광속불변의 원리

아인슈타인의 가설

아인슈타인은 에테르라는 매질의 존재가 부정되는 마이켈슨-모올리의 실험 결과를 수용할 수 있게 빛의 속력의 불변성의 가설을 도입하고, 또한 운동의 상대성 원리의 가설을 도입하여 시공간의 개념에 대한 일대 혁신적인 변혁을 불러 일으켰다. 그것이 미치는 가공할 만한 여파에 비하여 아인슈타인의 상대성 이론의 두 가설은 다음과 같이 너무나 간결하고 명확하다.

가정 1 : 모든 관성계에서의 물리 법칙은 동일하다. (상대성 원리)

가정 2 : 모든 관성계에서의 빛의 속력은 일정하다. (광속불변의 원리)

가정 1은 관성계의 경우 그 관성계의 속력 등 운동을 관측하는 특별한 실험은 불가능하다는 것을 말해 준다. 서로 등속으로 운동하는 각각의 좌표계에서의 물리 법칙은 다름이 없으므로 절대기준계를 도입할 방법은 없는 것이다. 예를들어 아주 고요하게 등속으로 움직이는 비행기를 타서 눈을 감고 있으면 비행기가 움직이는 것인지 도저히 느낄 수 없다. 이 경우 비행기 내부에서 고립된채로 비행기가 움직이는 속도를 측정할 수 없을 뿐만 아니라 기준계를 설정하지 않은 속도라는 것은 의미가 없다. 이 원리는 실제로 오래전 갈릴레오 (G. Galileo)에 의해 처음 제안된 것으로 새로운 것은 아니다. 갈릴레오는 "속도의 크기나 방향에 관계없이 서로 상대적으로 일정한 속도로 운동하는 모든 관측자에게 물리학의 법칙은 똑같아야 한다."라고 제안하였다.

이에 비하여 가정 2는 선뜻 받아들이기가 쉽지 않다. 달리는 기차에서 빛을 비추었을 때 그 빛의 속력을 바깥에서 관측하면 달라져야 하지 않겠는가? 기차에 타고 있는 사람이 기차가 진행하는 방향으로 공을 던지면 기차 밖에서는 공은 기차의 속도가 더해져서 더 빠르게 관측될 것이다. 음파와 같은 파동의 경우에는 약간의 차이가 있긴 하지만 속도가 상황에 따라 다르게 측정되는 것을 피할 수는 없다. 예를들어 기차가 기적소리를 내면서 앞으로 달려가고 있을때 기차밖에서는 그 기적 소리의 진행속도가 정지한 기차가 내는 기적 소리와 다르게 측정되지는 않을 것이나 기차에 타고 있는 관측자의 경우에는 상황이 달라진다. 기차가 나아가는 방향으로의 기적소리의 진행속도는 느려지지만 반대방향의 경우 더 빨라질 것이다. 즉 파동이든 입자든 어떤 상황으로 관측하더라도 속도가 일정하다는 것은 받아들이기 힘든 것이다.

실제로 가정 2는 아인슈타인이 마이켈슨-모올리의 실험결과를 잘 설명하고 있다. 즉 빛의 속도는 에테르의 존재와 관계없이 일정하므로 에테르의 진행방향으로나 수직방향으로 왕복한 빛도 아무런 시간차이가 생기지 않는 것이다. 따라서 빛이 실려있는 매질로 호이겐스에 의해 도입되었던 에테르의 존재는 있어야할 이유를 완전히 상실하였다.

광속불변의 원리는 지금까지 등속으로 운동하는 좌표계, 정지한 좌표계, 심지어 가속운동을 하는 좌표계 어디에서나 시간은 동일하게 흐르는 보편적인 물리적 개념이라는 인식을 포기하지 않으면 안되게 했다.