[물리] 질량에 대하여

여러 교양 수준의 상대성 이론을 접하고, 질량 에너지 등가 법칙에 대한 설명을 읽어보고, 느꼈던 점은 이게 무슨 말이지? 였다.

질량이 에너지랑 같다니... 그럼 에너지가 높은 상태는 높은 질량을 가진다는 것인가?

핵분열 시, 질량 손실에 의해 거대한 에너지가 발생한다는 것은 알고 있었지만, 일상생활에서 생각하는 "에너지" 수준도 질량에 영향을 줄 수 있을까? 하는 의문이 들기 시작했다.

그러던 중, "E=mc²를 탄생시킨 발상은 무엇이었을까?" 라는 인저리타임 우주관 오디세이에 기재된 조송현님의 글을 읽게 되었다.

(http://www.injurytime.kr/archives/3927)

질량은 에너지고, 에너지는 질량이다. 라는 발견 과정과 내용에 대해 직관적으로 잘 설명되어있는 글이다.

그 중 

"또 E=mc² 공식에 따라 물체가 사라지면서 에너지로 변하고, 반대로 에너지는 새로운 물질을 만들어낼 수 있음을 알게 되었습니다.물론 이것은 20세기의 수많은 실험을 통해 모두 확인된 사실입니다."

라는 내용을 읽고, 에너지가 물질을 만들어 낼 수 있다는 말에 꽃혀 글쓴이 분께 질문을 해 보았다.

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질문 : "에너지를 소모 없이 제한된 공간에 붙들어 놓을 수 있다면, 그 공간은 질량을 가진다" 라고 할 수 있을까요?

답 : '에너지를 소모없이 제한된 한 공간에 붙들어 놓을 수 있다면 그 공간은 질량을 가진다' 고 할 수 있겠습니다. 그런데 우리는 보통 질량이라 하면 어떤 물체가 갖는 물리량(중력질량, 관성질량)으로 이해하기 때문에 한 공간에 차 있는 에너지를 질량이라고 부르지는 않지요. 하지만 그곳에 질량이 있다고 해도 틀린 말은 아닙니다. 왜냐하면 질량은 곧 에너지이니까요.

질문 : 그렇다면 에너지를 소모없이 제한된 공간에 붙들어 놓았을 때, 그 공간은 우리가 보통질량이라고 생각하는 물리량(중력질량, 관성질량)으로 설명이 가능할까요? 예를 들면, 손실이 없는 광섬유를 둥글게 말고, 빛을 쏘아, 광섬유 속에 빛을 가두고, 둥글게 말린 광섬유를 힘 F로 밀었을 때, 빛을 가두기 전과 가둔 뒤의 가속도 발생에 차이가 있을까요?

답 : 재미 있는 가상 질문이네요. 결론적으로 빛에너지를 포함한 광섬유의 가속도가 작겠죠. 다시 말해 빛에너지를 가진 광섬유의 질량이 더 크다는 것이죠. 비슷한 문제로, '보통 온도의 물체와 뜨겁게 달궈진 물체 중 어느것의 질량이 더 클까?' 답은 뜨겁게 달궈진 물체. 다만 질량의 차이는 극히 작겠죠. m=E/c²으로 c²의 값이 엄청 크니까요.

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아! 하는 마음이 들었다.. 굳이 빛을 가두지 않더라도, 뜨거운 물체의 질량이 더 크다니.. 확 와닿았다.

질량은 에너지가 공간에 갇혀있는 것이었다!  그리고 그것이 질량-에너지 등가 법칙인 것이었다.

중력질량과 관성질량이 같다는 전제로 전개되는 일반상대성 이론에서는, 질량에 의해 공간이 왜곡된다고 한다.

질량에 의해 공간이 왜곡된 것일까? 아니면 왜곡된 공간에 에너지가 갇혀 질량을 갖게 된 것일까?

짧은 지식으로는 참 아리송할 뿐이다.