2장
아인슈타인은 상대속도와 고유속도를 혼동하였다
아인슈타인은 상대속도(relative velocity)와 고유속도(proper velocity)의 개념을 구분하지 못하였다. 아인슈타인이 사용한 “속도”라는 말은 모두 상대속도라는 뜻이고 고유속도라는 개념은 없다. (아인슈타인은 고유속도라는 용어 자체를 사용하지 않았다.) 더 기이한 사실은 아인슈타인이 “상대속도” 의 의미로 알고 사용한 “속도”는 사실은 상대속도가 아니고 “고유속도”라는 점이다!
상대속도를 취급하는 것으로 알아온 위대한 상대성이론이 사실은 상대속도를 취급하지 않는다는 것은 이만저만한 큰 오류가 아니다. 이 사실 하나만으로도 상대성이론은 완전히 붕괴된다. 이런 말을 처음 듣는 독자들은 필자가 무슨 말을 하는지 영문을 몰라 의아할 것이다. 고유속도와 상대속도의 뜻을 이래하려면 속도의 기본 개념부터 짚어나갈 필요가 있다.
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속도는 “거리의 변화율 (the rate of change of distance)”이다. 물리학자들은 엄밀하게 속도(velocity)와 , 속력(speed,)의 두 가지 개념으로 구분한다. 속도는 방향을 가진 벡터량이고, 속력은 방향을 가지지 않은 스칼라 량이다.
상대성이론은 물체의 상대적 움직임의 빠른 정도에 따른 시간 지연, 길이/거리의 축소, 질량의 증가 등을 논하는 이론이고 물체의 움직임의 “방향 (direction)”은 주요 관심사가 아니다. 예를 들어서 상대성이론에서는 + v 와 – v 는 의미가 없고 이의 절대값 v 만이 의미가 있다. 따라서 상대론에서는 속도(velocity) 보다는 속력(speed)을 사용하는 것이 편리하고 합리적이다.
“속도”와 “속력”의 두 용어는 관습적으로 동의어(同意語)로 사용하는 경우가 많은데 움직임의 방향이 주요 관심사가 아닐 경우에는 이 두 용어를 동의어처럼 혼용해서 사용해도 큰 문제는 없다. 필자는 본서에서 이들 용어를 반드시 구별해서 사용해야 할 경우가 아닌 한 이런 관습을 수용하고자 한다.
속도에는 고유속도 (故有速度: proper speed)와 상대속도(相對速度: relative speed) 두 가지 종류가 있는데 이 두가지 개념은 절대로 혼동하여 사용하면 안되는 개념이다. 그러나 아인슈타인은 이 두가지 개념을 구분하지 않고 혼동하였다. 아인슈타인의 이론을 물려받은 오늘날 물리학자들도 고유속도와 상대속도를 분간하지 못하고 있다.
필자가 말하는 고유속도와 상대속도의 개념은 물리학자들이 가지는 개념과 차이가 있다. 필자가 가지는 개념은 공간과 시간의 절대성에 기초를 둔 것이다. 독자들은 우선 필자가 사용하는 고유속도와 상대속도의 의미를 검토한 후에 물리학자들이 사용하는 상대속도와 고유속도의 개념 (본장 후부에 소개하였음) 과 비교하고 어느 쪽이 합리적인지 판단하기 바란다.
필자가 정의하는 고유속도와 상대속도의 개념은 다음과 같다.
고유속도는 등속 직선 운동을 하는 물체 또는 물리적 현상(소리나 빛 따위)이 주어진 관성계에서 단위 시간당 진행하는 거리이다.
고유속도는 특정 관측자 (또는 특정 기준 물체)를 필요로 하지 않는다. 고유 속도는 특정 관측자의 상태(움직임, 위치)와는 관계가 없다. 고유속도는 모든 관측자들이 같은 값으로 인정하는 상수(常數)이다 (아래 보기 참고).
상대속도는 관여하는 두 물체 (two involved parties; 보통 움직이는 물체와 이를 관측하는 관측자) 사이의 거리의 변화율이다.
상대속도는 특정 관측자(또는 특정 기준 물체)가 없으면 성립이 되지 않는 속도이다. 상대속도는 비록 물체가 등속 운동을 하는 경우라도 관측자 (또는 기준 물체, base <필자의 용어>)의 움직임이나 위치에 따라서 변하는 변수(變數) 이다. 관여하는 두 물체는 동일 관성계 (慣性系, inertial system)에 있을 수도 있도 서로 다른 관성계에 있을 수도 있다. 즉 두 물체가 꼭 동일 관성계에 있을 필요는 없다.
관성계 (慣性系)라 함은 가속(加速)되지 않는 계(system)를 말한다. 예를 들면 기차나 자동차가 일정 속도로 직선 운동을 하거나 또는 정지해 있을 경우 이러한 기차나 자동차의 내부는 관성계가 된다. 관성이란 말은 “물체는 힘을 가하지 않는 한 정지해 있는 물체는 계속 정지해 있고 움직이는 물체는 계속 동일한 속도로 직선운동을 한다”는 관성의 법칙 (=뉴튼의 제 1 운동법칙)에서 온 말이다.
고유속도의 예를 들면, 소리는 표준상태—1 기압, 섭씨 0도, 풍속 0의 상태—에서 약 340m/초의 고유속도를 갖는다. 이 속도는 특정 관측자에 대한 음파의 속도가 아니고 모든 관측자들이 다 같은 값으로 인정하는 상수이다. 그러나 소리의 “상대속도”는 관측자 또는 음원의 움직임에 따라 달라질 수 있다.
빛은 절대 공간에서 약 30만 km/초의 고유속도(≠상대속도) 를 갖는다. 이 속도는 빛이 절대공간 (제 1장 참고)에서 가지는 고유속도로서 모든 관측자들이 같은 값으로 인정하는 상수이다. 이 속도는 특정한 관측자에 대한 “상대속도”가 아니다.
공간은 절대적 성질을 가졌고 (제 1장 참고) 이런 공간을 빛(전자파)은 일정한 고유 속도(≠ 상대속도)로 진행한다고 보는 것은 물리적으로 합리적인 관점이다 (이는 고전 물리학적 개념이다). 맥스웰의 방정식은 원래 에테르로 가득찬 절대 공간을 전제로 해서 만들어진 것이다. 맥스웰의 방정식은 이런 절대 공간에서 빛이 일정한 속도(약 30만 km/s의 고유속도 ≠상대속도)로 전파된다는 것을 말해준다.
물리학자들은 “빛은 모든 관측자에 대해서 일정하다”고 말해왔다. 이러한 빛의 속도는 구체적인 관측자 하나하나에 대한 빛의 “상대속도”처럼 들리지마는 실제로는 상대속도가 아니고 고유속도이다. 아인슈타인이 “빛은 모든 관측자에 대해 항상 같다”라고 한 말은 고유속도와 상대속도에 대한 개념 구분이 없이 한 말이다. 아인슈타인 뿐 아니라 아인슈 타인 당시 물리학자들은 상대속도와 고유속도에 대한 개념 구분이 없었다. “빛의 속도의 불변성”이라는 신화(myth, 오해)는 상대속도와 고유속도에 대한 명쾌한 개념 구분을 함으로써 극복할 수 있다 (제 3장, 11장, 15 장 참고).
상대성이론이 본래 취급해야 하는 속도는 상대속도이지 고유속도가 아니다. 그러나 실제로 아인슈타인을 포함한 모든 물리학자들은 상대속도를 취급한다고 하면서 실제로는 고유속도를 취급하고 있다. 이 말이 무슨 뜻인지 말로만 설명을 하기 보다 구체적인 연습문제를 통해서 설명하고자 한다.
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(이하의 연습문제를 포함한 전체 냉용은 철부파일에 올렸습니다. 첨부파일을 열어보시려면 이 화면 상단에 파란 화살표가 붙은 글제목을 클릭하십시요.)
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