빛보다도 빠르게 움직이는 것이 있다는 주장을 우리는 종종 듣게 된다. 예를 들면, ‘생각의 속도‘ 같은 것인데 이것은 매우 어리석은 주장이다. 왜냐하면 우리 뇌의 신경 전달 신호는 당나귀가 수레를 끄는 것과 같은 느린 속도로 뉴런 사이를 움직이기 때문이다. - P405
인류는 상대성이론을 궁리해 낼 정도로 영리하기는 하지만 그리 빠르게 사고하지는 못한다. 그러나 현대 컴퓨터의 전기 회로 속에서는 전기 신호가 거의 빛의 속도로 움직이고 있다. - P405
특수 상대성 이론은 아인슈타인이 20대 중반에 혼자서 수립한 이론이다. 특수 상대성 이론은 그 후에 그 이론을 검증하기 위해 수행된 각종 실험에서 그 정당성이 입증됐다. - P405
자연법칙의 파기가 반드시 범죄의 성립을 의미하지는 않는다. 자연의 금지 사항을 어기는 것을 자연 자체가 용납하지 않기 때문에, 그런 사건의 발생은 애초부터 불가능하기 때문이다. - P406
(상대성 이론에 관한 글에서 우리는 "....라고 상상해 보자" 로 끝나는 문장들을 자주 접하게 된다. 즉 머릿속에서 실험을 해 보자는 말이다. 그래서 아인슈타인은 이런 실험에 "사고 실험思考實驗, Gedankenexperiment" 이라는 멋진 이름을 붙였다.) - P406
빛의 속도에 가까워지면 모든 것이 당신 앞에 머물러 있는 매우 작은 동그란 창 안에 모여 있는 것처럼 보일 것이다. 빛의 속도로 달리는 사람에게는 세상이 이상하게 보이는 것이다. - P407
한편 멈춰 서 있는 관찰자의 입장에서는 만약 당신이 멀어지고 있다면 당신에게 반사되어 오는 빛이 빨갛게 보이고 가까워지면 파랗게 보인다. 당신이 관측자를 향하여 달리고 있다면 당신은 기분 나쁜 색깔의 광채에 둘러싸인 것으로 보일 것이다. 왜냐하면 당신에게서 방출되는, 통상적으로는 눈에 보이지 않던 적외선이 짧은 파장 쪽으로 이동해서 눈에 보이는 가시광선이 되기 때문이다. - P407
당신은 움직이는 방향으로 압축되고 질량은 증가하며 광속과 같은 속도로 움직일 때의 가장 짜릿한 결과인 시간 지연 時間遲延medilacion이라는 이상한 현상을 경험하게 된다. 시간 지연은 글자 그대로 시간이 느리게 흐르는 현상을 일컫는다. 그러나 당신의 뒷좌석에 앉아서 당신과 함께 움직이는 관찰자는 이런 현상을 전혀 느끼지 못할 것이다. - P407
이런 이상하고 복잡해 보이는 특수 상대성 이론의 예측들이 모두 사실로 확인됐다. 여기서 사실 확인이란, 과학에서 진리眞理라고 인정하는 그런 깊은 수준에서 검증된 사실이라는 뜻이다. 이 현상들은 당신과 관찰자 사이에 상대 운동이 있을 때 보게 되는 것이다. 하지만 이것은 시각적 환상이 아니라 실제 현상이다. - P407
또한 이런 현상은 많은 실험 결과들과도 일치한다. 매우 정확한 시계를 비행기에 실어 옮기면 지상에 가만히 있는 시계보다 약간 느리게 간다. 또 입자 가속기는 입자의 속도가 증가함에 따라 입자의 질량이 무거워지는 현상을 고려하여 설계되어 있다. 만일 그렇게 설계하지 않으면 가속된 입자들이 실험 기구의 벽에 충돌하게 되므로 실험핵물리학에서 할 수 있는 일이 거의 없을 것이다. - P408
속도는 거리를 시간으로 나눈 값이다. 빛의 속도에 가까워지면 일상생활에서와 같은 방법으로 속도를 더할 수 없기 때문에, 우리에게 익숙한 절대 공간과 절대 시간의 개념을 버려야만 한다. 절대 공간과 절대 시간은 상대 운동과는 무관한 개념이었다. 상대 운동의 영향 때문에 길이의 단축과 시간의 지연 같은 일이 벌어지는 것이다. - P408
광속에 가까운 속력으로 여행을 하면 당신은 나이를 거의 먹지 않지만, 당신의 친구나 친척들은 여전히 늙어 간다. 당신이 상대론적인 여행에서 돌아왔을 때, 친구들은 몇 십 년씩 늙어 있겠지만, 당신은 전혀 늙지 않았을 것이다. 그러므로 빛의 속도로 여행한다는 것은 일종의 불로장수의 영약을 먹는 것과 마찬가지라고 할 수 있다. - P408
특수 상대성 이론에 따르면 빛의 속도에 가깝게 움직일 때 시간의 흐름이 지연된다. 그 까닭에 우주여행을 하는 사람은 늙지 않으면서 다른 별로 갈 수 있게 될 것이다. - P408
오리온과 다이달로스는 광속의 10분의 1의 속력으로 여행할 수 있도록 설계된 것이다. 그러면 4.3광년 떨어진 켄타우루스자리 알파별까지 가는 데 인간의 일생보다 짧은 43년이 걸릴 것이다. 이 정도 속도의 우주선으로는 특수 상대성 이론의 시간 지연 효과를 크게 기대할 수 없다. - P411
오리온과 다이달로스는 다세대multigeneration 우주선으로 쓰이게 될 것이다. 다른 별의 행성에 실제로 도착하게 되는 이 우주선의 주인은, 몇 세기 전에 우주여행을 시작한 사람들의 먼 후손이라는 이야기이다. 그리고 인간이 안전하게 동면할 수 있는 방안이 마련돼야 할 것이다. 우주여행자들을 얼렸다가 여러 세기가 지난 후에 다시 녹여서 깨울 수 있도록 말이다. 이런 비상대론적 우주선은 엄청나게 많은 비용이 들 것 같으나 광속에 버금가는 속도의 상대론적 우주선보다는 설계·제작·활용의 측면에서 볼 때 비교적 쉬워 보인다. - P412
로버트 버사드 Robert W. Bussard가 제시한 성간 램제트 ramjet 엔진 ㅡ 이 엔진은 우주 공간에 있는 수소 원자를 포함한 성간 물질들을 핵융합 엔진으로 흡입한 다음, 이것을 뒤쪽으로 분사하여 추진력을 얻는다. 이 경우 수소는 연료와 반응 물질의 역할을 동시에 하게 된다. - P412
우주 공간에 널린 게 수소라고는 하지만 밀도가 낮아지기 때문에 (대략 10세제곱센티미터의 부피에 수소 원자 하나가 겨우 들어 있을 정도이다.) 버사드의 램제트 엔진이 작동하려면, 엔진 앞쪽에 설치할 흡입 장치의 크기가 거의 수백 킬로미터는 돼야 할 것이다. - P412
우주선이 거의 빛의 속도에 가까워지면 우주선을 향해 접근하는 수소 원자들의 속도 또한 상대적으로 빛의 속도에 가깝게 될 것이고, 따라서 잘못하면 고속으로 가속되어 날아 들어오는 우주선 입자宇宙線 粒子, cosmic ray particles 때문에 우주선과 그 안에 타고 있는 승객이 모두 녹아 버릴 위험성도 있다. 물론 이런 위험을 극복하기 위한 방법 ㅡ 레이저를 이용하여 유입되는 원자들을 전리시켜 하전 입자로 변화시킨 후, 강한 자기장을 사용해서 입자들을 모두 흡입 장치로 빨아들이자는 아이디어 ㅡ 이 제시되기는 했지만, 이 역시 앞서와 마찬가지로 상당한 크기의 흡입구를 요구한다는 점에서 현실적이지 못하다. 우리의 목표는 실용적인 크기, 즉 어느정도 작은 엔진을 사용하여 광속에 접근하는 것이다. - P413
지구는 우리를 지구 중심으로 잡아당기고있다. 그래서 자유 낙하하는 물체는 1초에 초속 9.8미터씩 가속되면서 떨어진다. 우리를 지구 표면에 묶어 두는, 또는 중심으로 끌어당기는 이 힘을 우리는 중력이라고 부르고, 그 크기를 1g로 표시한다. 즉 사람은 지상에서 1g에 해당하는 힘을 받으면서 살고 있다. - P413
우주여행 중에서도 1g의 가속을 받는다면 우리는 우주선에서 아주 편안한 여행을 즐길 수 있을 것이다. 사실 지구에서의 중력과 가속 중인 우주선 안에서 느끼는 관성력이 같은 성격의 힘이라는 것은 아인슈타인이 제안한 일반 상대성 이론의 주요 개념이기도 하다. - P413
우주 공간에서 1년 정도 1g의 가속을 계속해서 받으면 광속에 가까운 속도에 도달한다. 구체적으로 계산을 해 보이면, (0.01km/sec^2)×(3×10^7sec)=3×10^5km/sec와 같다. 여기서 1년이 3000만 초, 1g의 크기가 9.8m/sec, 즉 0.01km/sec^2와 비슷하며, 광속이 초속 30만 킬로미터임을 기억하기 바란다. - P413
행성을 동반하고 있는 것으로 추정되는 바너드의 별 Barnard‘s Star 은 태양에서 약 6광년 떨어져 있다. 당신이 우주선을 타고 앞에서 이야기한 식으로 이 별을 향해 달린다면, 약 8년 후면 이 별에 도착할 수 있다. 여기서 8년은 우주선에 실린 시계로 잰 당신의 시간이지, 우주여행의 장도壯途에 오르는 당신에게 손을 흔들며 환송했던 사람들의 시간이 아니다. 이와 같은 방식으로 은하수 은하의 중심까지 가는 데에는 21년 걸리고 안드로메다 은하에는 28년이면 도착한다. 그렇지만 지구에 남아 있는 사람들에게는 우주여행객의 21년이 무려 3만 년에 해당하는 장구한 세월이다. 그러므로 당신이 우주여행을 마치고 돌아왔을 때, 당신을 마중 나온 환영 인파 중에서 환송의 손을 흔들던 사람은 단 한 명도 찾아볼 수 없을 것이다. - P416
소수점 여러 자리까지 광속에 가깝게 접근한다면, 이론상으로 단 56년이면 우주를 한바퀴 돌게 된다는 계산이 나온다. 다시 말하건대 여기서 56년은 우주선에서의 시간이다. 지구인의 시간으로는 수백억 년에 해당하는 시간이다. 사실 우주여행에서 돌아올 때쯤이면 지구 자체가 없어졌을 것이다. 지구는 이미 까맣게 타 버린 숯덩이로 변해 있을 것이며, 태양은 아주 오래전에 빛의 방출을 멈췄을 것이다. - P417
상대론적 우주여행은 고도로 앞선 문명에게는 우주 전역에 접근할 수 있는 실질적 방안을 마련해 줄 것이다. 그렇지만 어디까지나 우주선을 타고 움직이는 사람들에게만 실현 가능한 방안이다. 우주여행객이 제한된 시간 안에 이렇게 우주의 구석구석을 전부 돌아볼 수 있다손 치더라도, 아직도 문제는 남아 있다. 지구에 있는 가족에게 그 어떤 정보도 광속 이상의 속력으로 보낼 수 없다는 문제 말이다. - P417
우리 인류가 멸망하지만 않는다면 언젠가는 별을 향해 광속 여행을 할수 있는 날이 반드시 올 것이다. 태양계 내부의 탐사가 끝나면 다른 외계 행성계에 대한 탐사도 이루어질 것이다. - P417
우주여행은 공간뿐 아니라 시간과도 밀접한 관계를 맺고 있다. 따지고 보면 우주여행은 시간과 공간을 가르는 여행이다. 우리는 미래속으로 빨리 여행함으로써 공간 속을 빨리 움직여 갈 수 있다. - P417
우리는 이 순간에도 미래를 향한 시간 여행을 하고 있다. 하루에 24시간씩 말이다. 상대론적 우주선을 이용하면 미래 속으로 빨리 여행할 수 있다. - P417
과거로의 시간 여행은 불가능하다고 믿는 물리학자들이 많다. 설사 과거로의 여행을 가능케 하는 어떤 장치를 마련한다손 치더라도, 이들의 주장에 따를 것 같으면, 과거의 그 무엇도 바꾸어 놓을 수 없다고 한다. 예를 들어 당신이 과거로 돌아가서 당신을 낳아준 부모의 결혼을 못하게 막았다면, 당신의 출생 자체가 부정되고 만다. 하지만 그 상황에서도 그 상황을 초래한 당신은 존재한다. 이것이야말로 모순이 아니고 무엇이겠는가. √2가 무리수라는 것을 증명할 때처럼, 또는 특수상대성 이론의 동시성 패러독스처럼 결론이 모순에 빠지게 된다면 그 전제는 버려야 마땅하다. - P418
어떤 물리학자들은 역사를 달리하는 두 갈래의 우주들이 서로 나란히 실재할 수 있다고 주장한다. 그 두 우주는 양쪽 모두 독립적으로 실재할 수 있는 우주이다. 하나는 당신이 아는 우주이고 다른 하나는 당신이 태어나지 않은 우주이다. 어쩌면 시간은 그 자체로서 수많은 잠재적 차원을 갖지만 우리는 그중에서 단 하나의 차원과 연관된 세상에서만 살아갈 운명인지 모른다. - P418
역사는 사회, 문화, 또는 경제 등의 매우 복잡한 동인動因 들이 쉽게 풀리지 않는 실타래같이 서로 얽히고설켜 이루는 결과 - P418
아주 사소한 조작이 역사의 큰 물줄기를 바꾸어 놓는 경우도 종종 있다. 먼 과거에 일어난 사건일수록 시간이란 지렛대의 길이가 더 길어지므로 역사에 남기는 영향은 그 만큼 더 커지게 마련이다. - P419
100만분의 1센티미터도 되지않고 어떻게 보면 아무것도 아닌 미물로 인해서도 인류사의 미래는 크게 바뀔 수 있는 것이다. - P419
남성이 한번 사정할 때 수억 개의 정자가 나오는데, 이중에서 오직 하나의 정자만이 다음 세대의 생식을 위해 선택된다. 그런데 바로 이 선택을 통해서 그 다음 세대의 육체적, 정신적인 특징들이 결정되는 것이다. 이렇게 볼 때, 2,500년 전의 아주 사소한 상황들이 조금만 다르게 전개됐더라면 우리는 현재 이 자리에 있지 않을 것이다. 또한 이런 생각에 기초한다면, 우리와 동시대를 사는 또 다른 다중 세계들이 무수히 존재할 수도 있을 것이라는 결론에 이르게 된다. - P421
우리 주변에는 태양계뿐이라고 단순하게 생각할 수도 있다. 그러나 조금 다르게 생각해 볼 필요가 있다. 목성, 토성, 천왕성도 그 주위에 위성들을 거느리며 태양계와 비슷한 구조를 하고 있다는 점에 주목한다면, 실은 하나가 아니라 네 개의 행성계가 우리 주변에 있는 셈이다. 목성형 행성들이 거느린 위성들의 상대적 크기며 그들 사이의 상대 간격 등을 보면, 목성, 토성, 천왕성도 각각 하나의 축소판 태양계를 이룬다고 할 수 있다. - P422
질량이 뚜렷하게 서로 다른 별들로 구성된 쌍성계들의 다양한 자료를 통계적으로 분석해 보면. 우리의 태양같이 단독으로 존재하는 별들 주위에서 행성계가 형성될 가능성이 훨씬 높다는 결론에 이르게 된다. - P422
고유 운동固有運動, proper motion이 비교적 큰 별이 아주 멀리 떨어져 있는 별들을 배경으로 하여 천구 면에서 이동하는 경로를 수십여 년 동안 지속적으로 관측하면 그 별 주위에 행성이 돌고 있는지 판단할 수 있다. - P424
고유 운동이란 별이 1년 동안 천구상에서 움직인 각거리를 초(") 단위로 나타낸 것이다. - P424
가까운 별일수록 겉보기 운동이 크게 나타나므로, 고유 운동이 크다는 이야기는 우선 가깝다는 뜻이다. 그런데 별의 운동 방향이 관측자의 시선과 정확하게 일치한다면, 아무리 오랫동안 관측해도, 그런 별에서는 고유운동이 측정되지 않을 것이다. 그러므로 관측자의 시선 방향에 수직한 방향성분의 운동만이 고유 운동에 나타난다. - P424
고유 운동이 큰 어떤 별 주위로 목성 정도의 질량을 가진 행성이 우리 시선에 수직한 평면에서 궤도 운동을 한다고 머릿속에 그려 보자. 빛을 내지 않는 행성이 관측자의 시각視角에서 봤을 때 중심 별의 오른쪽에 있다면, 그 별은 중력의 작용으로 행성 쪽으로 약간 끌리게 될 것이다. 반대로 별의 왼쪽에 있다면, 중심 별은 마땅히 왼쪽 방향으로 중력을 받는다. 그러므로 그 별이 천구 면에 그리는 경로는 직선이 아니라, 자신이 거느린 행성으로부터 받는 중력 섭동 때문에 삼각함수 꼴의 구불구불한 곡선을 그리게 된다. - P424
비록 딸려 있는 행성이나 동반성을 직접 볼 수 없더라도, 어떤 별의 천구상 운동이 이와 같이 주기성의 곡선을 그린다면 우리는 그 별 주위에 보이지는 않지만 어떤 천체가 반드시 존재한다고 추론할 수 있다. 이와 같은 원리를 이용하여 연구할 수 있었던 최초의 별이 바로 바너드의 별이었다. 바너드의 별은 태양에서 가장 가까운 단독성이다. - P425
삼중성인 켄타우루스자리 알파별의 경우, 그들 사이에 일어나는 중력의 복잡한 상호 작용 때문에 그 주위에 상대적으로 작은 질량의 행성들을 찾는 데 적지 않은 어려움이 따르게 마련이었다. 사실 바너드의 별만 하더라도, 수십 년에 걸쳐서 수집된 사진 건판에서 현미경으로나 알아볼 수 있을 정도의 아주 미세한 위치 변화를 측정하여, 겨우 발견한 것이었다. - P425
케플러의 세 번째 법칙을 이용하면 목성 정도의 질량을 가진 행성이 바너드의 별 주위에 둘 또는 그 이상 돌고 있을 것이라는 잠정적 결론에 도달할 수 있었다. 그들과 중심 별과의 거리는 태양과 목성이나 토성 사이의 거리보다 약간 짧은 것으로 나왔다. - P425
최신 측정에 따르면 바너드의 별이 동반하는 천체의 질량은 지구의 3배 이상인 것으로 판명됐다. 따라서 지구형 행성일 가능성이 높다. - P425
별 주위에서 행성을 찾아낼 수 있는 방법이 여러 가지 개발되고 있다. 그중의 하나가 인위적으로 식蝕을 일으키는 것이다. 우주 망원경 앞에 차폐 원반을 설치하여 중심 별에서 오는 빛을 살짝 가리면 행성 표면에서 반사된 중심 별의 빛을 알아볼 수 있다. - P425
차폐 원반으로 중심 별을 가리기 전에도 반사된 빛이 우리에게 도달했음에는 틀림이 없으나 중심 별의 광채가 워낙 휘황하기 때문에 그 속에 완전히 파묻혀 따로 식별할 수가 없었던 것이다. 달의 어두운 면의 경계를 이용하면 차폐 원반의 효과를 거둘 수 있다. - P426
2006년 겨울 현재까지 외계에서 발견된 행성체들의 개수는 170여 개에 이른다. - P426
최근에는 적외선 관측을 통하여 가까운 별들 주변에서 원반 모양의 가스와 티끌의 구름을 찾아내기도 했다. 이러한 원반형 구름은 행성이 만들어지기 직전의 상태를 나타내는 것이라고 생각된다. - P426
이론적 측면에서 행성계의 형성은 은하수 은하에서 흔히 볼 수 있는 현상이라는 의견이 제기됐다. 컴퓨터를 이용한 일련의 수치 모의실험에서 우리는 가스와 티끌로 구성된 고밀도의 회전 성간운이 별과 행성으로 진화하는 모습을 엿볼 수 있었다. - P426
거의 구에 가까운 모양으로 시작한 회전 성간운이 회전 원반으로 그 형태가 변해 가면서 원반 중앙에 원시 별이 만들어지고, 그 주위 원반에서 행성들이 자라 가는 모습 - P426
먼저 작은 질량의 물질 덩어리들을 회전 원반에 불규칙하게 집어넣고 그들이 성장해 가는 과정을 자세히 살핀다. 원반에서 만들어진 미행성微行星, planetesimal을 나타내는 이 덩어리들은 회전 원반 안에서 궤도 운동을 하면서 주위에 있던 기체물질과 고체 티끌을 휩쓸어 자신의 크기와 질량을 점점 키워 간다. 적정 수준 이상의 질량을 갖게 되면 중력의 작용으로 주위의 기체, 주로 수소 기체를 끌어 모음으로써 성장의 속도를 더한다. - P427
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