[별의 물리] 1.1 갈릴레이 상대성

기차를 타본 사람이라면, 기차가 처음 출발할 때 기차가 앞으로 나아가는 것인지 창 밖 풍경이 뒤로 가는 것인지 구분하지 못하는 신기한 경험이 한번쯤 해봤을 것이다. 이렇게 대부분의 사람들이 겪는 경험에서 보편적인 진리를 발견한 사람이 있다.

갈릴레오 갈릴레이는 배를 타고 운하를 여행하며 마주 오는 배를 바라보다가, 앞의 기차에 탄 사람처럼 내가 탄 배와 주변에 있는 배의 움직임을 구분하지 못하는 신기한 경험을 했다. 주변의 땅을 살펴보지 않고 다른 배를 보면, 내가 탄 배가 움직이는 것인지 마주 오는 배가 움직이고 있는 것인지 구별할 수 없어서 멈춰있는 배가 움직인다고 느끼거나 혹은 반대로 느끼는 경우가 간혹 있었던 것이다. 모두들 같은 착각을 한 적이 있지만 그냥 지나쳤다. 유독 갈릴레이만이 이 일로부터 움직임은 단지 상대적인 것일 뿐이라는 결론을 얻었다. 즉 관찰자가 움직이며 멈춰있는 사물을 바라보든, 멈춰서서 움직이는 사물을 바라보든, 관찰자와 사물 사이의 거리 변화가 똑같다면 느껴지는 속도는 본질적으로 같다는 것이다. 이를 갈릴레이 상대성이라 부른다.

갈릴레이 상대성은 여러 물체가 운동할 때 각각의 상대속도를 계산할 때 쓰인다. 예를 들어 물체1이 v1 속도로 움직이고, 물체2가 v2 속도로 움직인다면 물체 1에서 바라보는 물체2의 속도는 v2-v1이 된다는 것이다. 지금으로서는 매우 당연하다고 생각하겠지만, 당시의 운동에 대한 상식으로 보면 혁명적인 해석이었다.

이 해석을 확장해보자면, 어떤 속도로 움직이거나 어떤 중력장 안에 같은 물리적 상태에 있거나 물리적 상태는 같다는 뜻이다. 이 원리는 이후 뉴턴이 만든 고전역학과 아인슈타인이 만든 상대성이론에서 중요한 한 축을 이룬다. (물론 이 두 이론에서의 해석은 다르다.)

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