상대성 이론

상대성이론(독일어: Relativität stheorie, 영어: theory of relativity) 또는 상대론(독일어: Relativität, 영어: relativity, 문화어: 상대성)은 알베르토 아인슈타인, 헨드릭 로렌츠 등 여러 물리학자들과 앙리 푸앵카레, 헤르만 민코프스키, 다비트힐베르트, 마르셀 그로스만 등 많은 수학자들에 의해 완성된 이론으로 시간과 공간에 대한 이론입니다. 특수상대성이론과 일반상대성이론으로 나뉩니다. 상대성 이론에 따르면 서로 다른 상대 속도로 움직이는 관측자들은 같은 사건에 대해 서로 다른 시간과 공간에서 일어난 것으로 측정하고, 대신 물리 법칙의 내용은 관측자 전원에 대해 서로 동일합니다.
상대성이론은 단순한 자연법칙이 아니라 일종의 사고체계라고 할 수 있습니다. 상대성 이론은 인식에 대한 대변혁을 일으킨 것입니다. 추상적인 수학 개념과 세밀한 관측이 자연을 이해하는 열쇠가 된다고 알려준 갈릴레오 갈릴레이와 아이작 뉴턴이 해결하지 못한, 측정의 대상이 되는 물체와 측정의 기준이 되는 기준 좌표계의 관계를 이해하기 위한 고민에서 상대성 이론이 시작되었다고 할 수 있습니다.

일반상대성이론은 1915년에 아인슈타인이 발표했습니다. (프로이센 과학 아카데미에서 1915년 11월 25일 제출) 일반상대성이론은 특수상대성이론의 확장판이라면 이해하기 쉬울 것입니다.

가속좌표계에서 지구에 의해 생기는 중력과 중력가속도 g와 같은 크기의 가속도 a에서 중력의 작용방향과 반대로 운동하는 데 따른 관성력은 구분할 수 없습니다. 즉 관성질량과 중력질량이 같은 측정치를 갖는다는 것입니다.
시공간 일반상대성이론에서 아인슈타인은 '시공간은 4차원, 즉 시간과 공간이 결합된 형태의 연속체'임을 규명했습니다. 뉴턴이 시공간이 시간과 공간으로 분리되어 서로 영향을 주지 않는 또 다른 공간이라는 점과 공간상의 한 점에 위치한 물체에 어떠한 영향도 받지 않는다고 생각한 반면 아인슈타인의 사고 실험에서 아인슈타인은 시공간이 상호작용하는 것과 공간상에 위치한 어떤 질량을 가진 물체에 대해 공간이 휘어지는 것을 제시했습니다.
아인슈타인은 뉴턴의 중력을 가속 운동계에 적용시켰습니다. 그는 중력가속도 g의 크기만큼 가속하는 가속도계 내 물체와 중력을 받고 있는 물체는 서로 구분이 불가능하다는 이론을 내세움으로써 가속도계를 관성계로 해석할 수 있음을 보여주었습니다.
중력에 의한 시간팽창 위에서 가속계도 관성계로 인식할 수 있다고 했습니다. 따라서 가속계 물체는 관성계에서 물체의 이동으로 판단할 수 있으며 특수상대성이론에 의해 시간지연이 일어나는 것을 알 수 있습니다. 이로 인해 중력을 받는 물체는 그 물체에 흐르는 시간이 늦어집니다.

 

공간왜곡으로 일어나는 현상은 다음과 같습니다.

 

빛의 휘어짐: 빛의 움직임을 가속운동계에 적용시켜 보면 그 빛이 휘어지는 것을 알 수 있을 것입니다. 따라서 중력에 의해 빛이 휘어진다는 것을 알 수 있습니다

중력렌즈 효과: 이는 일식이 일어날 때 관측할 수 있는 현상인데 바로 태양 뒤에 위치해 숨어 있던 천체가 태양의 중력에 의한 영향으로 그 빛이 휘어져 우리 눈에 들어오는 것입니다.

블랙홀: 질량이 매우 큰 천체는 공간을 심하게 왜곡하여 빛까지 삼킬 수 있습니다.

5. 일반상대성이론의 증거

①에딩턴의 태양 일식관측 : 지구에서 별을 관측할 때 별과 지구 사이에 태양이 있을 때와 없을 때 별의 관측위치를 비교하여 빛이 휘어지는 것을 관찰합니다.

② 수성 세차운동 : 뉴턴 이론에 따라 계산하면 100년간 574㎡ 이동해야 하는데 실제 세차운동 관측 결과 43㎡ 정도 오차가 났습니다. 하지만일반상대성이론에시공간의곡률을고려한결과이차이를정확하게설명합니다.

③ 중력렌즈: 중력이 렌즈처럼 빛을 구부리는 현상입니다. 대표적으로 퀘이사가 있다.(퀘이사는 은하의 중력 때문에 지구에서 4개의 빛나는 쌍둥이 별로 오인했습니다.)

④ 중력파 : 천체의 중력붕괴나 초신성 폭발과 같은 우주현상으로 발생하며 시공간의 왜곡이 광속으로 파도처럼 전달되는 것을 말합니다.이전까지 발견되지 않았지만 최근 블랙홀에서 발견되었습니다.

⑤ GPS : 인공위성이 움직이기 때문에 시간차가 생기지만 속도와 중력의 작용을 고려하여 보정해야 합니다.

 

오늘은 간략하게 상대성이론에 대해서 알아보았는데요.

역시나 어렵네요.

앞으로 더욱더 자세한 내용을 알아보겠습니다.