상대성 이론에 대해 알려주세요!
인터스텔라를 보다가 상대성 이론에 관한 이야기가 나오는데 상대성 이론이 무엇인지 잘 이해가 가지 않아서요! 상대성 이론이 뭔지 알려주세요~
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.
상대성이론의 요점은 시간, 공간, 물질, 에너지의 통합이라고 할 수 있다. 이전까지의 물리학은 보통 뉴턴역학 혹은 고전물리학이라고 하는데, 시간과 공간은 별개의 것으로 어떤 관찰자에게나 동일하게 적용되는 절대적인 시간의 기준, 공간의 기준이 있다고 생각했다. 물질은 공간 안에서 시간에 따라 운동할 수 있는데, 시간과 공간은 절대적으로 주어진 일종의 무대로서 물질은 시간의 흐름과 공간 구조에 영향을 미칠 수 없다고 생각했다. 물질의 운동은 에너지를 변화시키는데, 따라서 에너지는 특정 물체의 중요한 성질이지만 분명히 구분되는 별개의 개념이었다. 상대성이론에서는 시간과 공간이 통합되어 시공간이라 하며 관측자의 운동에 따라 시간의 흐름, 공간적 측정이 달라질 수 있다. 그 결과를 함축적으로 담고 있는 현상이 시간 지연과 길이 수축이다. 물질과 에너지가 서로 전환 가능하다는 것을 의미하는 공식이 유명한 이다. 그리고 빛은 정지질량이 0이지만 에너지는 갖기 때문에 무거운 물체는 빛도 끌어당기며, 빛도 빠져 나오지 못할 만큼 큰 중력을 가진 물체라는 뜻에서 블랙홀이라는 용어가 유래되었다.
특수상대성이론
특수상대론의 기반이 되는 두 가지 가정이 있다. 하나는 서로에 대해 등속도로 운동하는 두 관찰자에게는 동일한 물리법칙이 적용된다는 것이고, 다른 하나는 모든 관찰자에게 빛의 속도는 완벽하게 동일하다는 것이다. 첫번째 원칙이 바로 상대성의 원칙이며 특수상대론이라는 이름의 근원이 된다고 할 수 있다. 두 번째 원칙은 광속 불변 원리로서 마이컬슨·몰리 실험에 의해 검증된 것이다. 고전역학, 즉 뉴턴역학의 영역에서 이 두 가지 가정은 서로 모순된다. 왜냐하면 고전역학에서 시간과 공간은 완전히 독립적이고 절대적이어서, 운동에 무관하게 같은 좌표계를 가지고 있게 되고, 상대적으로 운동하는 경우 관찰이 대상이 무엇이든 그 관찰되는 속도는 상대속도만큼 차이가 나게 되기 때문이다. 참고로 상대운동하는 두 관찰자의 관측 결과에 대한 고전역학의 이러한 가정을 갈릴레이의 상대성이라고 한다.
위에서 말한 두 가지 가정이 모두 사실이라면, 시간과 공간이 절대적이고 독립적이지 못하다는 것은 필연적이다. 두 관찰자의 시간, 공간 좌표는 로런츠변환에 의해 연결된다. 관찰자에 따라 두 사건이 일어난 시간 간격이 달라지기 때문에 시간 지연의 현상이 일어나게 된다. 공간도 마찬가지여서, 빠르게 운동하는 물체가 그 운동 방향에 대해 간격이 줄어드는 것으로 관측되는 길이 수축 현상이 생긴다. 빛의 속도는 물체가 가질 수 있는 최대의 속도값으로 기능하기 때문에, 물체의 속도가 커질수록 같은 힘을 가해도 더 가속되기가 어려워진다.
일반상대성이론
일반상대론은 뉴턴의 중력 이론을 대체하는 아인슈타인의 중력 이론이다. 뉴턴 이론이 기반하고 있는 운동학의 기본적 가정들을 특수상대론에서 폐기했기 때문에, 뉴턴의 중력 이론이 그 자체로는 특수상대론과 조화를 이루지 못하는 것은 당연한 일이다. 특수상대론을 발표한지 10년 후인 1915년에 발표되었다.
일반상대론의 기반이 되는 핵심적 원리는 등가원리이다. 이것은 가속운동과 중력을 받는 것 두 가지는 구분할 수 없다는 주장이다.
원래 특수상대론은 엄밀히 말해 두 관찰자가 서로 등속운동을 하는 경우에만 적용된다. 외부의 영향을 받거나 해서 가속운동을 하는 경우에는 적용할 수 없고, 더 일반적인 물리 법칙이 필요하다. 일상생활에서 자동차가 출발하거나 엘리베이터가 움직이기 시작하거나 할 때 느낄 수 있듯이, 운동이 변화하는 경우 우리는 외력을 받는 것처럼 느낀다. 뉴턴역학에서 이것은 관성력이라 하며, 비관성계에 있기 때문에 작용하는 것이고 실체는 없는, 일종의 가짜 힘으로 취급한다. 등가원리를 생각하게 되는 중요한 착안점은 자유낙하하는 물체가 아무런 힘도 느끼지 않는다는 것이다. 고전역학적으로는 중력의 영향과 비관성력이 정확히 상쇄되는 것이지만, 일반상대론에서는 휘어진 공간에 있는 물체가 시공간의 최단 경로, 즉 측지선을 따라 운동하는 것으로 통합적으로 이해한다. 좀 더 구체적으로, 아인슈타인의 장방정식은 물질의 에너지와 운동량이 어떻게 시공간의 측량 텐서를 결정하는지를 알려준다.
일반상대론의 예측은 여러 가지 예에서 정밀하게 실험과 일치한다는 것이 확인되었다. 우선, 아인슈타인 자신이 일반상대론을 이용하여 수성의 근일점 이동 문제를 해결하였다. 원래 뉴턴역학에서 중력은 정확히 거리의 제곱에 반비례하는데, 그 경우 행성의 궤도는 정확히 타원을 그리게 되고 시간이 지나도 그 궤도가 바뀌지 않는다. 그러나 현실에서 수성의 궤도는 타원 모양이기는 하지만 그 궤도의 방향이 오랜 세월을 거쳐 바뀌었다. 다시 말해, 태양에 가장 가까워지는 점을 일컫는 근일점의 위치가 변화했다. 이것을 설명할 수 있는 방법 중 하나는 수성의 궤도에 영향을 미치는 다른 행성이 수성과 금성 사이에 있다고 가정하는 것이다. 그러나 그런 영향을 줄 수 있는 행성은 발견되지 않았다. 아인슈타인의 일반상대론 방정식의 해를 살펴보면 중력은 정확히 거리에 제곱에 반비례하지 않는다. 그 차이가 궤도의 변화에 미치는 영향을 아인슈타인이 계산했을 때, 관측 결과인 수성의 근일점 이동을 잘 설명할 수 있었다. 이것은 너무나도 매력적인 결과였기 때문에, 이 발견 이후 아인슈타인은 며칠 동안이나 계속 흥분 상태로서 제정신이 아니었다고 한다.
대중에게 큰 영향을 미친 것은 빛이 중력에 의해 휘는 것을 확인한 1919년의 관측일 것이다. 영국의 천문학자인 아서 에딩턴(A. S. Eddington, 1882-1944)은 1919년 브라질로 가서 개기일식 중에 별들의 위치를 관측하여 그 궤도가 일반상대론이 예측하는 대로 빛이 휘게 한다는 것을 확인했다고 발표했다. 이 결과는 당시에 놀라운 소식으로 취급되어 일간신문에도 대서특필되었고 아인슈타인은 세계적인 유명 인사가 되었다.
만족스러운 답변이었나요?간단한 별점을 통해 의견을 알려주세요.상대성 이론은 시간이 절대적으로 흐르는 것이 아니라 운동하는 물체에 따라 상대적으로 흐른다는 것을 증명한 이론입니다.
빛의 속도는 약 30만km/s로 일정한데, 오직 우주에서 빛의 속도만 일정함으로써 생기는 현상입니다.
이러한 현상으로 우주선을 타고 운동을 하는 사람의 시간보다 지구에 가만히 있는 사람의 시간이 더 빠르게 지나가게 됩니다.
즉, 빠른 속도의 우주선을 타고 여행한 아버지는 딸보다 시간이 느리게 흐르게 되고
마지막에 결국 딸이 할머니가 되는 것을 보게 됩니다.
만족스러운 답변이었나요?간단한 별점을 통해 의견을 알려주세요.