"상대성이론의 종말" [지구는 대기로 둘러싸여 있다] (1)

글쓴이
백진태
등록일
2002-04-21 01:22
조회
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안녕하세요?
제가 주장하는 "상대성이론의 종말"이라는 부분에 대해 살펴보려고 합니다.
제 글을 보시는 분들 중에 이해가 안되시는 분은 질문을 해 주시기 바랍니다.
어느 분의 말씀에 일반인들도 이해할 수 있는 정도의 설명을 부탁하셨는데,
그림을 그리면 아주 쉬운 일이지만 글로 쓰면 이해가 될까? 하는 의문도 듭니다.
최선을 다 해 보도록 하겠습니다.

먼저 양해를 구할 것은, 아인슈타인의 " 움직이는 물체들의 전기 역학에 대하여" 라는
논문의 내용은 수식 기호만 다를 뿐 이미 책에 소개되고 있는 상대성이론 부분과 차이가
없기에 일반 학생들에게 소개되고 있는 교과 내용을 중심으로 글을 씁니다.

상대성이론의 가장 기본적인 내용이 "에테르"라는 빛의 전달 매질의 역할입니다.
이 "에테르"에 대한 검증 과정이 마이켈슨-몰리의 실험이므로 이들 실험에서 시작합니다.
또 이들 실험이, 몇 가지 중요한 개념의 출발점이기도 하기 때문입니다.

"에테르"의 역할 : 첫째, 빛의 전달 매질
                둘째, 우주를 충만한 절대 정지한 우주적 기준계

이러한 "에테르"의 존재 유무를 밝히려는 실험이 마이켈슨-몰리의 실험입니다.
먼저 다음의 두 가지 상황을 보시기 바랍니다.
이해를 돕기 위해 비유를 들어 설명합니다.
공기에 의하여 바람개비가 회전한다는 것은 누구나 알고 있습니다.
이제 바람개비가 회전하는 것으로 공기의 유무를 확인하려 한다고 합시다.

          [상황 1: 질점적 상황]
<자전거> 앞에 바람개비를 장치하고 달릴 때 바람개비가 회전한다면 공기가 있다는 것을
알 수 있고, <자전거>의 속도에 따라 바람개비의 회전수가 달라지기를 기대하면서
마이켈슨-몰리가 <<버스>>를 타고 갑니다.
마이켈슨-몰리는 <자전거>의 속도에 따른 바람개비의 기대되는 회전수를 정밀하게
계산했고, 드디어 <<버스>>를 타고 실험을 하게 됩니다.
          **여기서 제가 쓴 글에 " "특히 주의" " 해 주시기 바랍니다.
          **계산을 '<자전거>를 타고 갈 경우' 에 대해서 한 것입니다만,
          **실제 실험은 <<버스>>를 탔다고 했습니다. 잊지 마세요!!!

그런데 결과는 전혀 예상 밖으로 나타났습니다.
<자전거>를 타고 갈 때 기대되는 바람개비의 회전은 전혀 없던 것이었습니다.
그래서 마이켈슨-몰리는 다음과 같은 결론을 내립니다.
1. "에테르"는 존재하지 않거나 발견될 성질의 것이 아니다.
2. 바람개비의 회전은 자전거가 어떠한 운동을 하더라도 변하지 않는다.

그래서 고전 물리학자들이 이러한 기현상을 해명하기 위한 것으로,
다음과 같은 4가지 변명을 하게 됩니다.
1. 자전거가 공기에 고정되어 자전거와 바람개비가 공기와 똑같이 움직인다(지구전능).
2. 자전거가 공기를 뒤에 끌고 다닌다(견인이론).
3. 자전거에 대해서 공기의 속도가 언제나 일정하다(광원에 대한 광속일정).
4. 바람개비가 줄어들었기 때문이다(로렌츠-피츠제럴드 수축가설).

위의 내용이 현재 현대물리학에서 생각하고 있는 마이켈슨-몰리의 실험 결과와
그로 인해 발생되는 이야기들입니다.
물론 강조 드린 <자전거>와 <<버스>>의 구별은 못하고...

          [상황 2 : 계인 상황]
한국의 한 청년이 보니까, 마이켈슨-몰 리가 창문을 모두 닫고 달리는 버스 내부에
바람개비를 들고 앉아 있는 것이었습니다.
그러니 창문을 모두 닫은 버스가 아무리 빨리 달려도 그 내부에서는 바람개비가
회전할 까닭이 없는 것이었습니다.

여러분 같은 경우라면 위의 두 가지 상황이 같다고 생각하십니까?
상대성이론을 믿는 사람들 즉,
현대물리학을 공부하는 사람들은 위의 두 상황의 구별 자체를 못하고 있는 것입니다.

이제 여기서 여러분도 한번 생각해 보세요.
[상황 2 : 계인 상황] 에서, 공기가 있는지? 없는지? 실험할 방법은 무엇일까요?
(방법 1) 바람개비를 버스 외부로 내놓는다.
(방법 2) <가> 버스 내부에서 세 발 자전거의 앞에 바람개비를 달고 달린다.
        <나> 또는 바람개비를 향하여 부채질을 해 본다.

***특히 주의 : : [상황 2]를 생각하고 (방법 2)까지를 생각하신다면,
                그렇게 생각하시는 분들은 상대성이론을 부정하는 것이 됩니다!!!

이제 위의 두 상황을 비교해 봅니다.
1. 마이켈슨-몰리는 [상황 1] 과 [상황 2]의  어떤 경우를 생각하고 계산한 것입니까?
2. 마이켈슨-몰리는 [상황 1] 과 [상황 2]의 어떤 경우에 실험한 것입니까?
3. [상황 1]과 [상황 2]의 가장 큰 차이점은 무엇입니까?

마이켈슨-몰 리가 실험을 하려고 계산한 상황은,
"에테르"라는 가상적 매질이 충만한 우주 속을 지구가 공전한다면,
에테르는 지구 표면을 스치고 지나갈 것이라고 생각한 것입니다.
위의 [상황 1]과 같은 것이지요. <1>

그런데 [지구는 대기로 둘러싸여 있다] 는 것을 누구나 알고있습니다.
그렇다면 외부 우주 공간의 "에테르"가 지구 대기를 뚫고(관통) 지표면을 스칠까요?
강력하다는 태양풍도 지구 대기를 관통하지는 못합니다. 그렇지요?
어떤 질문을 해야 합니까?

**** 마이켈슨-몰리의 실험에서
(1) 외계에 충만한 Ether 가 지구 대기를 관통한다는 증거가 있는가?
(2) 외계의 Ether 와 대기중의 Ether가 같다는 증거가 있는가?

이 질문을 해야 하는 것이 아닙니까?
"에테르"는 빛(전자기파)이 전달되는 어디에나 존재한다고 가정한 것입니다. <2>
마치 위의 창문을 모두 닫은 버스 내부가 담배 연기로 가득 차서 외부의 공기와 다르듯이,
진공 중의 광속과 대기 중의 광속이 다릅니다. <3>

창문을 모두 닫은 버스와 [지구는 대기로 둘러싸여 있다]는 것이 무슨 관계가 있는가?
하는 생각을 갖게 될 것입니다.
이것이 바로 "계"의 정의가 필요한 부분입니다.

" "계"란 '열역학에서 문제가 되는 일정량의 물질군을 가리킨다. 즉, 자연현상을  생각할 때, 그 성질을 명백히 하기 위해서는 자연계의 일부를 임의로 나누는 경계를 설정한다. 이와같이 하면 자연계는 경계의 내측과 외측으로 나누어진다.
경계 내를 "계", 경계 외를 주위 또는 외계라고 한다.' 이러한 "계"는,
외계와의 사이에 물질과 에너지 출입이 가능한 개방계,
에너지만 이동이 가능한 밀폐계,
물질과 에너지의 수수가 없는 고립계,
로 구별이 된다. "
          [표준 공업열역학.서정윤. 정우사. 1978.p.29]
          [기초 공업열역학. 김진,안병욱. 정우사. 1977.p.23]

이러한 정의에 따른 현실적 예를 들어 본다면,

질점적 취급 : 달, 쇠구슬, 포도씨 등
계의 취급 : 개방계 : 대기로 둘러싸인 지구, 스폰지로 둘러싼 쇠구슬, 껍질 벗긴 포도알 등
            밀폐계 : 창문을 모두 닫은 버스, 비행기, 기차 등

을 들 수 있습니다.
위의 예에서 자전거는 질점적 취급이 가능한 것이며,
창문을 모두 닫은 버스는 "계"인 취급을 해야 하는 것입니다.
마찬가지로 [대기로 둘러싸인 지구]도 "계"인 취급을 해야 하는 것입니다. <4>

위의 예는 배에 비유하면 이해가 훨씬 쉬운데, 글로 표현하다보니 자전거와 버스의 예가
되었던 것입니다만, 배에 비유한 예는 이미 오래 전에 관찰력의 대가인 뉴턴도 제기한
바 있습니다. <5>
다만 배에 비유한 것은 평면적 경우로서 평면좌표로 나타낼 수 있는 것이며,
제가 "계"의 정의를 찾은 것은 입체적인 부피를 나타낸 것뿐입니다.
즉, "격리된 공간 개념"이기도 합니다. 
공간의 크기 즉, 부피는 어떻게 나타냅니까? x, y, z 축으로 나타내지 않나요?
"계"의 개념을 이해하시겠어요?
이것이 좌표변환의 S계, S'계의 "계"의 실질적 의미가 되는 것입니다.

이제 여기서 이번 글의 결론 부분을 생각해 봅시다.

>>[상황 2 : 계인 상황] 에서, 공기가 있는지? 없는지? 실험할 방법은 무엇일까요?
>>(방법 1) 바람개비를 버스 외부로 내놓는다.
>>(방법 2) <가> 버스 내부에서 세발 자전거의 앞에 바람개비를 달고 달린다.
          <나> 또는 바람개비를 향하여 부채질을 해 본다.

(방법1)은 지구 대기권 밖으로 간섭계를 들고 나가야 하는데 어디까지가 "에테르"의
영향권인지 알 수 없으므로 실험상의 난점이 있다고 해도,
(방법2)는 실험이 가능합니다. 그렇다면 <가><나>의 두 방법 중 어느 하나의 방법으로
바람개비가 회전을 한다면, 위의 실험 목적에서 볼 때, 공기가 있다는 것입니까?
아니면 공기가 없다는 것입니까? 있지요? 있다는 결론이 나오지요?
이 (방법2)가 피죠의 실험입니다. 물의 흐름을 만들어 광속이 변한 것을 측정했죠.
마이켈슨도 이상하게 생각하여 스스로 확인했던 것은,
자신의 결론에 대한 의심 때문이기도 한 것입니다.
그러나 학계에 의하여 피죠의 실험은 "견인이론"으로 치부된 것입니다.  <6> <7>
[지구는 대기로 둘러싸여 있다]는 "계"인 상황을 몰랐기 때문에....
그건 그렇고, 제가 공기의 흐름으로 광속에 변화가 있다는 것을 실험했고,
학생들에게는 규정된 실험 기구로 실험해서 학계에 제출하면 좋은 결과가 있을 것이라고
제안하는 방법이기도 합니다.

>>***특히 주의 : : [상황 2]를 생각하고 (방법 2)까지를 생각하신다면,
                  그렇게 생각하시는 분들은 상대성이론을 부정하는 것이 됩니다!!!

왜? 이런 말씀을 드렸는지 이해가 가십니까? 또,

>>이제 위의 두 상황을 비교해 봅니다.
>>1. 마이켈슨-몰리는 [상황 1] 과 [상황 2]의  어떤 경우를 생각하고 계산한 것입니까?
>>2. 마이켈슨-몰리는 [상황 1] 과 [상황 2]의 어떤 경우에 실험한 것입니까?
>>3. [상황 1]과 [상황 2]의 가장 큰 차이점은 무엇입니까?

마이켈슨-몰 리가 "계산한 환경" 은 [상황 1]입니다.
그러나 마이켈슨-몰 리가 '실험한 환경' 은 [상황 2]입니다. 두 상황이 다르지요?
[상황 2]로 계산한다면, 버스의 운동만으로 바람개비의 회전을 기대한다는 것은 억지죠?
버스 내부에는 바람이 없으니까 당연히 바람개비가 회전할 수 없잖아요!
 
[상황 1]은 외부 공기라는 하나의 큰공간만 있는 것이며,
[상황 2]는 외부 공기라는 하나의 큰공간 이외에 "버스"라는 작은 공간이 격리되어 있죠?
즉, 공간이 두 개죠?
큰방 하나있는 것과,
큰방 하나에 작은 방 또 하나 있는 것은 다르죠?

그렇다면 위에서 마이켈슨-몰 리가 버스를 타고 실험했던 것을,
자전거를 타고 실험했다고 오판하여 내린 결론은 모두 오류죠? 다시 해야하죠?
마이켈슨-몰리실험의 오류를 알고 그 개선 방법에 의해 실험 결과가 나오게 됩니다.
그럼 어떤 결과가 나오는지 생각해 보셨습니까?

"물론 마이켈슨이 어떤 효과를 발견하였다고 한다면 
상대성이론은 틀린 것이라고 간단히 말  할 수 있다."
          [아인슈타인 1. 장회익역. 전파과학사. 1993. p.90]

아시겠습니까? [지구는 대기로 둘러싸여 있다]는 것을 알게 되면,
마이켈슨-몰리실험에서 왜? 부정적인 결과가 나와야 했는가?를 알게 되고,
마이켈슨- 몰리의 실험을 개선하는 것은 물론이고,
새로운 실험 방법에 의한 결론을 얻게 되고,
위의 4가지 변명도 필요 없게 되고,
절대기준계의 개념이 나오는 것은 물론 상대운동 개념 자체가 없어지고,
"광속일정"의 개념도 틀리게 되는 것입니다.
상대성이론은 이것만으로도 끝난 겁니다!!!

다음에는 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.
그리고 "광속일정"에 대해서도 살펴봅니다.
마이켈슨- 몰리의 "광속일정"과 아인슈타인이 가정한 광속일정의 차이!
울고 싶을 정도로 "광속일정"의 개념도 모르는 현실입니다.

다음은 위의 글 중 책 내용을 참고하시라고 올리는 첨부 내용입니다.
그리고 의문이 있으시면, 근거될 수 있는 내용과 함께 질문을 해 주시기 바랍니다.

          [첨부]
<1> 한편 지상에 있는 관측자의 입장에서 본다면, 에테르는 지구를 스치며 지나가고 있는 것이 된다.

<2> 이렇게 가상한 "에테르"의 성질로서, 빛 즉, 광파가 전달되는 장소에는 어디에나  존재하는 물질이며, 광파는 에테르 속을 초속 30만 km로 전달되며, 우주의 방대한 공간에 가득차 있으며, 또 어느 정도인지는 알 수 없지만 모든 물질 속에 존재한다는 것이다. 상대성이론에 입각해서 에테르의 가장 중요한 성질은, 에테르가 존재한다면, 그것은 공간 전체에 퍼져있는 것이므로, 우주에 고정되어 있는, 오직 하나의 움직이지 않는 물질이라는 생각이었다.

<3> 특수 상대성이론에서의 빛의 속도 c는 자유공간에서의 빛의 속도 3*10^8m/sec 이다.
물, 유리, 혹은 공기와 같은 모든 물질의 매질 속에서 빛은 자유공간에서의 속도보다 느리게 진행한다.

<4>"지구의 태양 주위의 운동만을 적당한 정확도로 따지고자 할 때에는 지구를 '질점으로 생각할 수 있다'. 그러나 바다의 조류, 대기의 변화, 지진등을 따질 때에는 분명히 지구는 <<질점으로 생각할 수 없다>>."
                [대학물리학. 인하대학교 물리학교실. 인하대학교출판부. 1979]
<<질점으로 생각할 수 없다>>는 것을 무엇으로 이름 붙일 것인가?
이것이 "계"의 개념입니다.

<5> " '배 안'에서 어떤 실험을 하더라도, 배가 물위를 달리고 있는지 어떤지를 판정할 수 없다. 마찬가지로, 지구위에 있는 우리들은'지구위'에서 어떤 실험을 하더라도 "에테르" 속을 통과하는 지구의 운동을 발견 할 수는 없다. "  [상대성원리. 위의 책. p.83]

<6> 피죠는 150cm 길이의 유리관속에 700cm/초 의 속도를 갖는  물의 흐름을 주어 0.46줄무늬의 이동을 관측하였다.

 " This experiment was later repeated by Michelson with  improved apparatus consisting essentially of an  adaptation of  his interferometer  to this  type  of  measurement.  He  observed a  shift corresponding to an alteration of the speed of light by 0.434 times the speed of the water." [Francis A.  Jenkins  &  Harvey E.  White,  Fundamentals  of  Optics(Forth Edition).  McGRAW-HILL, KOGAKUSHA, 1965. p.413]

<7> 이러한 에테르 발견 노력은 왜? 실패했는가? 그 이유는, 1818년 프레넬(Fresnel, Augustin)에 의해서 전개된 이론에 설명되어 있다. 그는, 에테르가 진공  상태 또는 우주 공간에 있을 때보다  물체 속에 있을 때에 밀도가 더높다고 가정했다. 그 결과, 망원경  렌즈처럼 투명한 물체가 에테르 속을 움직일 때에는, 어느 정도의 에테르가 끌어 당겨진다. 마치 배가 지나간  뒤 물이 배에 끌어당겨지는 거나 같다고 생각된다. 이와같은 가정에 입각해서, 프레넬은 움직이는 물체 (이 경우에는 망원경 렌즈)의 속도에 대한 일정한 비율의 양을, 끌어당겨지는 에테르의 양으로 계산했다. 그 비율을 프레넬의 견인계수라 한다.











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