아인슈타인의 상대성 이론에 대한 몇가지 질문들어갑니다~

* 많이 알지 못하지만 최대한 설명해 드리겠습니다.

 

1. "기준"

 네, 원래 특수상대성이론이라는 말은 없었습니다. 이 "특수"라는 말은 일반상대성이론과

구별하기위해 1916년에 일반상대성이론이 나온뒤 과학자들이 생각한 단어입니다.

 특수상대성이론의 두가지 가정이 있는데요. 첫쨰는 정지한 계가 있고, 등속으로 움직이는 계가 있다고 가정할때, 이 두 계에서의 물리법칙은 같다(= 쉽게 말하면, 같은 실험을 하면 같은 결과가 나와야한다.)는 것이고 두번쨰는 빛의 속도는 계에 관계없이 똑같고, 이 보다 빠른 물체는 없다는 것이 그것입니다. 이 두 가지 가정만으로 아인슈타인은 놀라운 결과를 이끌어 내는데 성공합니다. (가능한 수식은 배제해서 말씀드리겠습니다. 보다 깊은 지식을 원하시면, 로렌츠 변환 식의 의미에 대해 알아보세요.) 하지만, 이 특수상대성이론이 발표된뒤, 과학자들은 한가지 질문을 아인슈타인에게 던집니다. "아인슈타인님아, 님 이야기가 상당히 설득력있는데, 이런 경우는 어떻게 설명할래유? 어떤 물체가 공간상에 놓여있습니다. 그리고 아주 먼거리에 또 다른 물체를 놓습니다. 근데, 뉴턴에 의하면, 이 두 물체는 다른 한 물체를 놓음과 동시에 서로를 끌어드립니다.(만유인력의 법칙) 이 것은 빛의 속도보다 훨씬 빠른건데, 이건 어떻게 설명하실래유?"( 본 대화는 물리학적 엄밀성보다는 개념적 이야기 위주로 꾸몄습니다... ) 아인슈타인은 이 이야기에 대해 설명해야했습니다.

그래서 나온것이 일반상대성이론입니다. 이 때는 어떤 계와 가속되는 계 사이의 중요한 원리인 "등가원리"가 기본이 됩니다. 따라서 두 이론의 기준은 굳이 말하자면, 등속운동하는 계와 가속운동하는 계가 차이가 있다는 것인데, 일반상대성이론은 "일반"이라는 단어와 같이 특수상대성이론을 포함합니다.

 

 2. "시계"

네, 어떤 관찰자가 봤을때, 그 시계가 느리게 간다는 것입니다. 하지만, 그 시계가 느리게가는 공간 속에 있는 사람은 그것을 느끼지 못하죠. 쌍둥이역설은 서로 나이가 거의 같다고 할수있는 두 사람이 한사람은 지구에 있고, 다른 한 사람은 빛과 비슷한 속도로 우주를 갔다 돌아 왔을때, 지구에 있는 다른 한 쌍둥이가 더 늙었다는 것입니다. ( 엄밀한 수식 표현은 하지 않겠습니다.) 특수 상대성이론의 3가지 귀결(결과) 는 1. 시간지연 2. 길이 수축 3. 질량 증가 입니다. 이 쪽부분은 개념서보다는 수식으로 나온 책들을 읽어 보시는게 더 이해하기 쉬울거 같군요.

 

3. "상대성 이론 "

이것은 "상대성"에 의미를 둘 필요가 있습니다. 뉴턴은 공간과 시간에 절대적인 기준틀,

절대시간과 절대공간 이있다고 믿었고, 이를 바탕으로 암묵적으로 이론 전개를 했습니다.

이것이 뉴토니안(뉴턴역학)이라고 부릅니다. 하지만, 상대성이론은 이를 부인합니다, 공간과 시간은 절대적인 기준이 없고 상대적인것이다 라고 말합니다.

쉽게 예를 들어 드리겠습니다. 여기는 버스정류장입니다. 지금 당신의 앞에 버스 한대가 지나가고 있고 그 속의 사람들이 보입니다. 졸고있는사람, mp3를 듣고있는 사람들 많이들 있죠. 그 버스가 당신의 앞에 정지를 합니다. 하지만 애석하게도 당신의 버스는 아니여서, 버스를 타지는 않죠. 여기서 우리는 다음과 같은 물리학적 분석을 할수 있습니다. 버스가 달리다가 당신의 앞에 멈추어섰을때, 그 버스의 전체 길이를 재어 봅니다. 그리고 그 버스가 달리고 있을때, 그 버스의 길이를 잽니다. 그렇다면 당신은 이렇게 반문할 것입니다. 어라 어차피 같을 텐데 뭘 재냐? 하지만, 상대성이론에 따르면 그렇지 않습니다. 달리는 동안의 버스의 길이와 정지한 버스의 길이는 다릅니다. 버스의 질량과 달리는 버스의 질량도 다릅니다. 단지 그 버스의 속도가 빛의 속도 보다 훨씬 작기떄문에 우리는 그 변화를 감지 못하죠. 결론적으로, 당신이 서있는 공간과 버스가 달릴때 그안의 공간은 상대적으로 차이가 있습니다. 이를 이야기하는 것이 상대성이론입니다. 저도 이런 예는 처음들어 약간 글이 두서가 없어지고, 장황해져지만, 대충 어느정도의 개념은 이해하셨으리라 생각합니다.

 

* 글의 서두에서 중력이라는 말을 언급하셨는데, 그 개념은 "등가원리"와 연관이 있고 더 나아가서는 "질량"이라는 개념과 큰 관련이있습니다. 특수상대성이론과는 달리 일반상대성이론의 수학은 무지무지하게 어렵습니다. 쉽게 간추리자면, 공간을 나타내는 수학적인 도구로는 계량텐서라는 것이 있는데, 어떤 공간에 질량이 놓여지면, 그 공간의 계량텐서가 변하게 되고, 이 때문에 공간은 휜다는 것입니다. 여기서 중력은 질량때문에 생겨지는 결과구요.

 

* 상대성이론은 잘 이해하셔야됩니다. 안그러면 수많은 오해와 잘못된 해석이 생기게 되거든요. 보다 자세한건 전문서적을 통해 찾아보세요. 긴글 읽어주셔서 감사합니다.

 

CF) 초끈이론

: 초끈이론은 두가지의 용어가 합쳐졌습니다. "초대칭성 + 끈 이론". 원래 끈이론에 초대칭성을 생각해 적용한것이 초끈이론입니다. 초끈이론에서는 만물의 기본 입자를 "점입자"

 가 아닌 "끈"으로 생각합니다. 여기서의 "끈"은 보통 말하는 그 끈 보다는 위상수학의

"끈"을 이야기합니다. 그렇다면 왜 점입자가 아닌 끈으로 볼까요? 그것은 일반상대성이론과 양자물리학을 통일시키기 위해서 입니다. 그렇다면 왜 이 두이론을 통일 시켜야 할까요? 그 이유중의 하나가 블랙홀입니다. 블랙홀은 아주 작은 공간에 엄청난 질량이 수축된것으로써, 아주 작은 공간의 물리학(양자역학) 과 질량에 관한 물리학이라기 보다는 앞서 말해드렸듯이 엄청난 질량이 있으니, 그 공간을 나타내는 계량텐서도 바뀌었겠죠? 따라서 이떄 사용하는 물리학 (일반상대성이론)을 동시에 사용해서 연구해야 합니다. 하지만, 이 두이론은 사이가 좋은편이 아니라서 두 이론을 통합해서 계산 결과를 구하면 그 값이 발산하는 오류가 생기죠. 따라서 이 두 이론을 통합하는데, "초끈이론"이라는 물리학을 생각 하게 된것입니다.

1905년 아인슈타인은 움직이는 물체가 광속에 가까울수록 시간은 느리게 가는데... 그 느리게 가는 정도를 수식으로 증명해 놓은 상대성 이론을 발표하게 됩니다.

 

아래 링크를 참조하세요.. 님이 말씀하신 빛이 천장엣 바닥으로 내려올때.. 우주선안에서 본 시간과 우주선 밖에서 본 시간의 실제적인 차이를 수식으로 나타내었습니다..

 

이 시간의 차이는 단순하게 그렇게 보이기만 하는 것이 아니라 실제로 현실에서 시간이 느리게 가고 있는 실제이론입니다..

 

http://kin.naver.com/open100/db_detail.php?d1id=11&dir_id=110202&eid=bkeHEPNSUgYn2/gEOq0H9UIJrZNKMMxu

 

예를 들어 요즘 많이 사용하고 있는 네비게이션이 인공위성에서 신호를 받아서 위치를계산하는데.. 이때사용되는 인공위성은 시간이 생명인데.. 이 시간이 인공위성의 시계가 지표상의 시계보다 느리게 가기 때문에.. 상기 아인슈타인의 상대성 이론에 입각하여 느리게 가는 시간을 수시로 보정을 해주어야 됩니다..

 

시간을 보정해 주지 않으면 인공위성의 시간은 항상 지구의 시간보다 느리게 가있게됩니다..

 

상대성 이론은 그렇게 보이기만 하는 것이 아니라 실제로 그렇게 시간이 느리게 간다는 것을 아시기 바랍니다..

 

이렇게 상대성 이론은 빛과 관련이 있는데..단순히 빛에만 관련이 있으므로 일반적으로 적용되는 공식이 아니었습니다..

 

그래서 아인슈타인은 모든 곳에서 일반적으로 모든 적용이 가능한 일반상대성 이론을 나중에 발표하게 되는 것이지요..

 

쌍둥이 이론은

 

우주선을 타고 우주여행을 하는 사람과 지구에 남아있는 사람에 대한 비교인데.. 일단 우주선을 타고 여행을 하는 사람이 그 여행을 계속하고 있는한 서로에 대한 시간이 어느쪽이 느리게 갔는지 확인할수 있는 방법은 없습니다.

 

반드시 어느한쪽이 다른 한쪽있는 곳으로 되돌아 와서 같은 공간에 같은 시간대에 있어야 비로소 어느쪽 시간이 많이 지났는지 알수 있게 되지요..

 

그럴때.. 우주선을 타고 여행을 한 사람이 지구로 돌아오려면... 우주선을 감속해야 하고.. 멈추어야 하고 다시 뒤돌아 서 오던 만큼 되돌아 가야 합니다..

 

이러한 과정을 격는 사람이 비로서 지구에 그냥 머물러 있는 사람과 비교해서 시간이 느리게 가는 것을 확인할수 있습니다...

 

만약 우주선 두대가 서로 반대방향으로 광속으로 날아갔다가 얼마후 정확하게 되돌아서 첨 있는 자리로 와서 서로의 시간이 얼마나 지났는가 확인한다면 두사람의 시간은 똑 같이 흘렀을 것입니다...

 

 

이상...

상대성이론에 대해 간단히 설명해보라 e=mc2

 

E는 에너지 m은질량 c는광속이고 질량곱하기 속도의 제곱은 에너지다 라는 말인데요 이걸 예로 한다면 빛속도로 운동하는 물체는 무한대의 힘을얻는다라는 공식이죠 만약 어떤 우주비행선이 광속의 10/8속도로 우주에서 운동한다고 칠떄 우주에서 30년이 지구에서 50년이 지나죠 이게 일종의 상대성 법칙입니다.

 

시간하고 노화랑은 관계없이 노화는 나이들고, 기타 자외선등 뭐 그런것들떄문에 노화가 되는것이고,  이건 순전히 타임머신탄듯 시간이 자신에겐 천천히 간것이고, 노화는 그대로 진행중이라는거죠.

sanguk10 님의 답변이 정확합니다만, 읽다보면 오해할 소지가 있는 몇가지에 대해 추가를 하고자 합니다.(물론 sanguk10님의 답변이 틀리다는게 아니라, 그 글을 읽고 엉뚱한 형태로 이해할수 있는 소지를 조금이라도 줄이기 위해서 다는 답변입니다.)

특수상대성이론은 특수한 상황에서만 성립하는 이론이고, 일반 상대성이론은 일반적인 모든 상황에서 성립하는 이론입니다. 여기서 말하는 특수한 상황이란, 중력이 존재하지 않고, 가속도 운동이 존재하지 않는 등속운동으로만 성립하는 상황이랍니다. 즉 일정한 속도로 한방향으로 쭉 움직이는 물체들만 존재하는 세계에서만 성립하는 이론이 특수상대성 이론입니다.

두번째로, 상대성이론은 말 그대로 상대성- 즉 물체의 상대적 운동을 기술하는 이론입니다. 이 이론에서 절대적인것은 오로지 '빛의 속도' 이외에는 없습니다. 절대적 좌표계가 존재하지 않기에, 내가 움직이는지 상대가 움직이는지 알수있는 방법은 없습니다.

가령 예를 들어 A가 오른쪽으로 움직이고 있다고 B가 보고 있다면 B 입장에서 A의 시간은 느려지고, A의 길이역시 짧아집니다.

여기서 많이들 착각하는건, 그럼 A가 볼때 B의 시간은 빨라지는가 입니다. 근데요, 그게 B의 시간은 빨라지지가 않습니다. 만약 B의 시간이 빨라진다면, A와 B중 누가 움직이는지를 알수있다는 말밖에 되지 않죠. 누가 시간이 느려졌는지만 보면 알수 있으니까... 하지만 상대성이론의 기본은 누가 움직이는지는 알수 없다 입니다. 즉, A 입장에서는 B가 왼쪽으로 움직이고 있다고 생각해도 된다는 것이 상대성 이론입니다. 즉 A가 B를 볼때역시 시간은 빨라지지 않고 느려집니다. A가 B를 볼때 B의 시간은 느려지고, B가 A를 볼때 역시 A의 시간은 느려집니다.

여기서 또 많이들 착각하는 부분이 있습니다. 상대성이론의 시간지연을 도플러효과에 의한 주파수 변화로 나타나는 시간지연과 혼동하는 경우이죠. 예를들면, B가 광속의 절반 속도로 움직일때, 둘간의 거리가 1광년이 떨어져 있고, 2년후에는 2광년이 떨어지게 되는데, 출발할때 발사한 빛과 도착할때 발사하는 빛은, 출발할때 빛은 1년후에, 도착할때 빛은 4년후에 도착합니다. 즉 A는 B가 2년동안 발사하는 빛을 3년동안 받으므로, 시간이 느려진 것으로 보인다는 거죠. 예. 맞습니다. 이런 현상은 분명히 발생한답니다. 근데요, 이 현상은 상대성이론의 시간지연과 아무런 상관이 없답니다. 이 도플러효과의 시간지연역시 나타나는 현상이고, 상대성이론의 시간지연도 실제로 나타나는 현상이랍니다. 그래서 실제 현실에서 나타나는 현상의 경우 두 현상이 합쳐져서 시간지연이 나타나므로, 더 느리게 보이게 된답니다. 즉, 시간이 느리게 가는것처럼 보이는게 아니라 실제로 시간이 느리게 가는 현상이 바로 상대성이론의 시간지연이랍니다.

그럼 또 의문이 생기죠. 도데체 둘다 시간이 느려지고, 또 실제로 시간이 느려지는 거라면, 앞뒤가 모순되는게 아니냐... 하고요. 우리들이 일반적으로 가지고 있는 상식대로라면, 한쪽이 느려진다면 반대쪽은 시간이 빨라져야 맞죠. 즉 실제로 시간이 느려지는 거라면 쌍둥이 파라독스의 경우 어떻게 되는거냐... 하는 의문이 생깁니다.(실제로 쌍둥이 파라독스는 이 부분에서 문제가 생기는 겁니다. 하지만 대부분의 사람들은 위의 저런 현상들을 생각하지 못하고, 단지 시간이 느려지는 것만 생각해서 파라독스라 생각하죠. 하지만 쌍둥이 파라독스는 그렇게 간단한 문제가 결코 아니랍니다.)

이 쌍둥이 파라독스는 다음과 같은 방법으로 해결됩니다. 특수상대성이론은 등속도운동만 존재하는 이론이다. 그러므로, 이 두 쌍둥이가 다시 만나기 위해서는 한쪽이 U턴을 해야만 하는데, 이때 가속도운동이 발생하므로, 이 가속도 운동에 의해 특수상대성이론의 대전제가 깨져버리고 맙니다. 즉 가속도운동을 하는 형의 경우에는 특수상대성이론을 적용할수 없게 되고, 특수상대성이론을 적용할수 있는건 지구에 남아있는 동생만 적용할수 있게 된다. 이 동생의 입장에서 이론을 적용하면 형의 시간이 느려지므로, 형이 더 젊어지는 상황이 발생하게 된다... 즉, 모든 모순의 원인은 가속도운동에 있었던 거죠. 이 가속도운동에 대해 정확히 기술하려면 일반 상대성이론을 사용해야 합니다.