상대성이론과 시공간

소개글

상대성이론과 시공간에 대한 보고서 자료입니다.

목차

서론:　뉴턴의 시공간 vs 아인슈타인의 시공간

본론:　아인슈타인의 시공간이론

결론: 아인슈타인의 시공간이론 입증

본문내용

지 법칙E = mc2 은 빛의 방향까지 예견한 것일까? 그렇다. 하지만 완벽한 것이 아닌 단지 반 정도만이다. 왜냐하면 일반상대성 이론에서는 시간도 역시 느려지므로 방향의 변화는 약 2배 정도로 커진다.
- 관측2 : 퀘이사로부터 방출되는 빛은 지구와 퀘이사 사이의 놓인 엄청난 질량을 가진 은하들이 중력렌즈로 작용하면서 휘어져 관측된다. 따라서 이러한 중력렌즈 효과로 인하여, 하나의 퀘이사로부터 여러 개의 같은 이미지의 퀘이사가, 동시에 관측되는 것도 가능한 일이다. 어떤 경우에는 지구 앞에 놓인 거대 질량의 천체 뒤에
놓인 퀘이사나 은하로부터 오는 빛들이 휘어져 같은 이미지들을 반지 모양으로 늘어놓기도 한다. 빛의 휘임 정도는 광원의 앞에 놓인 물체의 질량에 의존하므로 우리는 지구와 광원 사이에 놓인 은하들의 총 질량을 결정할 수 있다.
아인슈타인의 십자가는 퀘이사 앞에 놓인 은하가 중력렌즈로 작용하여 동시에 4개의
같은 이미지의 퀘이사를 만들어낸 대표적인 예이다.
아래의 사진은 허블 우주 망원경이 찍은 것으로, 그림 앞부분에 있는 은하단에 의해 은하단 뒤의 은하가 휘어져 관측되는 것을 보여준다. 그림의 중앙부 주변에 보이는 옅은 푸른색 원호가 중력 렌즈 된 은하이다.
2.예측 : 시간은 큰 질량체 근처에서 "더" 느려진다 . 이것을 시간지연이라 부른다. 예를 들어, 거대 질량체 위의 한 사람(사람A) 이 멀리 떨어진 다른 중력체에 살고 있는 사람(사람B)에게 매 초마다 신호광을 보낸다고 하자. 단, 거대 질량체 위에 살고 있는 사람이 가진 시계에 따라 매 초를 잰다. 다른 중력체의 사람 B는 사람 A가 보내는 간격 1초보다 더 길어진 시간 간격으로 그 신호를 받게 될 것이다. 이는 거대 질량체(더 큰 중력장)에서 시간이 더 느리게 흐르기 때문이다.
- 관측 : a)지상으로부터 매우 높은 위치에서 날고 있는 비행기의 시계가 지상에서 보다 더 빨리 흐른다. 그러나 실제로 지구의 질량이 작으므로 그 효과는 매우 작다. 따라서 극명한 차이를 감지하기 위해서는 원자시계를 사용해야 한다.
b)GPS(Global Positioning Satellite)시스템은 반드시 일반상대성 이론의 효과를 고려해야 한다.
3.예측 : 거대 질량체로부터 탈출한 빛은 반드시 에너지를 잃는다.- 광속은 항상 일정하므로 그 빛의 파장은 길어지게 된다. 즉, 표면중력장이 강하면 강할수록 그 곳에서 탈출하려는 빛은 에너지를 더욱 많이 잃고 파장은 더 길어지는 것이다.
이것은 시간지연 효과의 결과이다. 거대 질량체위의 사람A가 다른 중력체위의 사람 B에게 모든 시간동안 특정 주파수 f대의 빛을 보내기로 했다고 가정하자. 그러므로 매 초 f파장은 사람A를 규칙적으로 떠나가게 된다. 사람 B는 시간 간격 (1+z)초에서 그 파장을 받는다. 이 때 사람 B는 실제로 주파수 f/(1+z)대의 파장을 감지하게 된다. 광속"c=주파수 f×파장"임을 명심하라. 만일 주파수가 (1+z)배로 감소한다면 파장은 반드시 (1+z)배로 증가 한다 :
lat B = (1+z) × lat A.
도플러 효과에서 이러한 파장의 길어짐을 적색편이라 부른다. 중력에서는 이 효과를 중력적색편이라고 한다.
- 관측 : 백색왜성의 가장 외곽부에서 측정된 스펙트럼선들은 고밀도의 태양질량 물체에서 예측된 만큼 적색편이 되었다. 그 백색왜성은 주계열성인 동반성을 가진 쌍성계의 별이므로 일반 도플러 효과에 의한 총 편이의 양이 결정될 수 있다. 블랙홀의 사상면 안쪽에서, 빛은 무한하게 긴 파장으로 적색편이 된다.
4.예측 : 질량을 가진 물체들은 운동하는 동안 반드시 둘러싸고 있는 시공간에 중력파라는 미세한 진동을 만든다. 이것은 이 파장들이 시공간을 통해 이동하는 것이 아닌 시공간의 진동, 그 자체인 셈이다! 이 시공간의 진동은 광속으로 움직이지만 그 움직임의 파장은 매우 작고 감지하기는 더욱 어렵다.
- 관측 : 아직까지 어떠한 민감한 감지기도 거대 질량체의 움직임에 의한 시공간의 그 미세한 지연- 수축 현상을 직접적으로 감지해 낸 적이 없다. 그러나, 1974년 Russell Hulse 와 Joseph Taylor에 의해 발견된 쌍성 펄서계가 보여주는 점진적 궤도크기의 수축현상만이 중력이 에너지를 외부로 내보냄을 보여주고 있다. 이러한 관측은 매우 강한 중력장에서 일반상대성 이론의 예측을 증명한다.
결론: 아인슈타인의 시공간이론 입증
2004년 발사된 미 항공우주국의 '중력 탐사선 B'가 모은 데이터를 근거로 미국 스탠포드 학의 과학자들이 아인슈타인 일반 상대성 이론의 핵심 예언 중 한 가지를 입증하는데 성공했다.
무거운 볼링공을 고무판 위에 올려놓으면 고무판은 볼링공의 무게 때문에 움푹 들어가게 된다. 같은 방식으로 지구도 주위의 시공간을 왜곡한다는 것이 아인슈타인의 주장이었으며 이런 현상을 측지 효과(geodetic effect)라 부른다.
한편 고무판 위의 볼링공이 회전하면 주변의 고무판을 끌어당기기 시작할 텐데, 지구 또한 주위의 시공간을 끌어당길 것이다. 회전하는 댄서의 스커트가 말려 돌아가 현상에도 비유할 수 있는데, 이것이 좌표계 이끌림(frame dragging)이다.
중력 탐사선 B는 극도로 정확한 자이로스코프(회전의(回轉儀)) 네 개를 이용해 아인슈타인 상대성 이론의 두 가지 효과를 측정했다. 이들 효과가 실재한다면 일 년에 걸쳐 자이로스코프의 회전 각도에 미세한 변화를 일으켜 0.0018° 기우러지게 된다. 탐사선의 데이터를 분석한 과학자들은 측지 효과가 실제로 존재함을 확인하는 데 성공했다.
스탠포드 대학교의 연구팀은 보도 자료를 통해 중력탐사선 B의 데이터는 아인슈타인이 예측한 측지 효과를“1% 이상의 정확도(a precision of better than 1 percent)”에서 확인했다고 주장했다.
측지 효과에 비해 1/170로 미약한 좌표계 이끌림 현상은 추가로 8개월가량의 분석 작업이 진행되면 밝혀질 수 있다고 한다.
아인슈타인의 천재적인 상상력에 따른 이론이 사실로 밝혀지고 있는 것이다.
[과학의 역사와 미래]
아인슈타인의
상대성이론과
시공간
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