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서울대, 한국과학기술원(KAIST), 포항공대 물리학과 학생들은 상대성이론을 얼마나 이해하고 있을까.

과학동아는 ‘상대성이론 100년을 말한다’특집에 맞춰 3개 이공계 명문 대학 물리학과 학부생들을 대상으로 상대성이론의 이해도에 대한 설문조사를 했다. 이 조사에는 모두 157명이 참가했다. 설문 문항은 과학문화진흥회 김제완 회장(서울대 명예교수)이 출제했다.

조사 결과 아인슈타인의 특수상대성이론에 대한 설문에서 응답자의 절반이 넘는 99명(63%)이 ‘어느 정도 이해한다’고 밝혔다. ‘완전히 이해한다’고 답한 학생도 20명(13%)이나 됐다. 이해한다고 답한 학생이 전체의 3/4을 넘은 것이다. ‘잘 모르겠다’고 답한 학생은 31명(20%), ‘전혀 모르겠다’고 답한 학생은 7명(4%)이었다.

그러나 일반상대성이론은 ‘완전히 이해한다’고 답한 학생이 4명(2%)에 불과했다. ‘어느 정도 이해한다’고 답한 학생도 42명(27%)에 그쳤다. 반면 ‘잘 모르겠다’는 학생은 가장 많은 77명으로 전체의 49%였으며, ‘전혀 모르겠다’고 답한 학생도 34명(22%)이나 됐다. 전체의 2/3이상이 일반상대성이론을 어려워 한 것이다.

김제완 회장은 “국내 대학에서 특수상대성이론은 비교적 자세하게 배우지만 일반상대성이론은 수학 과정이 너무 어려워 개략적인 개념만 배우고 넘어가는 편”이라며 “일반 상대론은 잘 모르는 것이 당연할 수 있다”고 설명했다.

이번 설문조사에서는 특수상대성이론에 대한 간단한 문제 3개도 제시해 학생들이 실제로 상대성이론을 이해하고 있는지도 함께 조사했다. 1번 문제는 정답률이 81%였으며, 2번은 99%, 3번은 94%에 달해 3개 대학 학생들이 실제로 특수상대성이론의 기본 개념을 잘 이해하는 것으로 나타났다.

첫번째 질문은 특수상대성이론에서 시간의 동시성에 대한 개념을 물은 질문으로 정답률이 다른 두 질문보다 낮아 이 개념이 다소 까다로운 것으로 조사됐다. 두번째 질문은 빛의 속도는 어떤 경우에도 일정하다는 광속 불변의 법칙에 대해 물었다. 단 1명만이 틀렸다. 세번째 질문은 광속에서 나타나는 시간 지연 효과를 물었으며 대부분의 학생들이 정답을 맞췄다.

독자들도 편안한 마음으로 문제를 풀어보자.

※ 아래 문항을 읽고 답하시오.

1. 나는 아인슈타인의 특수상대성이론을 ( )

① 완전히 이해한다 ② 어느 정도 이해한다 ③ 잘 모르겠다 ④ 전혀 모르겠다

2. 나는 아인슈타인의 일반상대성이론을 ( )

① 완전히 이해한다 ② 어느 정도 이해한다 ③ 잘 모르겠다 ④ 전혀 모르겠다

3. 아래 예문이 물리학적으로 옳으면 ○, 틀리면 ×로 표시하시오.

(위에서 ①, ②로 답한 사람만 표시)

(1) 때는 시간을 거슬러 1665년. 흑사병으로 대학이 휴교하자 고향인 울즈소프에 내려온 뉴턴은 정원에서 사색 중 나무에서 떨어지는 사과를 보고 지구와 사과 사이의 만유인력을 깨달았다. 떨어지는 사과를 손에 받은 뉴턴은 야구를 하듯 사과를 수평으로 던졌다. 그런데 마침 그때 사과의 운동 방향과 반대쪽으로 마차를 타고 지나가던 아인슈타인이 뉴턴이 던진 사과를 봤다. 따라서 아인슈타인이 목격한 사과와 뉴턴이 목격한 사과는 동시에 움직였다.
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(2) 주말을 이용해 근교로 드라이브를 나간 당신. 멀리서 구급차 소리가 들렸다. 이 경우 자동차에서 측정한 소리의 속도는 당신의 이동 속도만큼 빨라지고, 반대로 구급차에서 멀어지면 소리의 속도는 그만큼 느려진다. 이번엔 당신이 기차를 타고 연인과 여행 중이다. 이 때 광속의 3/4 속도로 달리고 있는 기차의 지붕 위에서 한 남자가 광속의 3/4으로 달리고 있는 것을 목격했다. 그렇다면 이 남자의 속도는 광속의 1.5배로 달리는 셈이다.
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(3) 방사선은 우주가 생성됐을 때부터 존재했다. 우주선(cosmic ray)은 자연방사선의 하나로 양성자처럼 에너지가 큰 입자로 이뤄졌다. 하지만 우주선이 지구에 도달하는 과정에서 대기의 상층 부분에서 뮤온을 포함한 많은 소립자를 만들어낸다. 그런데 뮤온의 생명은 2㎲에 불과하다. 그렇다면 뮤온 입자가 지표면에 도달할 수 있는 것은 특수상대론 효과 때문이다.
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