5월의 작은 선인장

[파동1][수정 : 2006/01/12]

아인슈타인의 특수 상대성이론에 의하면 이 세상의 어떤 것이든 빛보다 빨리 이동할 수는 없다는 내용이 나온다. 이 말은 언뜻 쉬운 개념으로 받아들일 수 있겠지만, 아주 초급적인 관점에서 한 가지 모순에 직면함을 알 수 있다.
아인슈타인이 했듯이 다음의 상상속의 실험을 함으로서 쉽게 그 문제점을 파악할 수 있다.

 

예를 들어서 우리가 매우 강력해서 어디를 비추든 그 비춘 곳을 알 수 있는 손전등을 들고 달을 비춘다고 생각해 보자. 달을 비춘 곳의 촛점이 밝게 빛나고 있다. 그럼 이 손전등을 달에서 벗어나지 않게 살살 흔들어 보자. 그렇게 되면 달의 표면에 맺힌 손전등의 촛점도 따라서 움직일 것이다. 이 때 촛점의 움직이는 속도 v = rω 라는 공식으로 계산될 수 있으므로 ω를 조금 늘림으로서 v를 쉽게 c보다 크게 만들 수 있다. 달이 너무 가까워서 하기가 힘들면 그 대상을 달에서 태양으로 바꿔줌으로서 더 쉽게 할 수 있다. (달과 태양은 여러분으로부터 거리가 수십 배 차이가 나지만 겉보기 크기는 거의 같으므로 달과 비슷한 정도로 실험을 하면 모든 조건을 충족시킬 수 있다.) 태양도 너무 가까우면... 주변 별들로.....

자.. 손전등에 의해서 밝게 빛나는 달의 부분이 빛보다 빨리 움직일 수 있다는 것은 분명해졌다. 그렇다면 무엇이 문제일까??

사실인 이 논의를 시작할 때 벌써 잘못된 부분이 있었다. 상대성이론은 지금 이 글을 쓰고 있는 나도 정확히 알고 있지 못하지만, 이것 한가지만은 알아두자. 상대성이론이 c보다 더 빨리 이동하지 못하도록 지정한 것은 에너지이지, 어떤 현상의 변화가 아니다. 따라서 손전등의 빛에 의해서 움직이는 밝은 부분의 경우는 광속보다 빠르게 움직인다고 별 문제 될 것이 없다. 다시 말해서 에너지의 직접적인 이동이 있지 않는 한 상대성이론은 움직임을 제한하지 않는다.

그리고 바로 이 에너지의 직접적인 이동이 파동이다. 그 에너지의 형태가 어떤 형태를 띄느냐는 상관없다.

일반적인 파동은 매질을 필요로 한다. 그 매질에 따라서 파동의 에너지 크기, 속도 등등이 바뀔 수 있으며, 그 특징도 자유자재로 바뀌게 된다. 뿐만 아니라 파동의 방향과 매질의 방향에 따라서 종파, 횡파로 나눠지기도 하며, 지진파와 같이 S파, P파, L파로 나뉘기도 한다.(2단원에서 다룰 것이다.) S파와 L파는 일반적으로 횡파와 같은 녀석이지만, 지표면이라는 절대좌표계를 기준으로 따지기 때문에 방향을 구별할 수 있는 것이다. (그래서 지진계는 모두 3방향으로 파동을 관측해야 모든 지진을 관찰할 수가 있게 된다.)^[각주:1]

면 매질이 필요하지 않은 파동도 존재하는데, 이는 총 3가지로 나타난다.
첫 번째는 우리가 흔히 알고 있는 빛이다. 빛은 에너지의 크기에 따라서 매우 다양하게 불리지만, 대표적으로 전자기파(전자파)라고 부른다.
두 번째는 우리가 잘 알지 못하고, 또 물리학자들조차도 아직 생소하게 여기고 있는 중력파다. 중력파도 빛과 같이 횡파의 특성을 띄고 있지만, 시공간의 작은 울림이라는 기본적인 성질상 검출하기가 쉽지 않다.
세 번째는 일반적인 입자 자체인데, 입자 또한 정지된 파동이라고 할 수 있다. 이 글에서는 이 녀석에 대해서는 생략하기로 한다. (이 녀석은 아직도 물리학자들의 연구대상이며, 아무도 제대로 알고 있지 못한 녀석이기도 하다. 오직 수식으로만 나타나는 녀석이다.)

포털에 펌할 수 없음!

이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 코리아 저작자표시-비영리-동일조건변경허락 2.0 대한민국 라이선스에 따라 이용하실 수 있습니다.