이 실험에서 알아볼 내용

하나의 빛시계에서 일어난 같은 출발·귀환 사건을 두 관성계에서 비교하고, 광속 불변과 시간 지연을 연결하세요.

교과와 단원

2022 개정 과학 계열 · 고급 물리학 · 현대 물리. 특수 상대성 이론의 광속 불변과 시간 지연을 빛시계로 정량적으로 탐구합니다. 질량과 에너지의 관계, 중력에 의한 시간 변화와 일반 상대성 이론은 포함하지 않습니다.

연계 성취기준: 12고물04-02

탐구 질문과 해설

1. 속력이 0.6c일 때 실험실의 왕복 시간은 고유 시간의 몇 배일까요?

γ=1/√(1−0.6²)=1.25이므로 1.25배입니다. 두 기준계에서 빛의 속력은 모두 c이지만, 실험실 좌표계의 빛은 더 긴 대각선 경로를 지나갑니다.

2. 거울 간격을 두 배로 늘리면 시간 지연 비율도 두 배가 될까요?

두 기준계의 왕복 시간은 모두 두 배가 되지만 그 비율 γ는 그대로입니다. 비율은 상대 속력으로 정해집니다. 속력을 0으로 만들면 경로와 시간이 일치해 γ=1이 됩니다.

모형의 가정과 실제 현상과의 차이

진공에서 일정한 속력 v로 움직이는 하나의 빛시계를 두 관성계에서 표현합니다. 서로 평행한 두 거울의 간격 L은 운동 방향에 수직이고 10–100 m이며, 속력은 0–0.95c입니다. c=299792458 m/s, γ=1/√(1−v²/c²), 빛시계와 함께 움직이는 기준계의 고유 왕복 시간 τ₀=2L/c, 실험실의 왕복 시간 t₀=γτ₀를 사용합니다. 출발과 귀환은 시계 기준계에서 같은 위치에서 일어나지만 실험실에서는 다른 위치에서 일어납니다. 실험실 시간은 그 기준계의 동기화된 시계로 잰 좌표 시간이며, 눈에 들어오는 영상의 지연을 계산하는 것이 아닙니다. 그림은 같은 사건 진행도를 보여 주며 한 왕복을 화면 8초로 늘립니다. 두 보기의 길이 축척은 같고 조건에 맞춰 전체를 맞춥니다. 거울 표시의 폭은 개념 표현입니다. 특정 기준계의 시간이 절대적으로 느리다는 뜻이 아니며, 가속·귀환 여행·중력 효과·길이 수축은 이 실험의 계산 범위에서 제외합니다.

참고 자료

• 교육부 · 2022 개정 과학 계열 교육과정(별책 20) ↗
• 교육부 · 2022 개정 교육과정 고시 ↗
• OpenStax · 빛시계와 시간 지연 ↗