아인슈타인의 사고실험 - 광속 불변의 법칙

광속으로 달리는 나와 손거울과 빛

상대성 이론을 이끌어낸 독일의 물리학자 알베르트 아인슈타인은 손거울에 자신의 얼굴을 비추면서 광속과 같은 속도로 달리면, 거울이 자신의 얼굴을 비출.수 있을까에 대해 생각해보았습니다. 당시 빛은 공간을 채우고 있는 에테르라는 가상의 매질을 통해 전달되는 것으로 생각되고 있었습니다. 즉, 광속이란 빛이 에테르를 통해 전해지는 속도라고 생각되고 있었던 것 입니다. 아인슈타인은 자신도 손거울도 에테르 안을 광속으로 진행하고 있기 때문에, 거울에는 자신의 얼굴이 비치지 않을 것이라고 생각해 보았습니다만, 이것이 당시 알려진 물리의 법칙과 모순되는 것을 깨달았습니다.

갈릴레이의 상대성 이론

그림과 같이 똑바른 고속도로를 같은 방향으로 시속 80킬로미터로 달리는 자동차 A와 시속 100킬로미터로 달리는 자동차 B를 생각해 봅시다. A에서 B를 보면 B는 시속 20km로 진행 방향으로 점점 멀어지는 것처럼 보입니다. 반대로 B에서 A를 보면 A는 시속 20km로 진행 방향과 반대되는 방향으로 멀어져 가는 것처럼 보입니다. 이 겉보기 속도를 상대 속도라고합니다. 만약 A와 B의 속도가 같으면, A에서 B를 봐도 B에서 A를 봐도 상대 속도는 0으로 움직이지 않는 것처럼 보입니다. 이것이 갈릴레오 갈릴레이의 상대성 원리입니다. 영국의 물리학자 아이작 뉴턴이 갈릴레이의 상대성 원리에서 이끌어낸 '관성의 법칙'에 따르면, 우리는 일정한 속도로 움직일 때 어느 정도의 속도로 어느 방향으로 움직이고 있는지 알 수 없습니다. 애초에 움직이고 있는지 조차 알 수 없습니다. 이것을 방금전 자동차의 예에 빚대어 보면, A와 B는 각각 일정한 속도로 움직이고 있기 때문에, 주위의 경치나 상대가 보이지 않으면, 자신이 움직이고 있다는 것을 깨닫지 못할 것 입니다. 또한 A와 B의 속도가 같으면 서로 일정한 거리를 두고 정지하고 있는 것처럼 보입니다. 상대가 보이고 있어도 주위의 경치가 보이지 않으면, 자신이 움직이고 있는 것을 깨닫지 못할 것 입니다. 마찬가지로 손거울에 얼굴을 비추면서 광속과 같은 속도로 달렸을 때에는, 손거울도 자신도 같은 속도로 움직이고 있기 때문에, 자신이 움직이고 있다는 것을 눈치채지 못할 것 입니다. 이 때, 자신도 손거울도 빛도 에테르 안을 광속으로 진행하는 것이기 때문에, 자신의 얼굴에서 반사된 빛은 영원히 거울을 따라잡을 수 없습니다. 얼굴에서 반사된 빛이 거울에 닿지 않으면, 그 빛이 거울에서 반사되지 않으므로, 거울에는 얼굴이 비치지 않게 됩니다. 거울에 얼굴이 비치지 않는다는 것은, 곧 자신이 움직이고 있는 것을 알 수 있다는 것 입니다.

광속 불변의 법칙

아인슈타인은 광속으로 달릴 때만 자신이 움직이고 있는 것을 알 수 있다는 것은 이상하다고 생각했습니다. 그래서 에테르의 존재를 부정하고, 빛에는 갈릴레오의 상대성 원리는 통용되지 않는다고 생각했습니다. 즉, 광속은 관측자에 따라 달라지지 않고 언제나 일정하다고 생각했습니다. 이처럼 아인슈타인은 사고실험을 통해 광속 불변의 법칙에 도달했습니다. 이윽고, 에테르가 존재하지 않는 것이나, 광속이 불변인 것이 실험으로 확인되어, 아인슈타인의 생각이 올바른 것이 증명되었습니다.