나는 오랜 시간을 과학과 친해지고 싶어서 노력해 왔고 그중에 물리학에서 아인슈타인의 유명한 방정식인 E=mc^2를 이해하지 못했다. 내가 이해가 가지 않는 부분은 에너지-질량 등가원리라고 해서 좌변이 에너지(E)인 건 이해가 간다.
그런데 우변에는 질량(m) 말고도 제곱한 광속(c)이 있는데 그렇다면 에너지-질량 등가원리가 아니라 '에너지-질량 ×광속^2 원리'라고 불러야 하는 게 아닌가라는 고민이 수년 동안에 내 궁금증으로 자리 잡았었다.
근데 이제 와서 알고 보니 우변의 광속(c)은 원래 초속 30만 킬로미터의 속도를 가졌지만 인간인 우리가 물리학을 편리하게 다루도록 물리 상수인 광속(c)을 자연단위계라는 기준을 통해서 c=1로 설정한 것이다.여기서 광속은 진공 속에서의 빛의 속도를 말한다.
광속이 제곱이라고 하더라도 1의 제곱은 1이기에 에너지(E)=질량(m) ×1^2가 되어서 에너지(E)=질량(m)이니까 에너지-질량 등가원리였던 것이다.
그래서 에너지는 곧 질량인 셈이다. 속이 다 후련하다. 마지막으로 궁금한 건 광속이 1이지만 엄연히 1도 숫자고 존재하기에 '×1^2'을 공식에서 뺄 수 없다는 건 이해가 간다.우변에 질량에 광속 제곱을 붙이는 이유는 에너지와 질량이 서로 상호작용함을 알리기 위해서 붙였다.
그렇지만 광속을 제곱한 이유는 책을 뒤져도 인터넷을 뒤져도 나오지가 않아서 광속이 제곱인 이유를 알고 싶다.
+ 2024.01.11 추가1 : E=mc^2에서 광속만 제곱한 이유는 설명하기 어렵지만 p의 반변벡터와 p의 공변벡터를 이용해서 식을 전개하다가 보면 E^2 = (벡터) p^2 * c^2 + m^2 * c^4이라는 식이 나오는 데에 4차원 에너지라고 하는 게 (운동량 벡터) p^2 * c^2를 보면 만약에 운동량이 0, 즉 정지한 경우에는 에너지가 에너지 E^2=m^2 * c^4이고 이것을 변환시키면 E=mc^2이 된다고 한다.
+ 추가1 : 시사상식사전의 <특수상대성 이론>에 따르면 질량과 에너지가 같으므로 따라서 두 물리량은 언제든지 상호 변환할 수 있다고 한다. 방사성 물질이 핵분열을 하거나 수소가 핵융합을 한 후에 질량은 반응 전의 질량에 비해 적다. 이 질량결손분이(결손 질량에다 빛의 속도의 제곱한 양)이라는 공식에 따라 엄청난 에너지로 만들어진다.
에스팀 아카데미에서 만났던 동생 준형이가 준 선물.