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[현대] 상대성이론 (두산)
상대성이론 theory of relativity 相對性理論 아인슈타인에 의하여 제창된 현대물리학상 중요한 이론. I. 개관 상대론이라고도 한다. 1905년 제출된 특수상대성이론과 1916년 정리된 일반상대성이론으로 이루어져 있다. 특수상대성이론은 운동에 관한 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리를 근본적으로 개혁하여, 서로 등속도로 운동하는 관측자에 대하여 전자기파의 이론을 포함한 모든 물리법칙이 같은 형식으로 기술되도록 정식화(定式化)되어 있다. 일반상대성이론은 중력(重力)을 관성력(慣性力)과 동등한 것으로 간주하는 입장에서, 일정한 가속도를 가진 관측자들에게도 상대성원리가 성립하고, 물리법칙이 좌표계의 변환에 대하여 불변(不變)인 형식을 가지도록 체계화한 이론이다. 이들 이론의 가장 근본적 특징은, 관측자의 운동상태에 관계없이 절대성을 가진다고 생각되어 온 지금까지의 시간 ·공간의 개념을 부정하고, 시간 ·공간이 각각 관측자에 대하여 상대적으로만 의미를 가진다고 생각한다는 점이다. 이 때문에 이 이론에서 유도되는 논리에는 상식에서 벗어난 내용도 포함되어 있어, 양자론(量子論)과 비견되는 20세기의 물리학의 혁명적 발견도 발표 후 얼마 동안은 단지 역설적인 지적 유희에 불과한 것으로 간주되는 경향도 있었다. 그러나 광속도를 무한대로 간주할 수 있을 만큼 작은 속도를 가진 물체의 운동에서는, 극한적(極限的) 근사로서 뉴턴역학이 적용된다는 내용도 특수상대성이론에 포함되어 있다. 한편 광속도와 비교될 정도로 고속으로 운동하는 미립자의 거동이나 소립자의 생성 ·소멸 등 미시적 세계의 여러 현상의 발견으로 특수상대성이론의 정당성이 검증되었다. 또 일반상대성이론도 천문학상의 여러 사실에서 그 정당성이 밝혀졌다. 이러한 점에서 상대성이론은 물리현상을 기술하는 기초이론으로서 승인을 받게 되었다. 현재는 양자역학과 더불어 현대물리학, 특히 소립자물리학이나 우주론의 지도적 원리로 간주되고 있다. 상대성이론의 탄생은 동시에 시대의 역사적 사상(思想)에도 큰 영향을 주었다. 새로운 시간 ·공간의 구조에 대한 사상은 철학적 조작주의(操作主義) 또는 경험주의적 흐름에 자극을 주었을 뿐만 아니라 H.L.베르그송(1859∼1941)이나 J.H.C.화이트헤드(1904∼1960)의 형이상학(形而上學)의 기초가 되었다. 또 4차원 시공세계(時空世界)의 객관성이라는 착상은 회화나 문학의 전위적(前衛的) 기술에도 영향을 주고 있다. II. 원리와 광속도 물체의 운동을 논하는 데는 우선 기준이 되는 물체, 즉 기준계(基準系)를 결정해야 한다. 가령 절대정지(絶對停止)의 기준을 주는 물체가 있으면, 그것에 고정된 기준계를 근거로 한 물체의 절대운동(절대속도)을 측정함으로써 절대운동을 지배하는 법칙이 확립된다. 또 다른 기준계에 의하여 물체의 운동을 논하는 데는 기준계 자체의 절대속도를 하나의 인자(因子)로 하는 변형된 형식인 운동법칙을 적용해야 한다. 그러나 일상 경험이 가리키는 사실은 이와 달리, 서로 균일한 속도로 운동하고 있는 한, 즉 가속도를 가지고 있지 않는 한 2개의 물체상에서는 역학법칙이 완전히 같은 모양으로 성립한다는 것이 인정된다. 예를 들면, 지면에 대하여 일정한 속도로 진행하는 열차 내에서는, 물체는 지상에서의 경우와 같이 운동하고 물체를 낙하시키면 열차의 바닥에 대하여 연직으로 낙하하고, 진자를 진동시키면 지상에서 진동시킬 때와 같은 주기로 진동한다. 따라서 차내에서 물체의 운동만을 관찰하는 한, 열차가 운동하고 있는지 정지하고 있는지를 판단할 수 없다. 즉 가속도가 생기지 않는 한, 물체 내에서 그 물체 자체의 운동을 알 수가 없게 된다. 이와 같이 물체의 절대운동이라는 것은 의미를 갖지 못하고 운동은 모두 상대적이며 등속도로 운동하는 좌표계끼리는 역학법칙에 대하여 동등한 자격을 가지고 있다는 것이 갈릴레이에 의하여 이미 지적되었다. 이러한 인식 위에서 힘의 운동에 대한 효과는 가속도에 집약적으로 나타나고, 서로 등속도로 운동하는 좌표계 내에서는 불변의 형식을 가진다는 뉴턴역학이 확립되었다. 이상과 같은 운동의 상대성 개념을 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리라 한다. 그러나 순수한 역학현상 이외의 빛이나 전자기현상(電磁氣現象)에 대해서는 이 원리는 성립되지 않는 경우가 생긴다. 즉 빛의 현상을 포함한 전자기장의 기본법칙을 기술하는 맥스웰방정식[電磁氣方程式]은 어떤 기준계로부터 이것에 대하여 일정한 속도로 움직이는 기준계에 옮기면, 그 형식이 변한다. 이것을 H.A.로렌츠 등은 다음과 같이 설명하였다. 즉 빛(전자기장)은 에테르라는 매질(媒質)을 전파하는 파동이며, 이 에테르는 공간을 완전히 메꾸고, 물체에 대하여 아무런 저항도 나타내지 않기 때문에 절대정지의 기준을 주는 것이라고 하였다. 그러나 만일 빛의 전파현상에 대하여, 특별한 자리에 있는 이와 같은 에테르 정지좌표계가 존재하는 것이라면, 에테르에 대하여 일정한 속도는 진행방향에 따라 변할 것이고, 그 변하는 모양을 정밀히 측정하면 그 계의 절대운동을 알 수 있다. 이러한 예상하에서 A.A.마이컬슨과 E.W.몰리는 지구의 절대운동을 결정하고자 하였으나 결국 광속도의 방향에 의한 변화를 발견하지 못하였다. 즉 광원에 대하여 정지하고 있는 관측자가 빛을 보거나, 균일한 운동을 하고 있는 관측자가 빛을 보거나 모든 방향으로 같은 속력으로 전달된다. 이 결과가 의미하는 바는 중대한 것이며, 갈릴레이의 상대성원리를 수정하든지 또는 맥스웰의 전자기이론을 수정하든지 해야 하는 문제가 야기되었다. 이 모순들을 해결하기 위하여 많은 방도가 고안되었는데, 로렌츠와 G.피츠제럴드는 실제로는 빛의 속력은 관측자(기준계)의 운동의 영향을 받지만, 물체는 에테르에 대하여 운동할 때, 운동방향에 따라 그 속도로서 결정되는 일정한 수축(收縮)을 받기 때문에, 광속의 변화가 관측에 나타나지 않는다는 학설을 제출하였다. 이것을 로렌츠-피츠제럴드수축가설이라고 한다. III. 특수상대성이론 로렌츠-피츠제럴드수축가설은 에테르의 존재를 긍정하고 모순을 해결하려고 하였으나, 이 설을 확증하는 방법은 수축효과를 검출하려는 자[尺] 자체도 수축하기 때문에 원리적으로 존재하지 않게 된다. 이것에 대하여 아인슈타인은 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리를 근본적으로 고치면, 맥스웰방정식은 좌표계를 바꾸어도 불변인 형식을 가지고, 광속도 일정이라는 사실도 설명할 수 있다는 것을 보였다. 그러나 그렇게 하기 위해서는 시간 ·공간의 개념을 근본적으로 고치지 않으면 안 되었다. 갈릴레이-뉴턴의 이론에서는, 시간 ·공간은 어떠한 좌표계에서도 공통적인 것이라고 가정되었으나, 아인슈타인은 이것을 일종의 독단으로 보고 이를 거부하고 서로 운동하는 좌표계에서는 각자 개별적인 시간을 생각하여야 한다고 하였다. 예컨대 지금까지 절대량(絶對量)으로 생각되었던 시간 ·공간은 좌표계를 어떻게 취하느냐에 따라 변할 수 있다는 상대량을 제시하였다. 아인슈타인은 이 생각을 기초로 하여, 서로 균일한 속도 v로 운동하는 두 개의 기준계 사이에서 성립하는 공간좌표(x,y,z), 시간좌표(t)의 변환식으로서 다음의 관계를 구하였다.   여기서 c는 광속도, 좌표계의 상대운동의 방향은 x축에 평행한 것으로 한다. 이 식이 로렌츠변환이다. 이 변환을 실시하면 맥스웰방정식은 일정한 상대속도로 운동하는 좌표 사이에는 그 형식이 변하지 않는다는 것이 증명된다. 또 이변환식은 속도 v가 광속도 c에 비교하여 아주 작을 때는, 극한적 근사로서 다음의 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리의 기초가 되는 좌표변환식(갈릴레이변환)으로 옮겨가고, 아인슈타인의 이론은 뉴턴역학도 포함하는 이론이라는 것을 가리킨다. x'=x－vt, y'=y, z'=z, t'=t. IV. 상대론적 효과 1. 광속도 극한성 특수상대성이론에서 논리적으로 유도되는 논리적 귀결(歸結)로서는 다음과 같은 것이 있다. 이들은 물체의 속도가 광속도에 가까워짐에 따라 뚜렷하게 나타나므로 이들을 상대론적 효과라고 한다. 유한한 속도를 가진 광속도는 모든 물리작용의 전달속도의 최대값을 가진다는 극한성을 지닌다. 이 때문에 물체의 운동을 비롯하여 모든 물리현상은 광속도보다 빨리 공간을 전파해 갈 수 없다. 이러한 일은 입자를 가속기로서 가속할 경우 광속에 가까워짐에 따라서 그 가속이 매우 곤란하게 된다는 사실에서도 명백하다. 2. 동시성 판단 한 관측자가 다른 장소에서 동시에 일어났다고 판단되는 두 개의 사건(事件:event)을, 이 관측자에 대하여 운동하고 있는 다른 관측자는 동시에 일어난 사건으로는 보지 않는다. 관측자의 속도를 v, 두 개의 사건이 일어난 두 점 사이의 거리를 a라 하면, 두 사건이 일어난 시각에는 av/c2(1－v2/c2) 인 층밀리기가 있다고 판단된다. 3. 길이수축 물체의 길이는 물체의 두 끝의 공간좌표를 동시에 측정함으로써 구할 수 있다. 그러나 사상의 동시성은 좌표계에 따라 달라지므로 물체의 길이도 좌표계의 운동상태에 따라 필연적으로 다르게 보인다. 즉 속도 v로 움직이고 있는 물체를 보고 있는 관측자에게는 물체의 길이가 운동방향으로 수축한 것으로 보인다. 이 효과는 로렌츠-피츠제럴드수축가설과 형식상으로는 같으나 수축가설이 제출한 바와 같은 역학적 효과가 아니고, 시각(時刻)의 결정이 상대적이기 때문에 생기는 운동학적 효과이다. 4. 시간지연 움직이고 있는 시계의 경과시간은 그것이 정지하고 있는 시계보다 느리게 시간이 경과한 것으로 보인다. 이 효과는 고속도로 운동하는 소립자 등에 대하여 충분히 검증된다. 예를 들면, 평균수명이 100만 분의 2초 정도이고, 광속도로 운동하였다 해도 600m밖에 진행하지 못하는 μ중간자가 지표상 10여km의 높이에서 우주선(宇宙線)의 입자로서 지표상에 도달하는 것은 고속이기 때문에 지상의 관측자에게는 수명이 연장된 것같이 보이는 것이 된다. 5. 질량과 에너지 특수상대성이론의 중요한 결론의 하나는, 물체의 질량 m과 에너지 E는 m=E/c²(c는 광속도)의 관계에 따라서 서로 교환된다는 것이다(질량-에너지등가:mass-energy equivalence). 이러한 결론은 핵자(核子)가 결합하여 원자핵을 구성할 때 질량결손을 비롯하여 많은 핵반응에서 검증된 사실로서 특히 소립자의 생성 ·소멸 등 에너지가 질량으로 변하고, 질량이 모두 에너지로 모양을 바꾸는 과정이 관찰된다. 또 에너지와 질량이 등가(等價)이면 물체의 운동에너지가 증가할 때, 그만큼 질량이 증가하는 것으로 된다 이 사실은 전자(電子)를 고속으로 가속할 때, 광속도에 가까워질수록 가속하기 어렵게 되고 관성질량이 증가한다는 사실에서와 같이 명백하다. V. 일반상대성이론 중력은 질량을 가지고 있는 모든 물체에 보편적으로 작용하는 동시에, 질량에 무관계한 일정한 가속도를 물체에 준다는 특수한 성질을 가지고 있다. 이 때문에 줄이 끊어진 엘리베이터에서처럼 그 자신이 중력의 가속도와 동일한 가속도를 가진 물체 내에서는 중력이 완전히 상실된 경우와 같은 현상이 관찰된다. 거꾸로 무중량상태(無重量狀態)인 우주공간 안에서도 적당한 방법으로 가속도가 주어진 물체 내에서는 가속도에 의한 관성력이 중력과 동등한 효과를 가진다고 생각된다. 이와 같이 실제로 존재하는 힘으로 생각되는 중력도 좌표계를 정하는 방법에 따라 나타나는 겉보기힘과 구별할 수 없게 된다. 즉 중력장과 가속도를 가지는 좌표계는 물리적으로 등가이며, 중력의 원천이 되는 중력질량과 관성의 정도를 나타내는 관성질량이 등가라는 것을 반영한다. 일반상대성이론은 이와 같은 중력질량과 관성질량이 동등하다는 등가원리에 기초를 두고, 일정한 가속도를 가진 어떤 좌표계에 대해서도 물리법칙이 같은 형식으로 표현되도록 정식화한 이론이다. 일반상대성이론의 가장 중요한 성과로서 물질의 존재는 그 주위의 공간이나 시간에 변형을 주어 그 변형이 만유인력의 장(場)을 형성한다는 결론이 있다. 이 결론은 중력의 본질을 해명하는 이론으로서 현재 단계에서 가장 성공한 것이고, 수성(水星)의 근일점(近日點) 이동, 별빛이 태양 부근을 지날 때 그 경로가 구부러진다는 것(아인슈타인효과), 중력장에 의한 항성의 빛의 스펙트럼 적색이동(赤色移動) 등, 천문학적 관측에 의하여 이론적인 타당성이 검증되었다. 중력뿐만 아니라 전자기력도 시간 ·공간의 성질(속성)에 귀착시키려고 시도하는 것이 통일장이론(統一場理論)이다. 연구는 계속되고 있으나 이 점에서는 아직도 충분한 성과는 얻지 못하고 있다. 출전 : [두산세계대백과 Encyber Deluxe], ㈜두산, 2002 |
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