사고 실험 1-26: 준광속으로 나는 우주선의 질량 증가와 길이 수축

이 사고 실험은 물질의 최고 속도가 c를 넘지 못하는 이유와 관련된 것이다. 어떤 우주선의 속도가 0.99c에 이르면 계속 엔진을 가동해 가속하려 해도 속도를 더 높이기는 어렵다. 특수상대성이론에 따르면 이 속력으로는 추진 에너지의 대부분이 우주선 질량 증가로 전환되기 때문이다.여기서 우리는 이런 질문을 할 수 있다. 이 우주선은 무엇에 대해 이러한 극한의 속도에 도달했는가, 그것이 질량 증가로 나타났는가? 만약 절대공간(우주)에 대한 운동을 가정한다면 어렵지 않게 설명할 수 있을 것이다. 우주선은 절대 공간에 대해 운동을 하고 있으며 절대 속도가 0.99c에 달한 것이며 그로 인해 질량이 증가한 것이다. 그리고 이 질량 증가는 속도의 상승을 억제한다. 그것은 특수상대론 방정식과 논리적으로 모순이 없다.그러나 이를 다른 물질(혹은 관성계)에 대한 상대운동으로 간주한다면 설명이 어려울 뿐 아니라 궁극적으로는 논리적 모순에 직면하게 된다. 우주상에는 수많은 물질이 저마다 운동하고 있다. 방향도 다르고 속도도 달라. 그렇다면 이 우주선은 도대체 어떤 물질(혹은 관성계)에 대해 0.99c의 속력으로 운동을 한 것이며 그에 따라 질량이 증가한 것일까? 그리고 그 결과 속도 상승이 제한되어 있는 것일까?(그림 4-2-29 참조)

<그림 4-2-29> 준광속 우주선과 소행성의 로렌츠 변환

※ 우주선은 어느 소행성과의 상대 속도에 따라 로렌츠 변환(질량 증가, 길이 수축)이 일어나는가?

이런 의문은 너무나 기본적이고 본질적이어서 상대론자들은 대답할 의무가 있다. 그러나 아무도 이 단순한 문제에 대해 명료한 설명을 할 수 없다.이 문제는 상대론적 속도 더하기 공식을 동원해도 해결되지 않는다. 상대론적 속도 더하기 공식을 적용하더라도 특정 물질의 운동은 무한히 다양한 상대 속도를 가진다. 어떤 물질과는 0.4c의 상대 속도를 가지며, 다른 물질과는 0.1c, 또 다른 물질과는 0.9c나 0.9999c의 상대 속도를 갖는 것이다. 우주공간을 떠도는 수많은 물체나 입자와 그만큼 많은 상대속도를 가진 곳, 이 우주선은 어떤 상대속도에 대해 질량이 증가하고 길이 수축이 일어나는 것일까.결국 이 우주선은 개별 물질이 아닌 절대 공간(전체 우주)에 대해 이런 운동을 하고 있다고 볼 수밖에 없다. 그렇다면 소행성뿐만 아니라 모든 입자나 먼지, 산소분자 등 모든 개별 물질이 절대 공간에 대해 어떤 방향과 속도로 운동을 했고, 그 결과 질량 증가, 길이 수축 등 로렌츠 변환이 발생했다고 봐야 한다.

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