박홍균의 원리한자 / 포켓속의 미국 / 상대성이론

상대성이론

3-5. 특수상대성이론을 최초로 확인시켜준 뮤온

지금은 빠르게 움직이는 물체의 시간이 느리게 간다는 사실을 실험으로 증명할 수 있지만, 100여 년 전 아인슈타인이 상대성이론을 발표할 때만 하더라도 불가능했단다. 빛의 속도에 가깝게 달리는 물체를 관찰할 만한 기술이 없었기 때문이지. 그러던 중 우연히 시간 지연 현상을 발견한 경우가 있었단다.

우주에서 발생한 수많은 전자기파들이 지구로 오는 경우가 많단다. 이러한 전자기파를 우주선(宇宙線, cosmic ray)이라고 한단다. 우주 여행을 하기 위해 타는 우주선(宇宙船, spaceship)과 혼동하지 마라. 1930년대부터 과학자들은 실험장비를 실은 기구(氣球)를 하늘 높이 띄워서 우주선을 연구하기 시작했단다.

[그림] 미국 항공 우주국(NASA)에서 만든 우주선 연구용 기구(氣球)

우주선은 대부분 지상 60Km의 대기권 상층부에 진입하면서 공기 분자와 부딪히면 뮤온이라는 입자가 생성된단다.(대기권 상층부의 위치가, 칼로 자르듯이 정확하게 지상 60km 지점은 아니란다. 뮤온이 생성되는 지점은 이보다 낮을 수도 높을 수도 있단다. 하지만 이야기 편의상 60km라고 하자.) 이러한 뮤온은 수명이 100만 분의 2초에 불과하단다. 따라서 뮤온이 빛의 속도로 날아가더라도 0.6 km(=30만km X 2/100만) 정도를 갈 수 있지.

그런데 우주선을 연구하던 과학자들은 이상한 현상을 보게 되었단다. 즉 이런 뮤온이 지상까지 내려온다는 것이지. 상식적으로 생각해도 지상 60km에서 생성되어 겨우 0.6km를 갈 수 있는 뮤온이 지상까지 온다는 것은 불가능하지. 만약 뮤온이 지구에 도달하려면 수명이 100배(1만 분의 2초)는 되어야 60km를 갈 수 있기 때문이지.

하지만 아인슈타인의 상대성이론에 따르면 빠르게 이동하는 물체에서의 시간은 느리게 가지. 따라서 뮤온이 빛의 속도에 가깝게 달려, 뮤온에서의 시간이 100배가 느리게 간다면 지구에 도달할 수 있겠지. 즉 정지한 뮤온의 수명은 100만 분의 2초에 불과하지만 광속에 가까운 속도로 달리는 뮤온의 수명은 100배도 늘어날 수 있다는 이야기지. 뮤온을 관찰했던 과학자들은, 이 불가능한 현상을 설명하기 위해 결국 뮤온의 시간이 느리게 간다는 것을 인정할 수 밖에 없었단다.

이후 뮤온은 아인슈타인의 상대성이론에서 시간 지연을 최초로 확인시켜준 입자라는 영광을 얻게 되었단다.

1930년대부터 1960년대까지는 우주선에서 새로운 입자를 찾아냈지만, 1960년대 중반부터는 입자가속기를 만들어 인위적으로 입자들을 만들기 시작했단다.

아인슈타인의 상대성이론에 발을 들여 놓았으니 입자가속기에 대해서도 조그마한 상식을 가져야 할 것 같구나. 왜냐하면 입자가속기는 아인슈타인의 상대성이론이 실제로 적용되고, 또한 그 결과를 눈으로 볼 수 있는 곳이기 때문이지.

입자가속기는 입자(전자, 양성자, 중성자 등)를 광속에 가까운 속도로 가속시킨 후 다른 입자나 원자와 충돌을 시키는 장치란다. 이러한 충돌 과정에서 두 입자가 합쳐져 새로운 원자나 입자가 만들어지기도 하고, 원자가 여러 개로 쪼개져 새로운 원자나 입자가 만들어지기도 하지. 한국에서는 서울대, 포항공대, 원자력 병원 등에 설치되어 있지.

현재 세계에서 가장 크고 유명한 입자가속기는 스위스 제네바에 있는 유럽입자물리연구소(영어 약자인 CERN로 더 잘 알려져 있지)에 있단다. 이곳에 있는 입자가속기는 길이가 27km로 지하 터널에 링(ring)형태로 만들어져 있단다.

[사진] 스위스 제네바에 프랑스에 걸쳐 있는 CERN. 길이 27km 의 터널링 입자 가속기를 하늘에서 본 모습.(실제 입자 가속기는 지하에 있고 사진에는 궤적을 표시한 것이란다)

[사진] CERN의 입자가속기 설치 모습

아마도 네가, 톰 행크스가 주연한 영화 《다빈치 코드》의 2편인 《천사와 악마》를 보았다면 CERN을 보았을 거야. 이 영화는 CERN에서 탈취한 반(反)물질을 이용해 바티칸을 폭파시키려는 비밀결사조직의 음모를 다루었지.

[사진] 영화 《천사와 악마》에 나오는 톰 행크스와 여자주연배우, 감독이 CERN에서 기념 촬영하는 모습.

재미있는 사실은, 우리가 날마다 사용하는 인터넷의 월드와이드웹(World Wide Web, www)도 1989년 CERN에서 만들었단다. 원래 월드와이드웹은 연구원들끼리 연구 결과들을 쉽게 공유하기 위해 만든 것이지만 지금은 인터넷 상에서 모든 정보를 공유하는 도구가 되었단다.

1976년 CERN에서는 입자 가속기 내에서 입자를 충돌시켜 뮤온을 인공적으로 생성시키는 실험을 하였단다. 뮤온이 생성될 때 뮤온이 가속기 내에서 광속의 99.94%로 빠르게 움직이도록 하였는데, 그 결과 뮤온의 수명은 30배가 늘어났단다.

앞장에 나왔던 아인슈타인의 시간 지연에 대한 공식에 속도 v를 광속의 99.94%(0.9994c)를 대입해보면 28.9가 나오지. 실험실의 오차를 고려하면 거의 맞다고 할 수 있지.

CERN에서는 뮤온의 여러 가지 속도에서 실험을 하면서 뮤온의 수명과 비교해봤는데, 상대성이론에서 계산한 결과와 정확하게 일치하였단다.

움직이는 물체에서는 시간이 느리게 간다는 특수상대성이론에 대해서 이외에도 많은 실험이 있었는데, 가장 재미있는 실험은 1971년 10월 미국의 물리학자와 헤이펠과 키팅은 세슘 원자에서 나오는 전자기파의 진동수(1초에 92억 번 진동)로 시간을 측정하는 원자 시계를 비행기에 싣고 지구를 몇 바퀴 돌아 시간이 정말로 느리게 가는지 확인하였단다. 당시로는 10% 정도의 오차 있었지만, 시간이 느리게 간다는 것을 직접 확인하였단다.

이후 몇 차례의 실험이 더 있었는데, 가장 최근의 실험으로는 2010년 6월 영국 국립물리연구소(NPL)에서 런던-LA- 오클랜드-홍콩-런던을 경유하면서 실험을 하였단다. 상대성원리로 예측된 값은 246ns였던 반면, 실제 측정치는 230ns였단다. (ns는 nano-second의 약자로, 10억 분의 1초.)

[그림] 2010년 6월 영국 국립물리연구소(NPL)의 실험팀과 실험에 사용되었던 원자 시계

이희태
(imee0311)

뮤온은 200만분의 1초 아닌가요?
(2015-02-13 오후 5:51:33)