아인슈타인의 상대성이론에 대한 고찰

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아인슈타인의 상대성이론에 대한 고찰에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

은 이론인지는 이 극단적인 경우에 행한 실험으로 판가름이 날 수 있다.
그러면 사과가 떨어지면서 왜 점점 더 빨리 떨어질까? 뉴턴 역학에서는 중력이 작용하여 가속도가 생기기 때문이라고 말한다. 일반 상대성 이론에서는 중력이란 없다고 본다면 어떻게 빨라지는 것일까? 지구는 주위 공간의 시공간 구조를 바꾸어 놓는다. 그래서 위에서 본 것처럼 지구에 가까이 올수록 시간이 느려진다. (극단적인 경우인 블랙홀에서는 시간이 정지한다.) 시간이 느려진다는 것은 사과의 진동수가 작아진다는 것을 의미한다. 진동수가 작아지면 E=hf 로 주어지는 사과의 에너지가 감소한다. 그런데 사과는 힘을 받지 않음으로 사과의 총에너지가 일정하게 유지되어야 한다. 충 에너지를 일정하게 유지시켜 주기 위하여 사과의 속도가 빨라진다. 일반 상대성 이론에 의해 지구 주위 공간의 시간 변화를 정확히 계산하여 사과의 속도가 증가하는 비율(가속도)을 계산하면 우리가 관찰하는 자유 낙하하는 물체의 중력 가속도와 일치한다.
그러면 지구 주위를 선회하는 인공위성의 경우에는 어떠한가? 뉴턴 역학은 지구가 인공위성을 잡아당기는 중력이 구심력으로 작용하여 인공위성이 원운동을 한다. 일반 상대성 이론에서는 공간 구조상의 궤도를 따라 그대로 움직이지만 시간 구조가 일정하기 때문에 빠르기가 바뀌지 않고 원운동을 한다.
일반 상대성 이론이 1916년에 발표된 후 태양 주위를 지나는 빛이 휘는 현상을 관찰하여 공간의 구조가 휜다는 점은 증명되었지만 오랫동안 중력이 시간 구조도 바꾸리라는 예언에 대해 확신을 가질 수가 없었다. 그러나 원자 시계가 출현함으로써 중력이 시간에 미치는 영향을 직접 측정할 수 있게 되었다. 1975년에서 1976년에 걸쳐 미국에서는 해군 비행기를 이용하여 원자시계를 싣고 평균 고도 10 km 를 유지하면서 지상의 원자시계와 3분마다 비교하였다. 그 결과 비행기의 시계가 1시간마다 10억분의 1초씩 더 빨리 감을 확인할 수 있었다. 이것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 1% 밖에는 차이가 나지 않는 결과이었다. 이 실험은 갈릴레오의 피사의 사탑 실험과 비견될 만큼 중요한 실험이었다.
공간이 휘었다는 것을 어떻게 이해하여야 할까? 일반 상대성 이론이 나오기 전까지 공간이란 빛이 직진하는 틀로 보았다. 그래서 공간에서 직선은 빛이 진행하는 경로와 같았다. 그런데 빛이 휘어져 진행한다면 어떻게 이해할까? 빛이 어떤 힘을 받고 직선에서 벗어나는 곡선을 그리며 진행하였다고 이해하기 보다는 공간 자체가 휘어져 있다고 이해하는 것이 옳다. 즉 빛은 최대한 똑바로 진행한 것이다. 빛이 진행한 경로가 두 점을 있는 최단 거리이기도 하다.
다른 방법으로 공간이 휘어있는 것을 이해하여 보자. 한동안 사람들은 지구 표면이 평평한 것으로 믿었다. 그래서 바다에서 멀리 항해하여 지구의 끝에 이르면 지옥으로 향하는 절벽으로 떨어질 것으로 생각하였다. 그렇지만 알고보니 지구 표면이 평평하지 않고 둥글다는 것을 알게 되었다. 그렇지만 우리 운동장 표면이 평평하지 않고 둥근 구 표면이라는 것을 어떻게 알 수 있을까? 운동장에 원을 그리고 그 원의 둘레를 정확히 측정한 다음에 원의 중심에서 둘레까지의 거리인 원의 반지름을 가지고 비교하여보면 알 수 있다. 만일 운동장 표면이 평평하다면 원의 둘레 l 과 반지름 R 사이에는 l=2 x 3.14 x R 이라는 등식이 성립한다. 그런데 오른쪽 그림에서 볼 수 있는 것처럼 만일 운동장 표면이 구의 일부와 같다면 원둘레 l 이 반지름 R 에 2x3.14를 곱한 것보다 더 짧다. 측정한 원둘레를 2x3.14로 나누어 구한 반지름과 측정한 반지름 사이의 차이를 굽은 표면의 잉여반경이라고 부른다.
3차원 공간의 경우에는 공간이 휘었는지 안 휘었는지 구분하기 어렵지만 위와 비슷한 측정을 해보면 쉽게 알 수 있다. 이번에는 공간에 구를 그린다. 그리고 그 구 표면의 넓이를 측정한다. 그리고 그 구의 중심에서 구 표면까지의 거리인 반지름을 측정한다. 만일 공간이 평평하다면 반지름에 4x3.142를 곱한 것이 측정한 구 표면 넓이과 같을 것이다. 만일 측정한 구 표면 넓이가 이보다 더 작다면 공간이 휘어있는 것을 나타낸다.
실제로 지구 표면의 넓이를 계산하면 지구 반지름을 가지고 계산한 넓이보다 약 7만평 정도가 더 작다고 한다. 일반 상대성 이론에 의해 중력이 공간을 휘게하여 보통 대학교 운동장 몇배 정도의 넓이가 손실되었다. 태양의 표면 넓이는 미국의 전체 넓이만큼 줄어져 있다고 한다.

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상대성이론,   중력,   시공,   가속도,   아인슈타인