상대성이론, 쉽게 이해하기1은 특수상대성이론에 관한 내용입니다.
특수상대성은 빛에 관한 이야기입니다.
<특수상대성이론의 핵심>
1. 빛은 초속 30만 Km에 절대속도를 갖는다.
2. 속도가 빨라질수록 시간은 느려진다.
3. 속도가 빨라질수록 질량은 증가한다.
오늘은 일반상대성이론입니다.
일반상대성이론은 중력(=가속도)에 관한 것입니다.
1905년 특수상대성이론을 발표한 아인슈타인은 1916년에 일반상대성이론을 발표합니다.
우선 뉴턴의 만유인력에 대해서 알아보겠습니다.
뉴턴은 생각했습니다. 땅에 있는 물건은 떨어지는데, 하늘에 있는 달은 왜 안 떨어질까?
마찰이 없는 경사면에 공을 놓으면, 공은 반대쪽의 같은 높이까지 올라갔다가 옵니다.
경사면이 평행이면, 공은 계속해서 갑니다.
그렇다면, 지구에서는 어떻게 될까요? 농구공을 던지면 공은 떨어집니다. 세게 던지면 더 멀리 가서 떨어집니다.
그런데 공을 안 떨어지게 하는 방법이 있습니다.
공이 떨어지기 직전에 땅을 내리면 됩니다.
계속해서 땅을 내리면 원입니다. 이것이 지구입니다.
이렇게 하면 공은 계속 지구를 돕니다. 사실 공은 떨어지고 있는 거죠.
이것이 뉴턴의 생각입니다.
이 생각을 적용한 것이 인공위성입니다. 인공위성은 중력 때문에 계속 떨어지고 있는 겁니다.
그럼 사과와 달은 왜 떨어질까?
뉴턴은 서로 잡아당기는 힘 때문이라고 생각합니다.
두 물체가 있습니다. 서로 잡아당깁니다. 질량이 클수록 힘이 세집니다.
이것이 만유인력의 법칙입니다.
같은 힘이 잡아당긴다면, 사과와 달이 떨어지는 거리는 같아야 합니다.
뉴턴은 이걸을 증명였습니다.
질량이 있는 것들은 잡아당긴다. 가까이 있을수록 더 잡아당긴다.
이제부터 아인슈타인의 생각입니다.
무중력상태에서 우주선이 속도를 내면, 무중력의 상태가 변합니다.
가속하면 우주선의 있는 사람의 몸은 뒤로 붙게 됩니다. 자동차가 속도를 낼때 우리의 몸이 뒤로 가는 원리와 비슷합니다.
가속도를 이길려면, 힘을 들여 몸을 일으켜 세우면 됩니다.
이것은 지구와 상황과 같습니다. 지구가 우리를 잡아당기는 것과 가속하는 우주선에 있는 것과 같습니다
가속도는 중력과 같은 것이다.
그렇다면 가속도의 문제를 풀면, 중력의 문제도 풀리게 됩니다.
이슬람교도들은 하루 5번, 메카를 향해서 기도를 합니다.
워싱턴에서 메카는 동북쪽입니다. 그런데 지도상에서 동북쪽으로 선을 그으면 러시아를 거쳐 시베리아로 갑니다.
왜 그렇까요?
이것을 풀려면 지구본이 있어야 합니다. 지구본에서 동북쪽으로 향하면 메가가 나옵니다.
구에서는 빠른 선이 평면에서 휘어집니다.
공간이 휘어져 있는 것입니다.
지구에서 땅에 닿아 있는 우주선과 공중 줄에 매달린 우주선이 있습니다. 둘 다 중력의 영향을 받습니다.
여기서 사과를 밀면 사과는 떨어집니다.
그러나 줄에 매달린 우주선의 줄을 자르면, 우주선은 밑으로 떨어지면서 중력이 사라집니다.
우주선이 떨어질 때 사과를 밀면, 사과는 일직선으로 갑니다. 이 상태는 무중력 상태와 같습니다.
우주선이 가속하면, 사과는 아래로 떨어집니다. 우주선 바닥이 올라오기 때문에 휘어지면서 떨어집니다.
사과가 떨어진 게 아니라, 공간이 휜 겁니다. 공간이 변한 겁니다.
빛도 휩니다.
질량이 있는 곳에 공간은 휘어집니다.
태양 주변도 마찬가지입니다.
지구, 달, 태양이 일직선에 있으면 일식이 일어납니다. 태양이 달에 가려서 안 보입니다.
태양 뒤에 있는 별도 안 보여야 합니다.
그런데 태양 뒤에 있는 별이 보입니다.
1919년 아프리카에서 에딩턴이 태양 뒤에 있는 빛을 직접 사진으로 촬영하였습니다.
태양 뒤에 있는 별빛은 직진하지만 휘어진 공간을 따라서 온 겁니다.
중력은 잡아당기는 힘이 아니라, 공간의 휘어짐 때문에 생긴다. 이것이 아인슈타인의 생각입니다
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뉴턴의 이론에 따르면 빛은 질량이 0이므로 중력의 영향을 받지 않습니다.
그런데 빛이 중력에 의해 휘어졌다는 것은 중력이 끌어당기는 힘이 아니라 공간의 휘어짐입니다.
중력은 공간의 휘어짐이다. 이것이 아인슈타인의 일반상대성이론입니다.
이로서 뉴턴의 시대가 가고, 아인슈타인의 시대가 왔습니다.
가속도가 커질수록 시간은 느려진다.
중력이 커질수록 시간은 느려진다.
빛의 속도에 근접할수록 질량은 증가한다.
질량이 커질수록 중력도 커진다.
P.S
질량이 커질수록, 시공간의 곡률은 무한대로 커지고, 결국 빛조차 빠져나올 수 없는 곡선을 만들어 낸다. 이것이 블랙홀입니다.
그리고 아주 큰 질량을 만들 수 있다면 공간은 크게 휘어집니다. 그러면 상상속으로만 존재하는 순간이동도 이론상으로 가능합니다.
글쓴이
김민우
