아인슈타인의 "상대성 이론"

상대성 이론

 

20세기에 처음으로 상대성 이론과 양자 이론이 등장했다. 전자의 물리학은 고전이었고 후자의 물리학은 현대 물리학과 구별되었다. 이것은 단순한 시간의 분열이 아니라 새로운 이론적 체계를 의미한다. 고전 물리학은 뉴턴 역학과 맥스웰의 전자기학을 중심으로, 현대 물리학은 보어, 하이젠베르크, 플랑크, 슈뢰딩거, 다일락의 아인슈타인의 상대성 이론과 양자 이론을 중심으로 이룬다.

19세기 말부터 20세기 초까지 당시 물리학에서는 설명하기 어려운 빛과 전자석의 성질과 관련된 현상이 관찰되었다. 그중 하나로서 빛의 매체에 관한 문제가 제기되었다. 빛은 매개체가 필요 없는 전자기파의 일종이지만, 당시 에테르라는 매개체가 있었다고 믿었고, 이 에테르 때문에 빛의 속도를 연구하기가 어려웠다. 그리고 고전 물리학에 속하는 뉴턴 역학과 전자기학은 상대성 이론에서 서로 다른 결과를 낳았다. 뉴턴 역학에 의한 운동 법칙은 운동 속도를 비교적 균일하게 하는 두 관성계 사이에 차이가 없다. 다시 말해서 갈릴레이 변환에 불변한 것이다. 그러나 전자기학의 법칙인 맥스웰의 방정식과 파동 방정식은 갈릴레이 변환에 변함이 없다. 또한 X선의 발견과 자연방사선, 원자핵의 발견은 새로운 물리적 이론의 필요성으로 이어졌다. 아인슈타인은 특별한 상대성 이론인 뉴턴 역학과 빛의 전자기 이론 사이의 이 모순을 해결하기 위해 공간 타임의 개념에 새로운 개념을 도입한다.

상대성이론의 발전

1905년 발표된 특수상대성이론은 변하지 않는 광속 원리에 근거하여 상대방에 대해 동등한 속도로 움직이는 두 개의 기준 프레임에서 고전적인 전자 기법을 변함없이 유지하는 새로운 건설 개념을 제시한다. 즉 빛의 속도가 모든 좌표계에서 일정하고 모든 자연법칙이 동일하다면 시간과 물체의 운동은 관찰자에 상대적이다. 또한 고전역학에만 적용되는 뉴턴의 상대성 원리는 광속 불변성의 가정에 의해 광범위하게 일반화되며, 에테르 존재는 본질적으로 부정된다.

모든 관측자가 같은 보편적, 절대적 시간을 갖는 뉴턴 역학과 달리 특수상대성이론의 시간 간격 측정은 측정되는 기준 프레임에 따라 달라질 수 있다. 즉, 어떤 기준틀 내에서 동시에 발생한 사고는 이 표준 프레임에 반하는 다른 표준 프레임 내에서 동시에 발생하지 않을 수 있다. 따라서 동시성은 절대적인 개념이 아니라 관찰자의 움직임 상태에 따라 달라진다.

 

1916년 발표된 일반상대성이론(general theory of relativity)은 상대방에 대해 서로 가속도 운동하는 기준틀로 확장하여 설명한다. 일반 상대성 이론에 따르면 가속도의 효과는 중력에 상당하며, 관찰자가 일정한 가속도를 갖는다고 해도 물리적 법칙은 변하지 않는다는 상대성 원리가 확립되어 있다. 휠러는 일반적인 상대성 이론을 다음과 같은 한 문장으로 요약했다: 1979년 존 휠러, "공간은 물질이 물질로 이동하는 방법과 물질이 우주로 구부러지는 방법을 보여준다."

 

상대성이론의 원리

상대성 이론의 일반 원리에 따르면, 공간 시간은 중력에 따라 변한다. 중력의 장소에서의 시간은 중력이 약한 장소에서의 시간보다 느리다. 이에 따라 강한 중력장의 원자에서 방출되는 빛의 주파수는 약한 중력장의 같은 빛의 주파수보다 낮은 주파수를 향해 붉은색으로 이동한다. 이 중력 적색 운동은 무거운 별의 원소에서 방출되는 스펙트럼 라인에서 관측되었다

 

움직이는 기존틀의 시계는 고유 시간보다 더 느리게 진전된다. 이 효과를 시간 지연이라고 한다. 고유 시간은 관찰자가 시계에 대해 측정한 시간이다. 이는 1976년 유럽 원자력협의회(CERN) 연구실에서 뮤온의 수명을 측정해 검증한 것으로, 비행 제트기에 설치된 원자시계의 시간과 미 해군 천문대의 기준 원자시계의 시간 간격을 비교한 실험(Hafere & Keating, Science, 1972년)에서도 확인됐다. 기준 프레임에 대해서도 동일한 방법으로 서로 다른 측정이 수행된다. 관찰자가 객체로 이동하는 기준 프레임에서 측정한 객체의 길이는 항상 특성 길이보다 짧다. 이 효과를 길이 수축이라고 한다. 물체의 고유 길이는 물체에 대해 가만히 서 있는 관찰자가 측정한 거리다. 특수상대성이론은 전자기 이론을 명확히 했을 뿐만 아니라 원자핵과 입자의 후속 연구를 위한 수단으로써 중요한 역할을 했다.

아인슈타인은 중력의 영향을 "공간 시간의 곡선"이라고 설명하면서 적절한 가속도 기준 프레임을 선택하여 중력장을 변환하고 제거할 수 있다고 제안했다. 이에 따르면 중력은 없지만 질량의 존재만으로도 질량을 중심으로 시공간의 곡선이 발생하며, 이 곡률 성은 모든 자유롭게 움직이는 물체가 따라야 하는 시공간의 경로를 결정한다. 일반 상대성 이론에서 중요한 예측 중 하나는 태양 가까이 지나가는 빛이 태양에 의해 야기되는 공간 시간의 곡률에서 구부러져야 한다는 것이다. 이는 1919년 발생한 개기일식 중 별빛이 태양을 통과하면서 휘어지는 현상을 관찰해 검증됐다. 일반 상대성 이론은 중력이 작용하는 팽창 우주론, 블랙홀과 같은 우주 현상을 설명하는 데 사용된다. 입자물리학에서 힘을 통일하려는 시도에서도 중요한 이론이다.