ‘거리의 일정법칙’은, L=L1+L2로 표현되는 ‘거리의 정의’를 부정한다. 필자의 주장처럼 운동 관측자 입장에서 광파의 합산적 변위거리 L=L1+L2와 광파의 합산적 전파속도 C'=C+V가 관찰되면, 이 운동 관측자가 고유의 좌표계를 독립적으로 가질 수 없다. 이와 같이 운동 관측자가 고유의 좌표계를 가질 수 없을 경우, 운동 관측자에게 독립적 좌표계를 설정한 상대성이론의 좌표개념이 폐기되어야 한다.
일반적 우주공간의 공간계에서 광원체가 운동하고, 관측자가 정지상황을 유지할 할 경우, 이 정지 관측자의 입장으로 관찰한 광파의 전파속도 C는 가변적으로 증감되지 않는다. 이러한 정지 관측자의 입장에서는 광속일정법칙이 타당한 것으로 오해될 수 있다. 여기에서 광원체의 운동이 이루어지더라도 광파의 전파속도가 변화되지 않는 이유는, 광파의 전파작용(광속도)이 우주공간의 공간계에 보존되고, 이 광파의 전파작용이 보존된 우주공간의 공간계에 대해 관측자가 정지상황을 유지하기 때문이다. 이와 같이 광파의 전파속도 C는 우주공간의 공간계와 인과적 연관성을 갖고, 우주공간의 질성을 반영한다.
우주공간의 공간계에서 광파의 전파작용은 항상 일정한 크기의 광속도를 불변적으로 유지한다. 그러므로 우주공간의 공간계에서 광원체가 운동하면, 광파의 주파수만이 변화될 뿐이고, 광파의 전파속도는 변화되지 않는다. 또한 우주공간의 공간계가 광파의 전파작용을 보존하면, 광학적 매질로 구성된 절대적 공간모형이 유리한 조건으로 선택될 수 있다. 여기에서 광학적 매질로 구성된 절대적 공간모형은 오직 하나의 절대적 좌표계를 갖는다. 즉 일반적 우주공간이 광학적 매질로 가득 채워져 있으면, 이 광학적 매질의 분포조직으로 구성된 절대적 좌표계를 설정하는 것이 가능하다.
일반적 우주공간에서 물체의 운동속도는 합산적으로 가감된다. 즉 v1의 속도로 운동하는 물체에게 다시 v2의 운동속도를 추가적으로 제공하면, 이 물체의 최종적 운동속도 v가 v1+v2의 크기로 합산된다. 여기에서 물체의 최종적 운동속도 v가 합산되더라도, 이 물체의 최종적 운동속도 v는 광속도의 한계를 초과하지 않는다. 일반적 우주공간에서 물체의 운동속도가 합산적으로 가감(v1+v2)되는 이유는, 이 운동 물체가 운동에너지(일에너지)를 저장상태로 보존하기 때문이다. 또한 운동 물체가 운동에너지를 저장상태로 보존하는 것은, 이 운동 물체의 내부에서 운동에너지가 작용되는 것을 의미한다. 이와 같이 운동 물체의 내부에서 운동에너지가 작용하면, 이 운동 물체의 내부에서 다양한 종류의 운동에너지가 공존할 수 있고, 운동 물체의 내부에서 공존하는 모든 종류의 운동에너지가 하나의 벡터(vector)량으로 합성될 수 있다.
운동 물체는 운동에너지를 저장상태로 보존하고, 운동에너지를 저장상태로 보존한 물체는 등속도의 관성운동이 영구적으로 진행된다. 여기에서 물체의 관성운동이 영구적으로 진행되는 원인적 효과는 운동에너지의 작용으로 이해할 수 있다. 또한 물체의 관성운동이 운동에너지의 작용으로 발생되는 것은, 이 물체의 관성운동이 타율적 기능에 의해 피동적으로 반응하지 않고, 물체의 관성운동이 자율적 기능에 의해 능동적으로 진행되는 것을 의미한다. 그러므로 운동 물체의 내부에서 운동에너지가 저장상태로 보존된다는 필자의 새로운 주장은, 운동 물체가 갖는 관성력과 운동에너지의 본질(물리적 정체)을 이해하는 과정에서 매우 중요한 단서를 제공한다. 운동 물체가 갖는 관성력과 운동에너지의 본질은 다음의 다른 항목에서 구체적으로 설명하겠다.
운동 물체의 내부에서 작용하는 모든 종류의 운동속도는 하나의 벡터(vector)량으로 합성될 수 있으나, 음파나 수면파와 같은 파동에너지의 전파속도는 다중적으로 합성되지 않는다. 여기에서 음파나 수면파와 같은 파동에너지의 전파속도가 다중적으로 합성되지 않는 이유는, 이 파동에너지의 전파속도를 매질체의 분포조직이 저장상태로 보존하기 때문이다.
파동에너지의 전파속도를 매질체의 분포조직이 보존할 경우, 이 매질체의 분포조직이 보존한 파동에너지의 전파속도는 항상 본래의 크기를 불변적으로 유지한다. 즉 모든 종류의 파동에너지는 매질체의 탄성적 기능에 의해 전파되고, 이 매질체의 탄성적 기능이 파동에너지의 전파속도로 반영된 것이다. 이러한 파동에너지의 전파속도가 합산적으로 가감될 수 있는 조건을 제공하려면 파동에너지를 보존한 매질체의 분포조직이 변위되어야 한다. 여기에서 파동에너지를 보존한 매질체의 분포조직이 변위되는 것은, 매질체의 분포조직으로 형성된 좌표계의 위상적 변위를 의미한다.
끝까지 읽어 주셔서 감사드립니다.
다음의 차례는 ‘7. 관성계와 좌표계의 비연계성’입니다.
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[Re]광속 불변법칙이 지구 중력장 효과에 의...