상대과 연기 > 불교속의 과학, 과학속의 불교

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꿈 많은 16살 된 소년 아인슈타인이 갖고 있었던 화두는 ‘빛과 같은 속도로 달리면서 물체를 보면 물체가 어떻게 보일까?’하는 것이었다. 결국 이 화두가 1905년 발표한 ‘특수상대성이론’에서 밝힌 <광속도 일정의 원리>라는 대전제를 확립하게 하였다. 

우리 주위에서 일어나는 현상적인 문제를 한 번 생각해보자. 일초에 10m로 동쪽에서 서쪽으로 달리면서 서쪽에서 동쪽으로 5m로 달리고 있는 물체를 바라본다면 서로가 볼때는 15m로 움직이고 있는 것처럼 보인다. 이와같이 동쪽에서 서쪽으로 일초에 100,000km로 달리는 비행기를 타고 서쪽에서 동쪽으로 일초에 300,000km로 나아가는 빛을 바라본다면 빛은 일초에 400,000km로 나아가는 것으로 보일 것이며, 만약 비행기가 빛과 같은 방향으로 달린다면 빛은 일초에 200,000km로 달리는 것처럼 보일 것이다. 그런데 아인슈타인 주장한 특수상대성이론에서는 일초에 100,000km로 달리는 비행기가 어떤 방향에서 바라보더라도 일초에 300,000km로 달리고 있는 빛의 속도는 300,000km라는 것이다.(일반적인 상대 속도 V = V1(자신의 속도) ± V2(관측자의 속도), 특수상대성이론에서의 상대 속도 V = (V1+V2)/(1+V1V2/c2)으로 주어진다)

1. 일정한 속도로 직선운동을 하는 입장에 있는 것끼리는 서로 ‘상대적’이다.

2. 그러나 어떤 입장에 있는 것이라도 단 하나만은 ‘절대적’인 것이 있다. -- 진공 속에서의 빛의 속도이다.

빛의 속도가 일정하다고 한다면 상식적으로 도저히 이해가 안되는 기괴한 현상이 나타나게 된다. 빛의 속도에 버금가는 매우 빠른 속도로 달리는 비행기를 타고 어떤 물체를 바라본다면 물체의 길이가 오그라들어 짧게 보이며, 물체의 질량은 더 크지게 되며, 비행기 내에서의 시간진행은 외부에서의 시간진행보다 더 느려지게 된다. 한 쌍의 쌍동이가 있는데 한 명이 우주선을 타고 우주여행을 떠났다고 하자. 우주선의 속도가 광속의 99.9%라고 한다면 바깥 세계의 시간진행을 1이라할 때 우주선 속의 시간진행은 0.045가 된다. 즉 우주선 속에서 16일이 지나면 바깥세계는 1년이 지나가 버리게 된다. 우주여행을 떠난 아이는 아직 어린아이인데 지구에 남아있는 아이는 청년이 되어 있는 것이다. 이것이 유명한 ‘쌍동이의 패러독스’이다. 그러면 이 패러독스의 무엇이 이상한 것일까? 이것은 어디까지나 등속직선운동을 하고있는 물체에 한해서 적용되는 ‘특수상대성이론’의 틀 속에서만 생각되었기 때문이다. 하지만 이 우주에서는 등속직선운동하는 것은 하나도 없다. 지구가 태양주위를 공전하듯이 모든 물체는 중력장에 붙잡혀 가속도운동을 하고 있는 것이다. 따라서 상대성이론을 우주에서 일어나고 있는 모든 현상에 적용하려고 한다면 중력이나 가속도를 받는 물체에도 적용되는 보편적인 진리로 확장되지 않으면 안된다. 1915년 아인슈타인은 모든 물체의 운동에 보편적으로 적용될 수 있는 ‘일반상대성이론’를 발표하였다. 

1. 가속도가 있는 계에서도 광속도 불변에 근거를 둔 현상은 일어난다.

2. 가속도와 중력은 같은 것이다. 

우리가 엘리베이터를 탔을 때 엘리베이터가 위로 올라가고 있는 동안은 밑바닥으로 내리눌리는 것같은 느낌을 갖게되며, 엘리베이터가 아래로 내려오면 자신의 무게를 느낄 수 없을 정도로 가벼워지는 것을 느끼게 된다. 더욱 실감나는 이야기를 하나 해보자. 우리가 로케트를 타고 우주여행을 하고있다면 중력을 잃어버리게 된다. 중력은 질량이 큰 것(우리의 경우는 지구)이 물체를 끌어당기는 힘인데 로케트가 지구의 인력에서 벗어나게 되면 중력을 잃어버리고 우주공간에 떠돌아 다니게 된다. 이 때 로케트가 먼 곳에 있는 별을 향해서 속도가 점점 빨라지면(가속될 때) 로케트에 타고 있는 사람들은 의자가 뒤로 젖혀지는 듯한 힘을 느끼게 된다(가속도에 의한 효과). 다음은 이 로케트 바로 뒤로 혹성이 하나 지나가고 있다면 이 때 로케트에 타고 있는 사람들은 로케트가 가속될 때와 같이 뒤로 젖혀지는 듯한 힘을 느끼게 된다(중력에 의한 효과). 바로 공간의 한 점에서의 중력과 가속도의 효과는 동등한 것이다. 

우주선이 광속의 99.9%로 ‘관성비행’ 즉 이미 가속을 중지하고 관성으로 날고 있는 상태에 있었다고 하면 이 때 우주선과 지구는 완전히 상대적인 입장에 있다. 따라서 우주선에서 지구를 관찰하는 것이나 지구에서 우주선을 관찰하는 것이나 어느 쪽에서 관찰하여도 서로 상대방의 시계가 천천히 진행하는 것처럼 보이는 것이다. 광속의 이동에 의한 존재의 인식에 대한 문제이지 존재자체는 변하지 않고 있는 그대로 있을 뿐이다.