기존 물리학을 깨뜨린 사실
진공에서 빛의 속도는 대략 초당 30만km이고 SI 단위로는 정확히 299,792,458m/s야. 엄청나지만 유한한 속도지. 물리학을 뒤흔든 것은 숫자의 크기가 아니라 그 속성이었어. 누가 얼마나 빠르게 움직이든 모두가 빛의 속도를 똑같이 측정해.
가만히 서서 빛줄기의 속도를 재면 초당 30만km야. 빛줄기 옆에서 초당 10만km로 달리며 다시 재도 20만km가 아니라 여전히 30만km야. 광원에서 초당 10만km로 멀어지며 뒤따라오는 빛을 재도 40만km가 아니라 30만km지. 관찰자의 움직임은 빛의 속도에 더해지거나 빼지지 않아. 다른 속도는 모두 그렇게 합쳐지지만 빛만은 달라.
왜 이 사실을 잠시 붙잡아야 할까
빛줄기와 같은 지점에서 출발해 같은 방향으로 빠르게 달린다고 생각해 봐. 얼마나 빨리 달리든 빛줄기는 초당 30만km의 속도로 멀어져. 빛의 속도의 99%로 달려도 빛이 멀어지는 속도를 여전히 온전한 초당 30만km로 측정해. 어떤 관찰자의 기준에서도 빛이 정지한 사람에게 보이는 것보다 느려지는 일은 없어.
다른 어떤 것도 이런 식으로 움직이지 않아. 자동차의 속도는 길가에 서서 재는지 옆에서 함께 달리며 재는지에 따라 달라지고, 소리의 속도는 공기의 움직임에 따라 달라져. 하지만 빛의 속도는 스스로 절대적인 값을 지켜. 아인슈타인은 이 실험적 사실을 받아들인 뒤 끝까지 따라갔고, 특수 상대성이론 전체가 거기에서 나왔어.
이 사실이 뜻하는 것
- 시간이 늘어나. 빛의 속도가 일정하고 거리와 시간이 속도 = 거리 / 시간으로 연결돼 있다면, 빠르게 움직이는 사람에게는 시간 자체가 느려져야 빛의 속도가 일정하게 유지돼. 이것이 시간 팽창이고 다음 레슨에서 다룰 거야.
- 길이가 줄어들어. 같은 이유로 정지한 관찰자가 볼 때 빠르게 움직이는 사람에게는 운동 방향의 길이가 줄어들어. 그렇게 빛의 속도가 일정하게 유지되지.
- 질량과 에너지는 서로 바뀔 수 있어. 같은 논리에서
E = mc²이 나와. 질량은 얼어붙은 채 매우 빽빽하게 압축된 에너지의 한 형태야. 원자를 쪼개면 그 에너지가 풀려나. - 질량이 있는 것은 빛의 속도에 닿을 수 없어. 질량을 지닌 물체를 더 빠르게 밀수록 c에 가까이 갈 때 필요한 에너지가 커지고, c에 도달하려면 무한한 에너지가 필요해. 질량이 없는 광자는 늘 c로 움직이지만 다른 모든 것은 그 아래에 머물러.
한 문장으로 정리하면
빛의 속도는 빛만의 성질이라기보다 빛이 가장 분명하게 드러내는 우주의 성질이야. 우주가 상태를 갱신하는 속도이자 인과관계를 지닌 어떤 신호도 넘을 수 없는 최대 속도지. 그보다 빠르게는 정보가 움직일 수 없어. 그래서 우리는 거리를 광년이라는 시간으로도 재. c를 받아들이면 거리와 시간은 같은 것의 서로 다른 면이 돼.