상대성 이론

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일반 상대성 이론에서 묘사된 시공의 곡률을 2차원으로 표현한 그림.
일반 상대성 이론에서 묘사된 시공의 곡률을 2차원으로 표현한 그림.

아인슈타인상대성 이론특수 상대성 이론일반 상대성 이론으로 나뉜다. 상대성 이론은 전자기파가 뉴턴의 운동 법칙에 맞지 않는 것을 설명하기 위해 만들어졌다. 전자기학에서 전자기파의 속도를 계산할 수 있는데, 이렇게 구한 전자기파의 속도는 관측자의 상대 운동과는 관계 없이 상수값이 된다. 상대성 이론에서는 서로 다른 상대 속도로 움직이는 관측자가 같은 사건에 대해 서로 다른 시간과 공간에서 일어난 것으로 측정하며, 그 대신 물리 법칙의 내용은 관측자 모두에 대해 서로 동일하다고 생각한다. 이것은 상대성 이론에서의 핵심이기도 하다.

[편집] 특수 상대성 이론

이 부분의 본문은 특수 상대성 이론입니다.

특수 상대성 이론은 시공의 구조에 대한 것이다. 아인슈타인은 1905년의 운동하는 〈물체의 전기역학에 대하여(Zur Elektrodynamik bewegter Körper)〉라는 논문에서 특수 상대성 이론을 처음으로 선보였다. 특수 상대성 이론에서는 관성 좌표계의 관측자가 자신의 "절대 운동"을 실험적으로 측정해 낼 수 없다고 생각한다. 또한 진공에서의 빛의 속도가 관성 좌표계에 있는 관측자 모두에 대해 동일하다고 가정한다.

특수 상대성 이론의 강력한 점은 이론을 유도해 내는 데 다음의 단 두 가지 가정만이 필요하다는 것이다:

  • 진공에서의 의 속도는 초속 299,792,458 미터로, 변하지 않는다.
  • 모든 관성 좌표계에 있는 관측자에 대해 물리 법칙은 동일하다. (갈릴레오의 상대성 원칙)

위 두 가정은 고전역학에서는 모순이다. 이로부터 유도된 상대성 이론은 여러 놀라운 결과를 낳았다.

  • 시간 확장: 관찰자의 눈에 멈추어 있는 시계는 움직이는 시계 보다 빠르다.
  • 길이 축소: 관찰자의 눈에 움직에는 물체는 관찰자의 눈에 비친 움직이는 방향으로 짧아져 보인다.
  • 동시성의 상대성: 관찰자 A의 눈에 동시에 일어난 것으로 관찰된 어떤 두 사건은, A에 대해 상대운동을 하는 관찰자 B의 눈에는 동시에 일어난 것으로 보이지 않는다.
  • 질량 에너지 등가: E = mc² 공식에 의해 에너지와 질량은 등가이고 변환 가능하다.

특수 상대성 이론의 가장 큰 특징은 고전역학의 갈릴레오 변환을 로렌츠 변환으로 대체한 것이다.

[편집] 일반 상대성 이론

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일반 상대성 이론은 1916년에 아인슈타인이 발표하였다. (먼저 프로이센 과학 아카데미에서 1915년 11월 25일에 제출) 일반 상대성 이론은 뉴턴의 만유 인력 법칙을 대체하는 새로운 수식을 제시하는데, 이를 이용해 중력 현상을 설명하기 위해서는 미분 기하학텐서라는 수학적 개념이 필요하다. 일반 상대성 이론은 특수 상대성 이론이 관성 좌표계의 관측자만을 다루는 데 반해 모든 기준계의 관측자가 동일하다고 놓는다. 물리 법칙은 관측자가 가속 운동을 하는 경우에도 모두 동일하게 적용된다. 중력은 시공간의 휘어짐으로 표현되는데, 이것은 곡률이 수학적으로 비 관성 좌표계와 동일하기 때문이다. 일반 상대성 이론은 질량에너지시공간을 휘게 하고, (빛을 포함한) 자유 입자들이 이렇게 휘어진 시공간 속에서 움직인다는 방식의 기하학적인 이론이다.