시간과 파동 그리고 입자

공간이란무엇인가?대부분의사람들은공간이아무것도없는곳,다시말해우주안의천체를둘러싸는빈곳으로생각한다.그러나실질적으로공간은우주안에있는모든것이존재하고모든것이움직이는구조이다.예를들어과일조각이박힌젤리를상상해보자.과일조각은우주의모든천체들은상징하고,젤라틴은공간을나타낸다.공간은'무'가아니다.오히려이것은모든것을둘러싸고,모든것을지탱하고,모든것을포함하는것이다.공간은세개의차원을갖는다.길이,넓이그리고높이다.그러나공간은구부러질수있어각각의차원은직선이아닐수도있다.시간이란무엇인가?시간은1차원이다.우주안에있는것들이움직이고차지하는방향이다.공간의물체들이위아래,앞뒤혹은양옆으로움직일수있듯이,물체들은시간에따라이동할수있다.그러나3차원공간과는다르게,시간에대해각기다른물체들은한방향으로이동한다.수학적으로물질과은하,별,행성그리고사람들은시간에대해앞으로만이동이가능하다.반면에반물질로구성된물질은시간에대해뒤로만이동할수있다.그리고에너지의입자인광자,즉질량이없는시간에대해이동하지않는다.시공간이란무엇인가?고무나스판덱스처럼유연하고잘늘어나는소재의커다란시트가있다고상상해보자.이시트는2차원표면과같다.이시트표면은어떤물체를올려놓느냐에따라서구부러지거나휠수도있고,홈이생기거나눌릴수도있다.시공간은이것이4차원에의해수학적으로연관지을수있따는점을제외하고,고무시트처럼유연하고구부러질수있는것이라고생각하면된다.공간과시간의관계를처음으로설명한사람은누구인가?알베르트아인슈타인은마이컬슨과몰리의실험결과를설명하기위해서는공간에서의이동과시간에서의이동이어떤연관을가져야할것이라고처음으로이해했다.1905년에발표된그의특수상대성이론은물체가공간을따라빨리이동할수록,시간에대해서는천천히이동한다고했다.아인슈타인은시간과공간이아주밀접한관계를가지고있으며이러한관계는우주의모든형태와구조를설명하는데아주중요하다고생각했다.그는수학전문가는아니지만그런관계가어떻게형성될수있는지를설명했다.아인슈타인은친구들과동료들의조언을받으며자신의연구를진행시킬최적의방법을찾아냈다.아인슈타인은독일의수학자게오르크리만과러시아태생의독일수학자인헤르만민코프스키그리고헝가리태생의스위스수학자마르셀그로스만의도움으로비유클리드타윈기하학과텐서의수학체계를배웠다.1914년에아인슈타인과그로스만은일반상대성이론과중력에대한최초의논문을발표했고이후아인슈타인은수년에걸쳐이론을완성했다.아인슈타인의일반상대성이론이란무엇인가?일반상대성이론의요점은공간과시간이시공간이라불리는4차원공간을구성하고,시공간은질량에의해구부러질수있다는것이다.질량이큰물체는시공간을물체쪽으로움푹들어가게한다.이것은볼링공을트램펄린위에올려놓았을때트램펄린의표면이움푹들어가는것에비유할수있다.우주의4차원시공간에서는,덜무거운물체가더무거운물체에다가가면,덜무거운물체는구부러진공간을따라더무거운물체를향해끌어당겨진다.이것은볼링공을올려놓은트램펄린위에서작은구설을굴리는것에비유할수있다.만약구슬이볼링공옆을지나트램펄린의흔들리는부분에들어가면,구슬은볼링공쪽으로쏠리게된다.일반상대성이론에의하면,이것이중력이작용하는원리다.마인슈타인에의하면,뉴턴의만유인력의법칙은중력이어떻게작용하는지에대해서는거의완벽하게설명했지만,왜중력이작용하는지에대해서는완벽하지못하다.아인슈타인의특수상대성이론이란무엇인가?특수상대성이론에따르면,빛의속도는누가관측하든또는관측자가어떻게운동하든관계없이항상일정하다.이사실은빛의속도가우주에서어떤것보다빠르다는것을의미한다.나아가만약빛의속도가일정하다면,운동의다른성질이달라야한다는의미다.속도는거리를이동시간으로나눈값으로정의되므로,이것은어떤물체에경험하는거리와시간도물체가얼마나빠르게움직이느냐에따라변한다는의미다.공간에서더빠르게움직일수록시간에대해서는더느리게움직이게된다.마지막으로,질량은물체가운동에대해가지는저항의정도로생각할수있으므로,물체는정지상태보다움직일때더많은질량을가지고있다.물체가더빨리움직일수록질량도더커진다.물체가빛의속도에도달하게되면,이것은더이상물질이아니라에너지가된다.이관계가바로유명한공식인E=MC2이다.