상대성이론이란 무엇인가?

(▲ 알 버트 아인슈타인)

"상대성 이론이란 무엇인가?"

딱딱! 안녕하세요 지식연구소 딱따구리입니다. 반갑딱:) 😄

이번 주제는 블랙홀에 이어서 상대성 이론에 대해 포스팅해보려 합니다. 저는 SF장르의 영화 #인터스텔라 를 통해서 #상대성이론 에 대해 처음 접했었던 것 같아요.

그럼 다같이 상대성 이론에 대해 알아볼까요?

 

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상대성이론(相對性理論, 영어: theory of relativity) 또는 상대론(relativity)은 아인슈타인이 제창한 시간과 공간에 대한 물리 이론으로, 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론으로 나뉜다. 상대성 이론에 따르면,서로 다른 상대 속도로 움직이는 관측자들은 같은 사건에 대해 서로 다른 시간과 공간에서 일어난 것으로 측정하며, 그 대신 물리 법칙의 내용은 관측자 모두에 대해 서로 동일하다.

 

상대성 이론은 단순한 자연법칙이 아니고 일종의 사고 체계라고 할 수 있다. 상대성 이론은 인식에 대한 대변혁을 일으킨 것이다. 추상적 수학 개념과 세밀한 관측이 자연을 이해하는 열쇠가 된다고 알려준 갈릴레오 갈릴레이와 아이작 뉴턴이 해결하지 못했던, 측정의 대상이 되는 물체와 측정의 기준이 되는 기준 좌표계의 관계를 이해하기 위한 고민에서 상대성 이론이 시작되었다고 할 수 있다.

 

아인슈타인은 상대성 이론에 대해 다음과 같이 언급한 바 있다.

"상대성 이론은 돌파구가 있을 것 같지 않은 심각하고 깊은 옛 이론의 모순을 해결하기 위해 생겨났다. 이 새로운 이론은 일관성과 간결함을 유지하면서 옛 이론의 모순을 강력히 해결한다."

 

특수 상대성 이론은 시공의 구조에 대한 것이다. 아인슈타인은 1905년 <운동하는 물체의 전기역학에 대하여>라는 논문에서 특수 상대성 이론을 처음으로 선보였다.

 

특수 상대성 이론은 맥스웰의 전자기학이 고전역학의 갈릴레이 대칭성을 지키지 않는다는 모순을 설명하기 위해 만들어졌다. 전자기학을 통해 전자기파의 속도를 계산할 수 있는데, 이렇게 구한 전자기파의 속도는 관측자의 상대 운동과는 관계없이 상수이며, 이는 갈릴레이 대칭성을 위반한다. 이 문제를 해결하기 위하여 알베르트 아인슈타인은 두 개의 공준을 도입하고, 그 공준에 따르면 자연계는 갈릴레이 대칭성 대신 로런츠 대칭성을 따른다는 사실을 보였다.

 

특수 상대성 이론에서는 관성 좌표계의 관측자가 자신의 "절대 운동"을 실험적으로 측정해 낼 수 없다고 생각한다. 또한 진공에서의 빛의 속도는 관성 좌표계에 있는 각각의 관측자 모두에 대해 동일하다고 가정한다.

 

특수 상대성 이론은 단 두개의 공준만을 바탕으로 하며, 이로써 다른 모든 결론을 도출할 수 있다.

   1. 진공에서의 빛의 속도는 모든 관측자에 대하여 동일하다.

   2. 모든 관성 좌표계에 있는 관측자에 대해 물리 법칙은 동일하다.

 

첫 번째 공준은(절대적 속도를 허용하지 않는) 고전역학의 갈릴레이 대칭을 부정한다. 두 번째 공준은 역학에서의 상대성 원칙을 전자기학까지 확장한 것이다.

  · 시간 확장 : 움직이는 물체 내(S1) 에서의 시간변화는 외부관찰자(S)에게 천천히 시간이 변화하는 것으로 보인다.

  · 길이 축소 : 외부관찰자(S)의 눈에 움직이는 물체는 외부관찰자(S)의 눈에 비친 움직이는 방향으로 짧아져 보인다.

  · 동시성의 상대성 : 관찰자 A(S1)의 눈에 동시에 일어난 것으로 관찰된 어떤 두 사건은,  A에 대해 상대운동을 하는

    외부관찰자 B(S)의 눈에는 동시에 일어난 것으로 보이지 않는다.

  · 질량-에너지 동등성 : E = mc² 공식에 의해 에너지와 질량은 등가이고 변환 가능하다.

 

 특수 상대성 이론이 예측하는 현상

  · 시간 팽창

  · 동시성의 상대성

  · 길이 축소

 

일반 상대성 이론은 1915년에 아인슈타인이 발표하였다. (프로이센 과학 아카데미에서 1915년 11월 25일에 제출) 일반 상대성 이론은 특수 상대성 이론의 확장판이라 하면 이해하기 쉬울 것이다. 이 이론은 뉴턴의 고전 물리학에 결정타를 날림으로서 새로운 물리학적 이론의 길을 열었다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있다.

일반 상대성 이론에 대해 알아보기 전에 먼저 이를 전개하기 위해 필요한 한 가지 가정을 보도록 하자.

 

등가원리 - 가속 좌표계에서 지구로 인해 생기는 중력과 중력가속도 g와 같은 크기의 가속도 a로 중력의 작용 방향과 반대로 운동하는 것으로 인한 관성력은 구분할 수 없다.

즉, 관성질량과 중력질량이 같은 측정값을 지닌다는 것이다.

 

1. 시공간

일반 상대성 이론에서 아인슈타인은 '시공간은 4차원, 즉 시간과 공간이 결합된 형태의 연속체'임을 규명했다. 뉴턴이 시공간이 시간과 공간으로 분리되어 서로 영향을 주고받지 않는 별개의 공간인 점과, 공간위의 한 점에 위치한 물체에 어떠한 영향도 받지 않을 것이라고 생각한 반면에 아인슈타인의 사고실험에세 아인슈타인은 시공간이 서로 상호작용함과, 공간위에 위치한 어떠한 질량을 가진 물체에 대하여 공간이 휘어짐을 제시하였다.

 

2. 중력

아인슈타인은 뉴턴의 중력을 가속운동계에 적용시켰다. 그는 중력가속도 g의 크기만큼 가속하는 가속계 내의 물체와, 중력을 받고있는 물체는 서로 구분이 불가능하다는 이론을 내세움으로서 가속계를 관성계로 해석 가능함을 보였다.

 

3. 중력으로 인한 시간팽창

위에서 가속계 역시 관성계로 인식할 수 있다고 하였다. 따라서 가속계의 물체는 관성계에서 물체의 이동으로 판단할 수 있고, 특수 상대성 이론에 따라 시간지연이 일어남을 알 수 있다. 이로서 중력을 받는 물체는 그 물체에 흐르는 시간이 느려지게 된다.

 

4. 공간 왜곡으로 일어나는 현상

 4-1 빛의 휘어짐 : 빛의 움직임을 가속운동계에 적용시켜보면, 그 빛이 휜다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서 중력으로 인한여 빛이 휜다는 것을 알 수 있다.

 4-2 중력렌즈효과 : 이는 일식이 일어날 때 관측할 수 있는 현상인데, 바로 태양의 뒤에 위치하여 가려져 있던 천체가 태양의 중력에 의한 영향으로 그 빛이 휘어져 우리눈에 들어오는 것이다. 흔히 '아인슈타인의 십자가'라는 것이 이로 인한 현상이다.

 4-3 블랙홀 : 질량이 매우 큰 천체는 공간을 심하게 왜곡하여 빛마저 삼켜버릴 수 있다.

 

5. 일반 상대성 이론의 증거

 5-1 에딩턴의 태양의 일식 관측 : 지구에서 별을 관측할 때, 별과 지구사이에 태양이 있을 때와 없을 때의 별의 관측위치를 비교하여 빛이 휘는 것을 관찰

 5-2 수성의 세차운동 : 뉴턴의 이론에 따라 계산하면 100년동안 574''만큼 이동해야 하지만, 실제 세차운동 관측결과 43''정도 오차가 났다. 하지만 일반상대성 이론에 시공간의 곡률을 고려한 결과 이 차이를 정확히 설명

 5-3 중력렌즈 : 중력이 렌즈처럼 빛을 휘게 하는 현상이다. 대표적으로 퀘이사가 있다.

 5-4 중력파 : 천체의 중력붕괴나 초신성폭발 같은 우주현상으로 발생하여 시공간이 일그러짐이 광속으로 파도처럼 전달되는 것을 말한다.

 5-5 GPS : 인공위성이 움직이기 때문에 시간차이가 생기는데 속력과 중력의 작용을 고려하여 보정해줘야 한다.

 5-6 블랙홀 : 질량이 매우 큰 천체는 공간을 휘게하여 천체를 지나는 빛마저 흡수한다.

 

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(▲ 시간은 상대적이다)

와우 이렇게 상대성이론에 대해 알아보았습니다.

정리를 해보자면, 특수 상대성 이론을 아인슈타인이 일반 상대성 이론으로 일반화 하였습니다.

상대성 이론이라 함은 공간과 시간은 서로에게 있어서 상대적이란 뜻입니다.

조금 더 쉽게 설명하자면, 같은 공간 같은 시간에 있는 사람들의 시간은 전부 똑같이 흘러가지 않는다는 의미입니다. 이를 잘 표현한것이 영화 인터스텔라 입니다.

작중에 보면 웜홀을 넘어서 지구가 아닌 다른 행성에 도착한 대원들은 그 행성에서 고작 30분 남짓 보내고 돌아왔지만 우주선에서 대기하고있던 곳에서는 40년 정도가 흐른것으로 시간과 공간은 각자에게 상대적이라는 것을 보여줍니다.

 

다음시간에는 태초에 우주가 어떻게 생겨났는지 #빅뱅이론 에 대해 알아보겠습니다.

 

그럼 딱따구리의 지식연구소는 여기까지 !

 

오늘도 좋은하루 보내세요! 딱딱 💜

 

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2019/10/25 - 블랙홀이란 무엇인가?