On the detection of absolute velocity in a Newtonian universe

거대한 우주의 속도 함정

당신이 광활하고 텅 빈 바다에 떠 있는 모습을 상상해 보십시오. 주변에는 오직 물과 당신의 배뿐입니다. 만약 당신이 밖을 내다보고 근처에서 표류하는 다른 배를 발견한다면, 당신은 그 배가 당신의 배에 대해 얼마나 빠르게 움직이고 있는지(상대 속도)를 쉽게 알 수 있습니다. 당신은 거리의 변화를 측정함으로써 이를 파악할 수 있습니다. 이것이 바로 우리가 상대 속도라고 부르는 것, 즉 다른 무언가에 대해 측정된 속도입니다. 하지만 만약 당신이 다른 어떤 배와도 상관없이, 물 자체를 통과하여 얼마나 빠르게 움직이고 있는지 알고 싶다면 어떻게 될까요? 과거의 물리학, 구체적으로 아이작 뉴턴이 묘사한 우주에서는, 과학자들이 우주 전체를 채우고 있는 절대 공간이라는 숨겨진 보이지 않는 격자가 존재한다고 믿었습니다. 이 격자는 마치 우주의 드라마가 펼쳐지는 거대하고 움직이지 않는 무대와 같았습니다. 이 관점에 따르면, 모든 물체는 단순히 이웃한 물체와의 상대적인 속도뿐만 아니라, 이 보이지 않는 무대에 대한 진정한 '절대적' 속도를 가집니다.

수 세기 동안 핵심적인 질문은 이것이었습니다. "우리가 실제로 이 절대 속도를 찾아낼 수 있는가?" 뉴턴으로부터 전해 내려온 표준적인 답변은 단호한 "아니오"였습니다. 그 논리는 다음과 같았습니다. 우리가 측정할 수 있는 모든 힘(중력이나 충돌 등)은 오직 사물들이 서로에 대해 어떻게 움직이는지에만 관심을 갖기 때문에, 우주 전체가 보이지 않는 무대 위를 천천히 표류하고 있는지 아니면 정지해 있는지 구분할 방법이 없다는 것이었습니다. 절대 속도는 우주가 우리에게 숨기고 있는 비밀이라고 생각되었습니다. 하지만 만약 그 규칙이 자연의 법칙이 아니라, 우리가 질문을 던지는 방식에서의 실수였다면 어떨까요?

논문의 거대한 반전

이 논문에서 멕시코 국립 자치 대학교(Universidad Nacional Autónoma de México)의 호르헤 마네로(Jorge Manero), 리카르도 무치노(Ricardo Muciño), 엘리아스 오콘(Elias Okon)은 이 오래된 수수께끼를 새로운 시각으로 바라봅니다. 그들은 우리의 실제 현대 우주에서 절대 속도를 찾을 수 있다는 것을 증명하려는 것이 아닙(왜냐하면 우리의 우주는 실제로 뉴턴적이지 않다는 것을 우리는 알고 있기 때문입니다). 대신, 그들은 순수하게 이론적인 뉴턴적 우주 안에서 "만약 ~라면 어떨까"라는 게임을 수행하며, 절대 속도를 찾는 것에 반대하는 기존의 논거들이 과연 유효한지를 살펴보고 있습니다.

저자들은 절대 속도를 찾을 수 없다고 믿는 표준적인 이유들이 사실 순환 논리에 빠져 있다고 주장합니다. 그것은 마치 "지도가 이미 볼 수 있는 것들만 보여주기 때문에, 당신은 숨겨진 보물을 찾을 수 없다"라고 말하는 것과 같습니다. 그들은 기존의 논거들이 우주 전체를 이동시키더라도 변하지 않는 것들(예: 상대적 거리)만이 측정될 수 있다는 가정을 처음부터 전제하고 있다고 지적합니다. 하지만 이 논문은 뉴턴의 법칙 내에서 그러한 가정을 해야 할 공식적인 이유가 없다고 제안합니다.

그들의 논점을 이해하기 위해, 뉴턴적 세계에 사는 두 친구 샐리와 해리의 상황을 상상해 보십시오. 기존의 논리는 만약 샐리가 자신의 절대 속도를 측정하여 해리에게 전달하려고 할 때, 그녀가 보내는 '메시지'(예를 들어 종이 위의 잉크처럼, 방 전체가 움직여도 변하지 않는 것)가 상대적인 것들로 이루어져 있기 때문에 불가능하다고 말합니다. 따라서 메시지는 그녀의 절대 속도라는 비밀을 담아낼 수 없다는 것입니다. 저자들은 이러한 추론이 결함이 있다고 주장합니다. 그들은 단지 '메시지'가 상대적이라고 해서 '측정의 결과'까지 반드시 상대적이어야 하는 것은 아니라고 반박합니다.

여기서 그들이 사용하는 재치 있는 비유가 있습니다. 당신에게 지나가는 자동차의 속도를 측정하는 기계가 있다고 상상해 보십시오. 뉴턴적 우주에서, 만약 당신이 자동차를 당신의 기계에 부딪히게 한다면, 기계의 최종 속도는 자동차의 초기 속도에 따라 변할 것입니다. 설령 그 '충돌'이 서로에 대해 얼마나 빠르게 움직이는지에만 반응하더라도, 기계의 최종 절대 속도(보이지 않는 무대에 대한 기계의 속도)는 결국 자동차의 초기 절대 속도를 완벽하게 기록하게 될 것입니다. 기계는 보이지 않는 무대에 대해 '알' 필요가 없습니다. 그저 충돌에 반응하기만 하면 됩니다. 기계의 최종 속도가 바로 그 측정값이 되는 것입니다.

저자들은 뉴덴적 우주에서, 어떤 물체의 초기 절대 속도를 인코딩(부호화)하는 완벽하게 유효한 실험을 설정할 수 있음을 보여줍니다. (예를 들어 튀어 오르는 공이나 회전하는 바퀴 같은 장치의 최종 상태를 통해) 수학적으로도 완벽하게 작동합니다. 우리가 이것을 할 수 없다고 생각하는 유일한 이유는, 측정이 절대 속도를 무시하는 방식으로 기록되어야 한다고 우리가 임의로 결정했기 때문입니다. 하지만 이 논문은 이것이 우리가 만들어낸 규칙일 뿐, 물리 법칙에 쓰인 규칙은 아니라고 주장합니다.

그렇다면 결론은 무엇일까요? 논문은 뉴턴의 이론 내부에는 절대 속도가 감지 불가능하다고 말할 만한 공식적인 이유가 없다고 결론짓습니다. 그것이 불가능하다는 유명한 주장은 단단한 사실이 아니라 논리적 순환에 기반하고 있다는 것입니다. 저자들은 자신들이 우리의 실제 세상에서 절대 속도가 측정 가능하다는 것을 증명한 것이 아님을(우리의 세상은 뉴턴의 법칙을 정확히 따르지 않으므로) 신중하게 밝히고 있지만, 절대 속도가 반드시 감지 불가능해야 한다고 주장하는 기존의 논거들이 깨졌음을 증명했습니다. 이는 어떤 것이 측정 불가능해 보인다고 해서 그것이 우주가 금지하는 규칙이 있는 것은 아니며, 때로는 단지 우리가 질문을 던지는 올바른 방법을 아직 찾지 못했을 뿐이라는 점을 상기시켜 줍니다.