상대성 이론(Theory of relativity) 또는 간단히 상대론(Relativity)은 일반적으로 아인슈타인의 두 가지 이론인 특수 상대성 이론(Special relativity)과 일반 상대성 이론(General relativity)을 가리키는 말입니다.
'상대성 이론'이라는 용어는 1908년, 막스 플랑크가 특수 상대성 이론(나중에는 일반 상대성 이론)이 상대성 원리를 사용한다는 것을 강조하기 위해 처음 쓰였습니다.
특수 상대성 이론은 시공간의 구조에 관한 이론입니다. 1905년에 아인슈타인이 쓴 On the Electrodynamics of Moving Bodies라는 논문에 소개되었습니다. 하지만 이 용어는 1632년 갈릴레오 갈릴레이의 Dialogue concerning the World's Two Chief Systems에 처음으로 쓰였습니다. 그러나 갈릴레오 갈릴레이의 것에는 결함이 있었습니다. 이를테면 갈릴레오 갈릴레이는 지구의 회전이 조수간만(밀물과 썰물)을 만들어낸다고 생각했습니다. 특수 상대성 이론은 고전 역학에 상반되는 다음 두 가지 가설에 기초하고 있습니다.
- 상대성 가설 : 물리 법칙은 모든 관성 기준틀의 관측자에게 동일하다.
- 광속 불변의 가설 : 진공에서 빛의 속력(광속)은 모든 관성 기준틀에서 모든 방향에 대하여 동일하다.1
이 가설을 이용하여 만들어진 이론은 많은 놀라운 결과를 이끌어냅니다. 그 가운데 몇 가지를 예로 들면 다음과 같습니다.
- 동시성의 상대성 : 어떤 관측자에게 동시에 일어난 두 사건은 상대적으로 운동하는 다른 관측자에게는 동시에 일어나지 않을 수 있다.
- 시간 팽창 : 움직이는 시계는, 시계와 같이 움직이는 관측자에게 보이는 '정지해 있는' 시계보다 느리게 움직이는 것으로 측정된다.
- 길이 수축 : 물체가 관측자에 상대적으로 운동할 때, 상대적으로 운동하는 방향의 물체 길이는 짧게 측정된다.
- 질량-에너지 등가 법칙 :
, 에너지와 질량은 서로 동등하며 교환될 수 있다.
특수 상대성 이론의 가장 큰 특징은 고전 역학의 갈릴레이 변환을 로렌츠 변환으로 대체한 것입니다.
일반 상대성 이론은 아인슈타인에 의해 1907년~1915년에 발전된 중력에 관한 이론입니다. 일반 상대성 이론은 등가 원리에서 시작합니다. 등가 원리란 가속도 운동을 하는 것은 중력장에서 가만히 있는 것(이를테면 지구 표면에 서 있는 것)과 물리학적으로 동일하다는 이론입니다. 이것은 자유 낙하가 관성 운동이라는 결론을 이끌어냅니다. 즉, 자유 낙하하고 있는 물체가 떨어지는 것은 고전 역학에서 설명하는 것처럼 중력을 받아서 그런 것이 아니라, 물체에 힘이 작용하지 않을 때 물체가 움직이는 방식이 그렇다는 것입니다. 이것은 고전 역학과 특수 상대성 이론에 모순됩니다. 이 두 이론에서는 관성적으로 움직이는 물체는 서로에 대해 가속될 수 없는데 자유 낙하하고 있는 물체는 가속되고 있기 때문입니다. 이 문제를 해결하기 위해 아인슈타인은 처음으로 시공간은 굽어 있다는 설명을 제안했습니다. 1915년에 아인슈타인은 시공간의 휘어짐과 그 시공간에서의 질량, 에너지, 운동량을 연관시키는 아인슈타인 장 방정식(EFE, 아인슈타인 방정식)을 만듭니다.
<시공간의 휘어짐>
일반 상대성 이론의 몇 가지 결과는 다음과 같습니다.
- 더 높은 중력장에서 시간은 더 느리게 간다. 이것을 중력 시간 팽창이라고 부른다.
- 궤도는 뉴턴의 만유인력 법칙에서 예상되지 않았던 방법으로 세차 운동한다.(이것은 수성의 궤도와 쌍성 펄서에서 관측되었다.)
- 빛의 진행은 중력장에서 휜다.
- 틀끌림. 질량이 있는 물체가 자전하면 주위의 시공간은 그 회전 방향으로 끌린다.
기술적으로 일반 상대성 이론은 아인슈타인 장 방정식을 가장 큰 특징으로 한 중력 계량 이론입니다. 이 방정식의 해는 시공간의 위상과 물체가 관성적으로 움직이는 방법을 정의하는 계량 텐서입니다.
위 내용의 출처는 위키피디아(http://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_relativity)입니다. 위키피디아는 GNU 자유 문서 사용 허가서를 따릅니다. 위키피디아의 내용은 은빛냇물(http://serna.tistory.com)에 의해 번역되었습니다.
- David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. “Fundamentals of Physics: Extended 7/e.” 역자: 경상대학교, 고려대학교, 부산대학교, 서강대학교, 연세대학교, 이화여자대학교, 한양대학교 물리학과 교수 일동. (John Wiley & Sons, Inc., 역서: 범한서적주식회사, 2006), 1223쪽. [본문으로]