특수상대성 이론 고2 물리 1 문제입니다. 고수님들의 진심어린 조언 구합니다.

[임용식]

 그림이 없어서 말로 설명하겠습니다. 기차가 빛에 근접한 속력으로 등속직선운동을 하고 있습니다. 기차 양쪽 벽 끝에는 각각 후레쉬가 놓여져 있습니다. 각각의 후레쉬가 빛을 기차 가운데를 향하여 동시에 쏘고 있습니다.

여기서 궁금한 점입니다.

기차 밖에 있든 안에 있든 관성계의 관찰자는 항상 두 개의 빛이 기차 정중앙 한가운데에서 만나는 것처럼 보인다고 합니다. 해설지에 그렇게 나와 있네요. 실제로 로렌츠 변환공식을 통해 증명해 봤더니 확인할 수 있었습니다. 문제는 이를 고2학생들에게 로렌츠변환을 이용하지 않고 설명해야 된다는 점입니다.  고2 학생들은 현재 동시성의 개념을 정성적으로 배웠고 길이 수축과 시간팽창은 공식을 통해 배운 상태입니다.

어떻게 하면 아이들의 선수학습 지식으로 쉽게 설명할 수 있을까 고민고민하다 글 올립니다. 도와주시길 바랍니다~~ㅜㅜ물리고수님들께 성심성의 있는 답변 부탁드리겠습니다. (__)

[어떤교사?]

저도 한참을 고민했던 문제였습니다 ㅠ 제가 내린 결론은 한 점에서 동시에 일어난 사건은 어느 관성좌표계에서 봐도 동시에 일어나야한다는 거였습니다. 동시성 얘기할때 기차의 양 끝은 한 점이 아니기 때문에 다른 좌표계에서 동시일 필요가 없다고 얘기해 줬습니다. 더 근본적인 것을 원하신다면 ?

[카이퍼]

동시성의 불일치 상황인데요. 기차 안에 있는 사람은 기차 양쪽에서 오는 빛이 동시에 출발하여 가운데에서 만나는 것으로 보지만 외부 관측자가 봤을 때는 기차 양 끝에서 빛이 동시에 발사되지 않은 것으로 관측됩니다. 상대성 이론에서 기본적으로 가정한 것 중 하나가 빛의 속도 불변이었죠? 그렇기 때문에 서로 떨어져 있는 기차 안 양쪽 끝 광원에서 동시에 빛이 나오는지 나오지 않는지 관측자는 확인할 수 있는 방법은 없습니다. 하지만 중앙에서 빛이 만난다면 그것은 공간상 같은 장소에서 일어난 일이기에 어떤 관측자가 보더라도 결과가 바뀌지 말아야 합니다.

[카이퍼]

이런 상황을 학생들한테 쉽게 설명하려면 서울과 부산에서 차 두 대가 동시에 출발하여 같은 거리를 이동 후 대전에서 사고를 일으켰다고 생각합시다. 대전에 있는 정지한 사람이 서울과 부산에 차가 출발하였는지 확인하는 방법은 전화로 출발했다는 연락 또는 아주 엄청 밝은 신오탄? 등이 되겠죠. 빛의 속도라는 한계를 벗어날 수는 없습니다. 어쨌든 동시에 출발했다는 연락을 받고 두 차는 대전에 충돌하죠. 하지만 이제 서울에서 출발하여 부산으로 향하는 비행기를 탄 사람이 이것을 보게 되면 부산으로 빠른 속도로 향하게 되므로 부산에서 출발했다는 연락을 먼저 받게 되죠. 대전에 가만히 있던 사람과는 동시성이 불일치합니다. 하지

[카이퍼]

만 대전에서 두 차가 충돌한 사고의 결과는 변함없습니다. 두 차의 속력도 바뀌지 않았죠. 그저 부산에서 출발했다는 연락을 더 빨리 받게 되는 것입니다.

[임용식]

답변 달아주신 이자벨님, 어떤 교사님, 카이퍼님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다. 덕분에 많은 도움이 되었습니다.*^^*