상대성 이론 정의
상대성이론은 상대론 또는 상대성이론이라고 불린다. 알베르트 아인슈타인, 헨드릭 로런츠와 같은 물리학자들과 앙리 푸앵카레, 마르셀 그로스만, 다비트 힐베르트, 헤르만 민코프스키와 같은 여러 수학자들에 의해 완성된 이론이며 시간과 공간에 대한 물리 이론이다. 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론으로 나눠지며 상대성 이론에 따르면 서로 다른 상대 속도로 이동하는 관측자들은 같은 사건에 대해 서로 다른 공간과 시간에서 발생된 것으로 얘기한다. 하지만 물리 법칙의 내용에 따르면 관측자 모두 서로에 대해 동일하다.
상대성 이론은 단순 자연 법칙이 아니라 사고 체계라고 생각할 수 있다. 상대성 이론은 사람들의 인식에 대해 큰 반향을 일으킨 법칙이다. 추상적인 수학 개념과 함께 세밀한 관측은 자연을 이해하는 중요한 키라고 알려준 갈릴레오 갈릴레이와 아이작 뉴턴이 풀지못한 측정의 대상이 되는 물체와 측정의 기준이 되는 좌표간의 이해를 위해 상대성이론이 시작되었다.
특수 상대성 이론
특수 상대성 이론은 시간과 공간의 구조에 대한것으로 아인슈타인은 1905년의 논문 운동하는 물체의 전기역학에 대하여를 통해 특수 상대성 이론을 처음 주장했다. 특수 상대성 이론의 경우 맥스웰의 전자기학이 고전역학에서 갈릴레이가 주장한 대칭성을 지키지 않는다는 모순을 이해하기 위해 성립되었다. 전자기학을 통해 전자기파의 속도를 측정할 수 잇는데 이렇게 계산된 전자기파의 속도는 관측자의 상대 속도와 상관없는 상수이며 이는 갈릴레이의 대칭성을 위반한다. 이 문제를 해결하기 위해서 알베르트 아인슈타인은 두 개의 공준을 사용했고 그 공준에 따르면 자연계에서는 갈릴레이의 대칭성 대신 로런츠의 대칭성을 따른다는 것을 확인했다.
특수 상대성 이론은 관성 좌표계의 관측자가 자신의 절대운동을 측정을 못한다고 생각하고 진공에서 빛의 속도는 관성 좌표계에 존재하는 관측자 모두는 동일하다고 가정을 한다.
특수 상대성 이론은 두개의 공준만을 기본으로 하며 이를 통해 서로 다른 결론을 내릴수 있다.
첫번째로 진공에서의 빛의 속도는 모든 관측자에게 동일하다. 두번째로 모든 관성좌표계에 있는 관측자에 대해서는 물리 법칙은 동일하다 이다.
첫번째 공준을 고전역학에서 갈릴레이가 주장한 대칭을 부정하고 두번째 공준의 경우 역학에서의 상대성 원칙이 전자기학까지 넓힌 것이다. 이 두가지 공준을 통해 다음과 같은 현상들을 예상할 수 있다.
우선 시간 확장의 경우 움직이는 물체 내에서의 시간 변화는 외부관찰자에게는 시간은 천천히 변하는 것으로 보이며 길이 축소의 경우엔 외부 관찰자의 눈에 움직이는 물체는 외부관찰자에게 인식되는 움직이는 방향으로 짧게 보인다. 동시성의 상대성은 관찰자 A의 눈에 동시에 일어난 두 사건의 경우 A에 대해 상대운동을 하는 외부관찰자 B는 동시에 일어난 것으로 취급하지 않는 것이다. 질량과 에너지의 동등성은 E=mc^2 공식을 통해 에너지와 질량은 등가이며 변환이 가능하다는 것을 나타낸다.
특수 상대성 이론을 통해 예측할 수 있는 현상은 몇가지 있지만 대표적인 현상은 시간 팽창이다. 빛을 이용하여 작동하는 시계가 있다고 가정해보면 이 시계 한쪽에는 에미터에서 빛을 매우 짧은 간격으로 배출해내고 있고 반대쪽으로 디텍터가 그 빛을 받아들여 1초를 계산한다. 시계가 움직이지 않으면 이 시계는 시간을 1초마다 움직일 것이다. 계속해서 이 시계를 통해 빛의 진행 방향을 예측해보면 시계를 움직이는 관성계 안에 놓게되면 관성계에서는 시계는 움직이지 않고 이 시계는 앞서서와 마찬가지로 1초마다 시간을 측정한다. 이제 관성계에서 다른 관성계를 바라보면 빛의 속도는 일정하지만 다른 관성계에서 배출된 에미터의 빛이 디텍터에 닿게되면 디텍더는 이동을 하게된다. 이동한 거리만큼 이 빛 또한 이동을 해야 디텍터에 닿게 되는데 이것이 시간은 1초보다 더 걸린다는 것이다. 즉 관성계에서 다른 관성계를 보는 사람에게 다른관성계의 시간은 언제나 느리게 가는 것이다.
일반 상대성 이론
일반 상대성 이론의 경우 아인슈타인이 1915년에 발표를 했고 일반 상대성 이론은 특수 상대성 이론의 큰 확장된 이론이라고 이해하면 된다. 이 이론은 뉴턴의 고전물리학의 오류를 확인했고 새로운 물리학 이론의 지평선을 열었다는 점에서 큰 의의가 있다.
일반 상대성 이론을 이해하기 위해 우선 한가지 가정이 필요하다. 이것은 등가원리로 가속 좌표계에서 지구에 의해 발생되는 중력과 중력가속도와 같은 크기의 가속도는 중력의 작용방향과 반대방향으로 이동하는 것으로 인한 관성력은 구별될 수 없다이며 다시 말하자면 관성 질량과 중력질량은 동일한 값을 갖는다는 것이다.
일반 상대성 이론의 첫번째는 시공간은 일반 상대성 이론에서 시공간은 4차원으로 시간과 공간이 혼합된 형태의 연속체인것으로 아인슈타인이 규명했다. 뉴턴은 시간과 공간은 분리되어 서로 영향을 주지 않는다고 생각을 했지만 아인슈타인의 경우 사고실험을 통해 시간과 공간이 서로 상호작용하고 공간위에 있는 질량을 가진 물체로 인해 공간이 휘어진다고 주장했다.
두번째로 중력은 아인슈타인은 뉴턴의 중력을 가속운동계에 적용했고 이는 중력가속도 크기만큼 가속되는 가속계 안의 물체와 중력을 받고 있는 물체는 서로 구별이 불가하다는 이론으로 가속계를 관성계로 해석이 가능하다는 것을 알려줬다.
세번째로 중력으로 인한 시간팽창 위에선 가속계는 관성계로 표현될 수 있다고 했다. 이를 통해 가속계의 물체는 관성계에서 이동하는 물체로 가정할 수 있고 특수 상대성이론을 통해 시간 지연이 일어난다는 것을 알게 되었다. 결과적으로 중력을 받는 물체는 그 물체에서 흐르고 있는 시간은 느려진다.
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