만약 소리의 속도가 빛의 속도만큼 빠르다면 어떨까요?

천둥과 번개가 동시에 발생하는 것은 시작에 불과합니다. 구름이 지평선에 낮게 떠 있습니다. 공기는 끈적끈적하고 전기로 인해 지글지글 끓고 있습니다. 갑자기, 소리 없는 번개가 하늘을 열었습니다. 4초 후에 붐이 발생합니다. 놀라운 속도로 초당 186,000마일(초당 300,000km) 이동하는 빛과 비교할 때 음파는 초당 0.2마일(초당 0.3km)의 속도로 공기를 통과하여 매우 느리게 이동합니다. 천둥소리가 들리기 전에 번개가 보이는 이유가 바로 이것입니다. 하지만 소리의 속도가 갑자기 빛의 속도와 같은 백만 배 빨라지면 어떻게 될까요?

 

물론 천둥은 번개가 치는 정확한 순간에 여러분에게 도달할 것입니다. 하지만 그 번개는 꽤 으스스해 보일 수도 있습니다. 음파는 입자로 구성되며 각 입자는 다음 입자와 충돌할 만큼 약간씩 움직입니다. 일리노이 대학 어바나-샴페인 캠퍼스의 물리학 교수인 조지 골린은 이것이 파동 내에서 더 높고 더 낮은 밀도의 영역을 생성한다고 말했습니다. 슬링키를 생각해 보세요. 장난감이 움직일 때 코일이 계속해서 뭉쳤다가 다시 펼쳐집니다. 음파도 비슷합니다. 느린 속도에서는 밀도의 변화가 눈에 띄지 않습니다. 빛의 속도로 달리면 이야기가 달라집니다.

 

골린은 "(번개 폭풍 동안) 꽤 습한 공기가 있을 때 음파가 들어와서 물건을 정말 세게 쥐어짜 낸 다음 확장되고 압력이 많이 떨어진다는 것입니다"라고 말했습니다. 압력은 온도와 일치하기 때문에 천둥소리가 난 후 갑자기 기압이 떨어지면 습한 공기가 얼게 됩니다. 짙은 얼음 결정 안개 사이로 번개가 치는 것을 볼 수 있습니다.

 

초고속 음속은 우리 세상의 소리 방식을 완전히 바꿔 놓을 것입니다. 골린은 "목소리는 특히 이상하게 들릴 것"이라고 말했습니다. 우리가 말할 때 성대가 진동하여 다양한 주파수의 음파를 생성하여 후두, 즉 성대로 펌핑합니다. 그곳에서 동일한 주파수의 파동이 합쳐져 훨씬 더 큰 파동을 생성하며, 이는 더 큰 소리로 변환됩니다.

 

그러나 모든 주파수가 같은 방식으로 합쳐지는 것은 아닙니다. 일부는 완벽하게 동기화되는 반면 다른 일부는 실제로 서로 간섭하여 더 작은 파도와 더 조용한 소리를 생성합니다. 소리가 공기 중에서 더 빠르게 이동하면 파동이 합쳐지는 방식이 바뀌어 특정 주파수는 더 커지고 다른 주파수는 더 조용해집니다. 음파에서 주파수는 음높이로 변환되므로 매우 이상한 소리가 나는 목소리를 얻게 됩니다.

 

소리의 속도가 초고속으로 움직이는 우주에서 우리가 어떤 소리를 낼지 이해하려면 미키 마우스처럼 헬륨 풍선에서 심호흡할 때 어떤 소리가 나는지 상상해 보세요. 미들 테네시 주립대학교 물리학 및 천문학과 교수인 윌리엄 로버트슨은 음파가 헬륨을 통해 3배 더 빠르게 움직이기 때문이라고 말했습니다. 로버트슨은 "우리는 소리의 속도를 백만 배 더 크게 만드는 것에 대해 이야기하고 있습니다. 그리고 소리의 속도가 갑자기 빨라지면 오케스트라에 큰 타격을 줄 것"이라고 덧붙였습니다.

 

오보에나 트럼펫의 구멍 안에서 소리가 앞뒤로 움직일 때 정상파가 생성됩니다. 이러한 정재파는 체육관 벽에 묶여 있는 무거운 밧줄처럼 행동합니다. 역도 선수가 매우 빠르게 흔들면 파도가 로프를 가로질러 이동하는 것처럼 보이지 않고 위아래로 진동하기 시작합니다. 로프가 점점 더 빠르게 흔들릴수록 파도의 수, 즉 주파수가 증가합니다.

 

마찬가지로, 관악기에서 생성되는 음파의 속도가 증가하면 주파수도 증가합니다. 주파수가 높을수록 음조가 높아지므로 관악기는 음조가 너무 높은 소리를 내므로 사람이 들을 수 없습니다. 로버트슨은 "바이올린과 첼로의 조화를 유지하기 위해 관악기를 백만 배 더 길게 디자인해야 합니다"라고 말했습니다. 그는 "공기를 통과할 때 소리의 속도가 변하더라도 줄을 따라 움직이는 소리의 속도는 변하지 않을 것"이라고 덧붙였습니다.

 

안타깝게도 인간은 이러한 놀라운 변화를 경험하기 위해 살아남지 못할 것입니다. 플루트의 부드러운 휘파람 소리조차도 근처에 있는 모든 것을 산산조각 낼 것입니다. 빛은 물질로 구성되지 않은 전자기파로 이동하지만 음파는 기계적입니다. 입자가 서로 충돌하여 구성됩니다. 골린은 "빛의 속도로 이동하는 분자는 거의 무한한 에너지를 갖게 됩니다"라고 말했습니다.

 

그것은 만나는 모든 입자를 폭발시켜 전자를 날아가고 물질과 반물질의 스프레이를 생성합니다. 물질과 반대되는 특성을 가진 초고속 충돌에서 생성되는 입자입니다. 골린은 "효과는 정말 대단할 것입니다"라고 말을 남겼습니다.