에과13: 상대성 이론의 등장

에피소드 과학철학

열세째 주: 상대성 이론

진공관 발명: 2극 진공관

공기중에서는 웬만한 고전압이 걸리지 않고는 음극에서

전자가 튀어나와 양극으로 가지 못한다. 그러나 진공유리관 안에 두 전극을 만들어 전압을 가하고 음극을 가열해주면 음극에서 전자가 튀어나와 양극으로 이동하면서 전류가

흐른다. 이러한 진공관에 교류 전압을 걸어주면 교류 전류가 흐르는 대신 한쪽으로만 전류가 흐르게 하는 정류작용을

한다. 이것을 2극 진공관 (diode)이라 부른다.

진공관 발명: 3극 진공관

여기에 그리드라는 것을 진공관 내 두 극 사이에 장치하여 전류의 흐름을 제어하게 하면 3극진공관이 된다. 3극

진공관은 약한 전류를 더 강하게 해주는 증폭작용,

동조회로와 더불어 직류를 교류로 만들어주는 발진작용, 변조된 전파 속에서 신호파를 검출하는 검파작용 등을 한다.

진공관에서 반도체로

진공관은 1950년대 말까지 라디오나 무선통신같은 기기의 기본부품이었다. 그러나 유리관으로 만들어져 크기가 크고 전력을 많이 소모하며 고장이 잘 나, 반도체가 발명된

후에는 그 역할을 반도체에게 넘기게 되었다.

반도체는 말 그대로 도체와 절연체의 중간 성질을 지닌 것으로서, 도체보다는 전류가 흐르기 어렵고 절연체보다는 전류가 흐르기 쉬운 물질이다.

반도체: 실리콘

반도체는 최외각 전자가 4개인 원자들이 안정적으로

결합되어 있는 게르마늄이나 실리콘을 사용한다. 최근에는 보다 흔한 실리콘이 주로 이용된다. 실리콘 원자들로만

결합을 시키면 (단결정을 만들면) 모두 최외각 전자가 4개씩이라 매우 안정적인 상태가 된다. 자유전자가 없으므로 전압을 걸어주어도 전류가 흐르지 않는다.

반도체: n형 반도체

단결정 실리콘에 최외각 전자가 5개인 안티몬(Sb)이나 비소 (As), 또는 인 (p)을 소량 넣어주면 최외각 전자가 4개인

실리콘에 최외각 전자가 5개인 원자의 결합으로 전자 1개가 남아돌게 되어 자유전자 역할을 한다. 이것을 N(negative)형 반도체라 한다.

반도체: p형 반도체

단결정 실리콘에 최외각 전자가 3개인 인륨(In)이나 갈륨 (Ga), 또는 알루미늄(Al)을 소량 넣으면 실리콘의 전자 하나가 짝을 못 이루고 빈 자리(hole)가 남아 전류를

흘려주는 역할을 한다. 이것을 P(positive)형 반도체라 한다.

반도체: 다이오드와 트랜지스터

왼쪽처럼 결합(PN접합) 하면 다이오드고, 3개가 접합하여 PNP 또는 NPN 접합을 하면 3극진공관의 역할을 하게 되며, 이를 트랜지스터라고 부른다.

반도체: 활용

트랜지스터는 진공관보다 작고 가벼우며, 고장이 덜 나고 전기를 덜 소모하는 장점이 있다. 요즘에는 집적회로

(IC회로), 대규모집적회로(LSI), 초대규모 집적회로 (VLSI) 라고 해서 작은 기판 안에 많은 회로를 집적해서 만들고 있다. 그리고 집적하는 기술이 하루가 다르게 변해 엄청난 정보를 담을 수 있는 소자가 새롭게 개발되고 있다. 그래서 컴퓨터를 비롯하여 반도체를 사용하여 만드는 전자기기들은 더욱 더 작아지고, 수행기능은 더 빨라지고, 더 적은 전력을 소모하는 추세에 있다.

상대성 이론: 빛의 매질로서의 에테르

파동이 전달되기 위해서는 보통 물질이 필요하며, 이것을 매질이라고 부른다. 예를 들어 우리에게 익숙한 소리(음파) 는 공기를 통하여 전달되며, 따라서 음파의 매질은 공기임을 알 수 있다. 빛의 경우에는 호이겐스가 “빛은 에테르를

매질로 하여 이동하는 파동이다”라고 주장한 이래 사람들은 이것을사실로 믿었다. 따라서 우주에 빛의 매질인 에테르가 가득 차 있을 것이라는 생각은 자연스러웠다.

상대성 이론: 빛의 매질로서의 에테르

더구나 헤르츠에 의해 전자기파의 존재가 실증된 후 빛은 에테르를 매질로 이동하는 전자기파라고 생각하게 되었다.

또 횡파로만 전파되고 1초에 30만 km를 가는 빠른 속력을 가진 빛을 설명하기 위해서는 에테르는 매우 큰 밀도를 가져야 한다고 생각하였다. 사람들이 이렇게 밀도가 큰 물질인 에테르를 느낄 수 없는 이유에 대해서 19세기 과학자들은 에테르가 물질을 빠져나가는 성질을 가지고 있기 때문이라고 설명하였다.

상대성 이론: 에테르: 정지 또는 이동?

19세기 말 과학자들은 지구가 에테르에 대해 정지해 있는가 움직이고 있는가에 대해 깊은 의문을 가졌다. 광행차*가

지구에서 관측되기 때문에 과학자들은 지구가 에테르에

상대적으로 정지해 있을 가능성을 배제했다. 따라서 지구는 정지해 있는 에테르 속에서 움직이고 있을 것이라는 결론을 내렸고, 이것을 확인하고자 하는 시도가 시작되었다.

*광행차란 수직으로 떨어지는 빗방울이 움직이는

사람에게는 기울어져 떨어지는 듯 보이는 것처럼 공전하는 지구에 도달하는 별빛이 기울어져 보이는 현상이다.

상대성 이론: 마이클슨-몰리 실험

1887년 미국 물리학자 마이켈슨(Albert Abraham Michelson, 1852 -193 1)과 몰리(Edward Williarns Morley, 1838-1923) 는 에테르 속에서 진행하는 빛의 상대적 운동을 실험으로 관측하려고 하였다. 같은 광원에서 나오는 광선을 직각으로 둘로 나누어 하나는 지구의 자전 방향으로 , 다른 경로의

빛은 이에 수직으로같은 거리만큼 왕복 이동시킨 후 두

광선을 다시 만나게 하여 간섭현상을 관찰하고자 한 것이다.

상대성 이론: 마이클슨-몰리 실험 (계속)

상대성 이론: 로렌쯔-피츠제럴드 수축

그러나 실험 결과는 예상과 달리 아무런 간섭무늬의 이동도 보여주지 않았다. 결과적으로 에테르에 대한 빛의 상대적인 운동은 관측되지 않았고, 빛의 속도는 관찰자가 어떤

상태에서 관측하든지 항상 일정한 것처럼 보였다.

상대성 이론: 로렌쯔-피츠제럴드 수축

피츠제럴드(G. F. Fitzgerald, 1851-1901)는 1892년 에테르 속에서 빛의 속도가 항상 일정함을 설명하기 위해 지구와 같은 운동방향으로 움직이는 물체는 그 방향의 길이가 수축된다는 학설을 제시한다.

상대성 이론: 로렌쯔-피츠제럴드 수축

이어 1895년 로렌츠(H. A. 1ρrentz , 1853 - 1928)도

마이켈슨과 몰리의 실험결과를 설명하기 위한 시도를 한다.

그는 전자기력으로 묶여 있는 대전된 입자들이 운동을 할 경우 서로 미치는 힘들이 변하여 수축이 가능하다고 보았다.

이 이론을 운동하고 있는 물체에 적용시켜, 물체를 이루는 분자들간의 인력과 반발력도 전자기력처럼 물체에 가해지는 운동에 의해 다소 수정되고, 이것을 원인으로 길이의 변화가 가능하다고 생각한 것이다. 이러한 길이의 변화를 ‘로렌츠 - 피츠제럴드 수축(Lorentz-Fizgerald contraction)’ 이라 한다.

상대성 이론!

1905년 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)은 드디어 빛의 매질로서 에테르의 존재를 부정하고, 관찰자가

어디에서 측정하든지 빛의 속력이 일정하다는 기본 원리를 포함한 특수 상대성이론을 발표한다. 특수 상대성이론의

● 제 1 원리는 서로 등속운동하는 좌표계(관성계)에서 물리 법칙은 동일하게 적용된다는 것이고,

● 제 2원리는 모든 관성계에서 빛의 속도는 항상 일정하다는 것이다.

상대성 이론: 고전역학과의 차이

아인슈타인의 이론은 마이켈슨과 몰리의 실험은 물론 로렌츠의 이론까지도 모두 설명할 수 있었을 뿐 아니라 뉴턴역학의 기본가정인 절대 공간과 절대 시간의 개념을 바꿔버렸다. 뉴턴에 의하면 공간과 시간은 절대적

물리량이다. 절대적으로 정지해 있는 우주 속에 누구에게나 똑같이 흘러가고, 어디에서 측정하든지 동시성(同時性)을 원칙적으로 판정할 수 있었다.

상대성 이론: 고전역학과의 차이

그러나 이러한 생각은 아인슈타인의 특수상대성이론에 의해 완전히 바뀐다. 우주에는 상대적인 운동만 존재할 뿐만

아니라, 어디에서 측정하느냐에 따라 동시(同時)이기도 하고 아니기도 하였다. 또한 시간과 길이, 질량 등이 변하는

물리량이 되었다.

상대성 이론: 등가원리

그는 1915년 등속운동하는 좌표계 에서만 성립하는 특수상대성이론을 가속운동하는 좌표계까지 확장하여

일반상대성이론으로 발표하였다. 일반상대성이론의 기본은 중력에 대한 이론이며, 중력과 관성력이 같다는 의미로

‘등가원리’라 한다. 즉 우주공간에서 위 방향으로

중력가속도와 같은 크기의 가속도로 운동하는 방이 있고 그 안에 사람이 있다면, 그 사람은 지구 표면에서와 마찬가지로 걸어다니고 방바닥에서 있을 수가 있고, 그 차이를 느낄 수 없다는 것이다.

상대성이론:증거 1:개기일식&중력효과

아인슈타인은 일반상대성이론의 실험적 증거로서 중력장 속을 통과하는 빛이 중력의 영향으로 굴절하리라

예측했는데, 이는 1919년 천문학자 에딩턴(Arthur.

Eddington, 1882~1944) 에 의해 관측되었다. 에팅턴은

아프리카로 찾아가 개기일식 때 태양광선의 세기가 약해진 틈을 타 별빛이 태양 근처를 지나는 경로를 관찰하고, 다시 같은 별빛이 태양의 영향을 받지 않고 오는 경로를 측정해 그 차이를 관찰하였다. 일반상대성이론이 옳다면 중력

효과로 인해 그 경로에 차이가 보여야 한다.

상대성이론:증거 2:수성의 근일점

또한 당시까지 수성의 근일점 이동을 설명할 수 없는 것이 과학자들의 오랜 숙제였다. 수성의 타원궤도는 닫히지 않아 근일점이 1백년마다 43초씩 이동하고 있었고, 과학자들은 그 이유를 수성과 태양 사이에 발견되지 않은 행성 (Vulkan) 이 있기 때문이라고 생각하고 있었다. 이에 대해

일반상대성이론은 다른 천체를 가정하지 않고도 행성

자체의 중력효과로 인한 세차운동으로 근일점이 이동하는 현상을 설명할 수 있었다.

무선통신: 맥스웰과 헤르쯔

1864년 맥스웰이 전자기파의 존재를 이론적으로 밝혔고, 헤르츠는 1888년 실험실에서 전자기파를 발생시켰다. 이후 마르코니(Guglielmo Marconi, 1874-1937)는 헤르츠가

발생한 전자기파를 무선통신에 이용할 생각을 했다.

무선통신: 시대적 배경

19세기말에는 바야흐로 통신의 혁명이 일어나고 있었다.

당시 영국을 위시한 제국주의 열강들은 세계로 세력을 확장시키고 있었다. 따라서 이들에게 꼭 필요한 것은 통신이었다. 1866년 대서양에는 해저전선이 부설되어 유선이기는 하나 대륙간 통신이 가능해진 상태였다.

그런데 문제는 선을 설치하는데 많은 돈이 든다는 것과 여 객선, 군함, 무역선 등과는 통신을 할 수가 없다는

것이었다. 만일 선이 없어도 멀리 떨어진 사람들끼리 통화가 가능해진다면 또 다른 통신세계가 열릴 것이었다.

무선통신: 마르코니의 행운

마르코니가 1897년 23살에 무선전신사란 회사를 차리고 무선통신사업을 시작했을 때, 자신들의 사업 에 대 한

심각한 도전 이라고 생각했던 해저전신사업계로부터 많은 저항을 받았다고 한다. 그런데 마르코니에게는 행운 이

따랐다. 도버 해협을 사이 에 둔 영국과 프랑스의 교신에 성공한 마르코니가 1901 년 대서양횡단 무선통신에 성공한 것이다.

무선통신: 마르코니의 행운 (계속)

당시의 이론으로는 대서양을 사이에 둔 영국과 캐나다 사이의 직접적인 무선통신은 어렵다고 알려져 있었다.

왜냐하면 지구는 둥글기 때문이다. 또 파장이 긴 전자기파가 멀리 가지만, 당시 과학자들은 대서양만큼 떨어진 거리에서 무선통신은 가능하지 않다고 생각했다. 나중에 밝혀졌지만, 마르코니가 성공했던 이유는 지구 밖 대기층에 전파를

반사시키는 전리층이 있기 때문이었다. 또 하나의 행운은 1906년 3극진공관이 발명되어 신호의 증폭이 가능해진 것이었다.

무선통신: 타이타닉

어쨌든 마르코니의 사업적 안목과 당시 과학의 적당한

뒷받침 덕에 통신은 새로운 단계에 들어섰고, 사람들은 많은 도움을 받았다. 1912년 빙산과 충돌해 수많은 생명을

앗아갔던 타이타닉호의 침몰 사건에서 무선전신에 의한 구조요청으로 700 여명이 목숨을 구한 일은 무선통신의 가치를 증명한 사건이 되었다.

라디오: 무선전화기와 진공관

마르코니의 무선통신에 앞서 이미 미국에서는 벨에 의해 전화가 발명되어 사용되고 있었고, 이것을 발전시켜

스터블필드나 페센덴 등이 무선전화기를 개발하기 위해 애쓰고 있었다. 이들은 전파를 통해 모스 부호를 송 ·

수신하는 대신에, 인간의 음성과 음악을 전달할 수 있는 송수신기를 연구하였다.

또한 플레밍이 발명한 진공관을 포리스트가 발전시켜 1906년 3극 진공관(audion)을 만들어냈다. 3극 진공관은 고주파공학의 기초로서 증폭과 재생이 가능한 획기적 부품이었다.

라디오: 전화기를 통한 방송

1912년에 타이타닉호 사건으로 인해 일반인들도

무선통신에 대해 알기 시작하였다. 초기 라디오 방송은

무선전신에서 약간 변형된 것으로, 음악과 간단한 메시지를 들을 수 있었다.

마르코니가 무선전신기 를 들고 세상에 나타나기

전이었던 1894년, 런던에는 전화선을 통해 연극, 음악회, 설교 등을 가입자에게 제공해주는 서비스가 있었다. 비록 유선이었지만, 영국 왕실에도 설치되었고, 가입자가 수백 명에 이르렀다. 넓은 지역의 불특정 다수를 대상으로 하는

‘방송(broadcasting)’ 에 대한 개념은 이때부터 싹텄을 것이라고 생각된다.

라디오: 전쟁과 방송

1914년 제 1차 세계대전이 시작되면서 전쟁은

무선전신사업을 급부상시켰으며, 아메리칸 마르코니, 제너럴 일렉트릭, 웨스팅하우스 등의 회사들이 맹활약을 하게 하였다. 특히 이때 라디오는 뉴스 속보 뿐만이 아니라 선전을 위해 사용되었다. 이 시기에 세계에서 처음으로

방송전파가 발사되었는데, 1920년 1월 미국 해군에서 있었던 군악대 연주방송이었다

라디오: 웨스팅하우스의 KDKA

그리고 같은 해 11 월 웨스팅하우스의 KDKA국이 개국하여 대통령 선거에 대한 속보를 방송한 것이 정규 라디오 방송의 시초가 되었다. 또한 FM방송은 미국의 암스트롱이 깨끗한 음질의 방송을 내걸고 1941년 시작한 것이 처음이다.

그러나 미국이 2차 세계대전에 참여함으로써 잠시 주춤하였다.

라디오: 경성방송국

우리나라에서는 1927년 경성방송국이 개국함으로써 첫 라디오 방송이 시작되었다. 라디오는 트랜지스터의 개발로 새로운 전기를 맞게 된다. 커다란 진공관이 사라지게

됨으로써 이전과 달리 크기가 매우 작아졌고, 소형 배터리만 있으면 어디든지 가지고 다닐 수 있게 된 것이다.