마이컬슨 몰리 실험 결과는 과연 무엇을 말하는가? 양자중력공간 에세이

마이컬슨 몰리 실험 결과는 과연 무엇을 말하고 있는가?

이 글에서 다루고자 하는 것은 마이컬슨 몰리 실험 결과가 과연 로렌츠 길이 수축이 의미하는 바가 무엇인지 보다 근본적으로 상고하기 위함이다. 로렌츠 길이 수축이 과연 움직이는 물체만의 길이 수축을 말하는 것일까? 아니면 움직이는 물체를 둘러싸고 있는 주변의 배경이 되는 공간의 길이 잣대의 수축을 말하는 것일까?
이 것에 대하여 면밀히 살펴보자.
사실 이것이 본인의 주장의 분수령이기 때문이다.


파일:AetherWind.svg


(그림1) 에테르 바람의 묘사도(위키백과 참조)

지구는 태양 주위의 궤도를 따라 30km/s의 속력으로 이동한다. 태양 또한 은하의 중심 주위를 그보다 더 빠른 속도로 이동하고 있다. 따라서, 지구의 공전 운동에 의해, 지구를 가로지르는 에테르의 흐름은 "에테르 바람"을 형성할 것이라고 생각하였다. 물론 이론적으로는 일시적으로 지구의 움직임과 에테르의 흐름이 일치할 수 있지만, 지구는 방향과 속력이 수시로 변화하는 운동을 하고 있으므로, 모든 시간에서 지구는 에테르의 흐름에 상대적으로 정지해 있을 수는 없다.

지구 표면의 어느 지점에서나, 바람의 크기와 방향은 하루의 시간대와 계절에 따라 변한다. 따라서, 여러 시간대에서 여러 방향에서 반사되어 돌아오는 빛의 속도를 측정하여, 에테르에 대한 지구의 상대적인 운동을 분석할 수 있다고 생각하였다.

 

마이켈슨은 에테르 바람을 측정할 수 있을 정도로 정교한 실험장치를 제작하였다. 추후 간섭계(interferometer)라고 알려진 그의 장치는 백색광의 단일 광원을 반투명 거울(half-silvered mirror)을 통해 직각으로 나누어 두 개의 광선으로 만든다. 이 나눔계(splitter)를 지나고 나면, 광선은 길게 뻗은 팔(arm)을 지나 그 끝에 장착된 거울을 통해 다시 중간지점으로 반사되어 온다. 중간으로 반사된 파는 나눔계(splitter)를 통해 다시 결합이 되어 빛이 각 팔(arm)에서 이동한 시간차에 따라 보강 또는 상쇄 간섭 무늬가 일어난다. 미세한 시간차에 의해서도 간섭무늬의 주름(interference fringe)의 위치가 변화한다. 만약 에테르가 태양에 상대적으로 정지해 있다면, 지구의 운동은 간섭무늬 주름 한 개의 1/25배 크기만큼의 간섭무늬의 변화를 일으킬 것이다.


파일:Michelson-Morley experiment (en).svg
마이컬슨 몰리 간섭계(비록 이 실험장치는 레이저를 사용하고 있으나 마이켈슨의 초창기 간섭계와 원리는 동일하다,위키백과)

실험 결과 간섭 무늬는 나타나지 않았다. 이는 서로의 시간차가 없었다는 것이다. 즉, 에테르의 흐르는 방향과 나란히 가든, 수직으로가든 빛의 도달하는 시간차는 나지 않았다는 결론이다.

이의 원리는 흐르는 강물 위를 강물과 나란한 방향으로 가는 배와 강물과 수직된 방향으로 가는 배로 비유하여 설명할 수 있다.


 

여기서 배의 속력을 , 강물의 속력을 , 강의 폭을 라고 하여 서로 다른 두 방향으로 왕복하는 배의 소요시간을 계산해 보자.

강물의 흐름을 가로질러서 되돌아 오는 배의 경, 강물 위에서 본 경로로 살펴볼 때는 위의 녹색 경로와 같이 왼쪽으로 비스듬하게 출발하여야 한다. 그러나 실제 경로에서 배의 운동을 관측하면 배의 속력은 으로 줄어들어 보인다. 이는 배머리가 향하는 방향, 즉 비스듬한 방향으로의 속력이 이고 실제로 배는 수직방향으로 움직이기 때문이다. 이들 속도 벡터를 직각삼각형으로 도해하여 피타고라스 정리을 도입하여 간단히 이 식이 유도된다. 왕복하는데 걸리는 시간은

(1)

한편 강물의 방향과 같은 방향으로 거리 를 왕복하는 배의 경우에는 좀더 이해하기가 쉽다. 강물이 흐르는 방향과 같은 방향으로 진행할 때의 배의 겉보기 속력은 가 되고 거슬러서 진행할 때에는 가 된다. 따라서 소요시간

(2)

따라서 의 두 시간의 비는 와 관련되어 있다. 이 시간의 비를 알고 있고 또한 배의 속력 를 알고 있다면 강물의 속력 를 계산할 수 있게 된다.
즉, 강물의 속력 가 0보다 큰 수를 가질 경우 항상 강물이 흐르는 방향으로 진행하였다 되돌아오는 경우의 소요시간이 강물을 수직으로 거슬러 갔다 돌아오는 경우보다 더 많이 걸린다.

마이컬슨 몰리의 실험은 위의 흐르는 강물 위를 진행하는 배의 원리와 동일한 원리를 적용하고 있다.
그런데 마이컬슨 몰리의 실험의 결과 즉, 에테르의 방향과 수직된 방향과 나란한 방향의 빛의 진행에 있어서 서로의 시간차가 전혀 발생하지 않는다는 사실을 위의 흐르는 강물 위를 진행하는 배의 경우에 적용을 하여 해석해보면,
강물의 흐름과 나란히 배가 진행하는 경우의 이동 거리, 즉, 강물 위에서 본, 강물의 흐르는 방향과 나란한 방향으로 배가 오고간 거리 자체가 수축되어 있다고 해석하는 것이 올바름을 알 수 있다. 강물의 흐르는 방향과 동일한 쪽의, 움직이는 배의 배경이 되는 강물 상의 거리 또는 길이 자체가 수축하여 있다고 해석하는 것이 정확히 옳음을 알 수 있다. 
배가 목표점에 도달하는 시간이 정확히 같으려면, 다음을 만족해야 한다.
만약 강물이 정지해 있다고 볼 때, 강물 위를 배가 갔다 돌아온 거리를 라 할 경우, 강물이 라는 속력으로 움직일 경우 강물 상의 거리 또는 길이가 수축하여 주어진 거리  은,
 
로 주어진다.
거리 또는 길이 수축이 일어나는 대상은 흐르는 강물이며, 또한 흐르는 에테르(만약 에테르가 존재한다면)이다. 이러한 강물과 에테르의 흐르는 이동 방향쪽의 강물 또느 에테르의 길이가 수축한다는 것이다.

이와 같이 강물 위에 펼쳐진 사건들을 마이컬슨 몰리 실험의 결과 해석에도 적용하였는데.. 이는 다음과 같다.

마이켈슨과 모올리는 이 시간차이를 기대하는 것 보다 더 정밀하게 측정할 수 있는 정교한 장치를 고안하였고 이를 통해서 에테르의 속력 를 측정해 본 결과 밤이나 낮이나 겨울이나 여름이나 지구가 어느 궤도를 공전, 혹은 자전하거나 관계없이 거의 0이라는 결과를 얻었다. 즉 첫째, 지구가 에테르를 끌고 다니거나, 아니면 둘째, 에테르에 빛은 실려가지 않는 것처럼 보인다.

이러한 결과가 1887년까지 확인되자 에테르의 존재를 부정하지 않고 이를 설명해 내려는 많은 시도가 있었다. 1889년 피츠제랄드 (G. F. Fitzgerald)는 에테르의 흐름방향으로의 에테르 상의 거리가 수축하여 의 결과를 만든다고 제안하였다. 이에 의하면 거리  로 수축하면 된다. 이는 1892년 로렌츠 (H. A. Lorentz)에 의해 다시 제안되어 이를 피츠제랄드-로렌츠 수축 혹은 로렌츠 수축 이라 부른다.

따라서 이와같은 과학역사적인 사실을 궁구하여 보아도 로렌츠 길이 수축이 실제 의미하는 바는 무엇이겠는가? 흐르는 강물 위의 배의 비유에 있어 수축되었다고 적용하는 부분은 흐르는 강물 상의 거리임을 알 수 있다.
마찬가지로 로렌츠 수축이 의미하고 있는 부분 역시 흐르는 에테르 상의 거리임을 알 수 있다.

이를 다른 측면에서 살펴보자

 

1. 기차에 탄 사람이 가진 시계와 자로 측정하였을 경우

 : 기차에 탄 사람이 가진 시계로 측정한 구간 경과 시간
: 기차에 탄 사람이 가진 자로 측정한 기차의 길이이며

2. 땅에 서 있는 사람이 가진 시계와 자로 측정하였을 경우

 : 땅에 서 있는 사람이 가진 시계로 측정한 구간 경과 시간
 : 땅에 서 있는 사람이 가진 자로 측정한 기차의 길이이다.


이를 흐르는 강물과 배의 경우와 비교해 보자.
먼저, 기차에 탄 사람이 가진 시계와 자로 측정하였을 경우인

의 식은
흐르는 강물의 수직 방향으로 왕복할 경우 소요시간(구간 경과시간)

(: 실제 배의 속력에 해당하므로)
와 정확히 같고, 
땅에 서 있는 사람이 가진 시계와 자로 측정하였을 경우인

의 식은
흐르는 강물과 나란한 방향으로 왕복할 경우 소요시간(구간 경과시간)

와 정확히 같다.
따라서 이를 비교해 보면,
기차에 탄 사람이 가진 시계와 자로 측정하였을 경우는 흐르는 강물의 수직 방향으로 움직인 경우와 동일함으로 크게 비교할 것이 없으나,
땅에 서 있는 사람이 가진 시계와 자로 측정하였을 경우는 흐르는 강물과 나란한 방향으로 움직이는 경우와 동일하다.
그러면 달리는 기차에 있어서는, 흐르는 강물과 배의 경우 흐르는 강물에 해당하는 것은 무엇일까? 왜냐하면 흐르는 강물의 진행 방향으로 길이 수축이 일으나기 때문임을 우리는 알기 때문이다. 흐르는 강물과 배의 경우 길이 수축의 대상은 바로 흐르는 강물 자체이며 그 흐르는 방향으로 길이 수축이 일어남을 알기 때문이다.
그러면 이와같은 흐르는 강물에 해당하는 것은 달리는 기차의 경우 과연 무엇일까?
그것은 바로 땅에 서있는 사람의 좌표계, 정지한 좌표계가 바로 흐르는 강물에 해당함을 명확하게 알 수 있다.

달리는 기차의 경우, 기차 안에 탄 사람에 해당하는 것이, 흐르는 강물과 배의 경우, 강물 바깥쪽 강둑에 서잇는 사람에 해당하고,
달리는 기차의 경우, 땅에 서 있는 사람이 가진 좌표계에 해당하는 것이, 흐르는 강물과 배의 경우, 흐르는 강물 상에 떠 있어 강물과 같이 움직이는 사람이 가진 좌표계에 해당한다.
달리는 기차의 경우, 기차 안에서 쏘아진 진행하는 빛에 해당하는 것이, 흐르는 강물과 배의 경우, 흐르는 강물 위를 달리는 배에 해당함을 알 수 있다.
따라서 흐르는 강물과 배의 경우, 또는 마이컬슨과 몰리의 실험에 있어서, 흐르는 강물 또는 흐르는 에테르에 해당하는 것은 바로 달리는 기차의 경우, 바로 땅에 서있는 사람의 좌표계, 정지한 기준계가 그것에 해당함을 알 수가 있다.
따라서 달리는 기차의 경우, 로렌츠 수축이 일어나는 대상은 바로 땅에 서있는 사람의 좌표계, 즉, 정지한 좌표계임을 정확하게 알 수 있다.

따라서 계속 강조되는 사항이지만 로렌츠 길이 수축이 의미하는 바는 움직이는 물체만이 길이 수축된다는 의미가 아니라 움직이는 물체의 배경이 되고 있는 공간이 수축됨을 정확하게 알 수 있다.


광속에 가까운 속도로 달리는 뮤온의 경우, 로렌츠 길이 수축을 일으키는 대상은 달리는 뮤온 입자가 아닌 뮤온이 달리는 배경이 되어 있는 공간, 뮤온의 달리는 경로, 뮤온 입자의 윤곽을 기준으로 뮤온 입자 자체를 움직이는 좌표계로 보았을 때, 뮤온 입자 윤곽의 바깥 공간을 정지한 좌표계 또는 주변 좌표계로 보았을 경우, 로렌츠 길이 수축을 일으키는 대상은 정확하게 달리는 뮤온 입자의 배경이 되는 주변 좌표계, 즉, 정지한 좌표계의 길이 단위 자체의 수축임을 명확하게 알 수 있다.

이와같이 마이컬슨과 몰리 실험에서와, 흐르는 강물과 배의 비유와, 달리는 기차에서의 로렌츠 길이 수축과 뮤온입자의 이동을 모두다 통들어 볼 때, 내려지는 결론은 단 하나. 로렌츠 길이 수축의 대상은 움직이는 물체의 배경이 되고 있는 주변 좌표계, 정지 좌표계의 길이 단위 수축이라는 것이다.
이 얼마나 명확하냐.

움직이는 물체의 배경 좌표계, 주변 좌표계, 정지 좌표계의 길이 수축이라 생각을 새롭게 가질 때,
그동안 막혔던 양자역학과 상대성이론의 통합의 막힌 담이 깨끗이 헐어지고 양자중력이론으로 향한 활짝 열린 대로가 광활하게 펼쳐지는 것이다.
또한 매우 깔끔하게 쌍둥이 역설이 흔적도 없이 사라지며,
또한 매우 깔끔하게 광속초월 현상에 대한 설명이 가능해진다.
또한 매우 깔끔하게 전자기파, 물질파, 중력파가 하나의 동일한 파동임을 알 수 있게 되고,
또한 매우 깔끔하게 기(氣) 에너지의 물리학적 정체를 알 수 있게 된다.
또한 매우 깔끔하게 양자역학의 복소수 파동이 의미하는 바를 알게 되고,
또한 매우 깔끔하게 양자역학의 터널링 현상이 파동론적으로서가 아닌 입자론적으로 설명 가능하게 된다.
또한 매우 깔끔하게 파동과 입자의 양자의 모습을 갖춘 이유를 알게 되고,
또한 매우 깔끔하게 전자의 이중 슬릿 간섭 현상에서 확률적 분포가 왜 형성하게 되는지를 유체역학적으로 설명 가능하게 된다.
또한 매우 깔끔하게 보어의 양자 가설이 의미하는 바가 무엇인지가 명확하게 드러나게 되며,
또한 매우 깔끔하게 암흑에너지와 암흑물질의 정체가 무엇인지 알게 되고,
또한 매우 깔끔하게 블랙홀 정보 역설이 풀리게 된다.
또한 매우 깔끔하게 블랙홀의 특이점의 존재가 무엇인지도 알게된다.
이외에도 너무나 많은 미해결 문제가 한꺼번에 쫙 풀린다.

그것이 바로 이 작은 것 하나, 로렌츠 길이 수축이 의미하는 바는 움직이는 물체 자체의 수축이 아니라 그 배경 좌표계의 길이 단위 수축에 있다는 것을 파악하는 것 하나에 있다.
이 하나로 공간은 퍼텐셜 에너지를 가지고 있음을 명확하게 매우 아름다운 모습으로, 매우 간단한 모습으로 정립이 된다.

이와같이 맺쳐지는 열매가 너무 많은데 어찌 이를 다시 한번 생각해 보지 않을 수 있겠느냐 말이다.

제가 로렌츠 길이 수축에 대하여 여러가지 역사적 상황과 그 과정을 설명 드렸음에도 불구하고 단순히 기존 이렇게 배웠으니 이것이 맞지 않겠느냐 주장하는 것은 얼마나 어리석겠느냐 말이다.

아인슈타인은 그의 상대성 이론을 통해 아름다운 기하학의 이론을 만들기을 원하였다. 그러나 기하학적인 대리석과 그렇지 못한 나무가 섞인 혼합물을 만들었음을 안타깝게 생각하였는데, 로렌츠 길이 수축에 대한 개념을 다시 새롭게 가짐으로서 아인슈타인 박사께서 그토록 원하던 대리석 건물, 아름다운 기학학적인 이론을 만들수 있게 된다.
그 어찌 한번 궁구해 보지 않을 수 있으랴.
기존 이론에 이렇더라 하는 것으로 거대한 벽을 쌓고 있다면 이 얼마나 안타까운 일이겠는가?
한번 생각해보라..


덧글

  • 템이 2011/02/24 17:35 # 답글

    특수 상대론 공부하면서.. 왜 길이 길이수축이 왜 일어나야 하지?
    라고 생각하다가..
    마이컬슨 몰리 실험까지 올라왔네요.;;
    ;; 근데 여전히.. 왜 이렇게 만들어졌을까? 하는..건.. 남아있네요 ㅠㅠ
    (.. 신에게 물어봐야 하는 거겠지요..)
    혼동될떄 마다 읽어볼수 있게 퍼갈게요. 좋은글 감사합니다.
  • Dr Yeo 2011/02/26 16:03 # 답글

    저의 주장은 학교에서 배우는 기존 이론과는 약간 다릅니다. 귀하께서 저의 내용을 참고하시는 것은 감사하다고 여겨지나 학교에서 배우는 이론과는 미묘하게 틀림을 유의하시기 바랍니다. 이러한 미묘한 차이는 매우 큰 차이로 발전하게 됩니다. 광속불변의 법칙에 오류가 있다는 것이고 광속을 초월한 속도가 발생할 수 있다는 결론을 유도하게 됩니다. 그 대표적인 예가 인플레이션 우주 팽창에서 초기 우주 팽창의 속도가 광속을 뛰어넘는 속도라는 것이죠. 이는 엄밀한 의미에서 광속불변의 법칙과는 어긋나죠. 이는 그러한 매우 근본적인 질문에 파동을 일으키는 내용이기 때문에 오히려 귀하의 지식에 혼동이 일어나지 않도록 유념하시기 바랍니다.
  • ZeroFive 2015/07/05 11:19 # 삭제

    공간 자체의 팽창은 빛의 속도를 넘어도 상관없는데요?
    빛의속도를 가지지 말아야 할것은 정보를 담고있는것에 한해서 입니다
  • sillu 2011/06/20 00:03 # 삭제 답글

    우연히 검색중에 들어왔는데, 좋은 내용 잘 보고갑니다.

    특수상대성이론의 거의 모든부분을 담고있군요 - !
  • quera23 2015/10/29 16:59 # 삭제 답글

    뮤온에 대해 하나만 말씀드리겠습니다.

    일단 아인슈타인이 주장한 시간 지연의 근거로 제시된 주장으로 정리하자면
    뮤온의 속도는 0.998C 이고 수명은 2.2*10(-6)초 그래서 뮤온이 이동할 수 있는 660M
    그러나 10km 상공에서 관측되었으니 시간지연이다. 라고 하며 시간지연의 근거로 제시합니다.

    그럼 하나 의문이 생깁니다.
    10km 상공에서 관측된 뮤온은 빛을 속도 보다 더 빨리 온건 아닐까요..?
    10km 상공에서 관측된 뮤온의 속도가 왜 0.998C로 단정지을까요..?
    그렇다면 빛보다 빠른것이 발견된 것이고 광속 불변의 법칙, 시간지연,
    특수상대성이론 뭐 이딴 소리는 없어지지 않을까요?

    방법은 하나
    10km 상공에서 관측된 뮤온의 속도를 진짜 재 보는 거죠...
    빛보다 빠르니까 잴수 없나요..? ㅋㅋ 그래서 시간지연인가요..? ㅋㅋ

    진짜로 10km 상공에서 관측된 뮤온의 속도를 잰게 있다면 저에게 메일 부탁드립니다.
    quera23@네이버 입니다.
댓글 입력 영역


양자중력공간 이론과 빛

본 블로그의 독특한 내용과 아이디어는 저자의 허락이 없는 한 함부로 타 논문이나 저서 또는 특허에 사용하는 것을 금지합니다. 이를 어길시 저는 법적으로 책임을 물을 것입니다. 그러나 본 블로그의 내용과 아이디어는 오직 저의 허락하에 사용가능하오니 이를 논문이나 저서에 인용하거나 사용하실 분은 반드시 저에게 연락주십시오(yshoono@hotmail.com). 그러나 인터넷에서 비영리 목적으로 건전한 토론의 목적으로 원저작자를 표시한 상태에서 자유롭게 사용하는 것은 허락합니다.