상대성이론

요약 아인슈타인(Albert Einstein)이 만든 이론으로 특수상대성이론과 일반상대성이론을 통틀어 상대성이론 또는 상대론이라고 한다. 상대성이론은 자연법칙이 관성계에 대해 불변하고, 시간과 공간이 관측자에 따라 상대적이라는 이론이다. 특수상대성이론은 좌표계의 변환을 등속운동이라는 특수한 상황에 한정하고 있으며, 일반상대성이론은 좌표계의 변환을 가속도 운동을 포함한 일반운동까지 일반화하여 설명한다.

20세기 상대론과 양자론이 등장하면서, 이전의 물리학을 고전물리학이라고 하고, 이후의 물리학을 현대물리라고 구분하였다. 이는 단순한 시간의 구분이 아니라 새로운 이론 체계의 구축을 의미한다. 고전물리학은 뉴턴역학과 맥스웰의 전자기학을 주축으로 하고 있으며, 현대물리학은 아인슈타인에 의한 상대론과 보어, 하이젠베르크, 플랑크, 슈뢰딩거, 디락 등에 의한 양자론이 주축을 이룬다.

19세기 말부터 20세기 초 무렵에 빛의 본성과 전자기학과 관련하여 당시의 물리학으로는 설명하기 어려운 현상들이 관찰되었다. 그 중 하나로 빛의 매질에 관하여 문제가 제기되었다. 빛은 전자기파의 일종으로 매질을 필요로하지 않는 파동이지만, 당시에는 에테르라는 매질이 존재한다고 믿었으며 이 에테르의 존재로 빛의 속도에 대한 연구가 어려움을 겪었다. 그리고 고전물리학에 속하는 뉴턴역학과 전자기학은 상대성이론에 대하여도 다른 결과를 보였다. 뉴턴역학에 의한 운동 법칙은 서로 상대적으로 등속도 운동하는 두 관성계에서 차이가 나타나지 않는다. 즉, 갈릴레이 변환에 대해 불변이다. 그러나 전자기학 법칙인 맥스웰 방정식과 파동방정식은 갈릴레이 변환에 대해 불변이 아니다. 이 밖에도 X선과 자연방사선의 발견, 원자핵의 발견 등으로 이해 원자 내부에 대한 실험 결과는 새로운 물리이론을 필요로 하게 되었다. 아인슈타인은 이러한 뉴턴역학과 빛의 전자기이론과의 모순을 해결하기 위하여 시공간의 사고방식에 새로운 개념을 도입하였고, 그것이 특수상대성이론이다.

상대성이론에 관하여 아인슈타인은 다음과 같이 기술한다. “상대성 이론은 필요성으로부터, 오래된 이론에 존재하는 탈출구가 없는 심각하고도 심오한 모순으로부터 비롯되었다. 이 새로운 이론의 강점은 단지 몇 개의 매우 설득력 있는 가정들만을 사용하여 이 모든 어려움들을 풀 수 있는 일관성과 단순성에 있다.” (A. Einstein & L. Infeld, The Evolution of Physics, New York, Simon and Schuster, 1961)

1905년 발표된 특수상대성이론(special theory of relativity)은 광속도 불변의 원리를 바탕으로 상대방에 대해 등속도로 움직이는 두 기준틀에서 고전 전자기법칙이 불변으로 유지되는 새로운 시공 개념을 제시한다. 다시 말해 모든 좌표계에서 빛의 속도가 일정하고 모든 자연법칙이 똑같다면, 시간과 물체의 운동은 관찰자에 따라 상대적이다. 또한 광속도불변에 대한 가정을 통해 고전역학에만 적용되었던 뉴턴의 상대성원리를 널리 일반화하였으며, 에테르의 존재를 본질적으로 부정하였다.

모든 관찰자에게 동일한 보편적이고 절대적인 시간이 존재한다는 뉴턴역학과는 달리 특수상대성이론에서의 시간 간격의 측정은 그 측정을 행하는 기준틀에 따라 다를 수 있다고 한다. 다시 말해 어떤 기준틀에서 동시에 일어난 사건이 이 기준틀에 대해 움직이는 다른 기준틀에서는 동시가 아닐 수 있다. 이렇게 동시성은 절대적 개념이 아니며 관찰자의 운동 상태에 따라 다르다.

그리고 움직이는 기준틀의 시계는 고유시간(proper time)보다 천천히 간다. 이 효과를 시간지연(time dilation)이라고 한다. 고유시간은 시계에 대해 정지한 관찰자가 측정한 시간이다. 이는 1976년 제네바의 유럽 핵에너지 협의회(CERN) 실험실에서 움직이는 뮤온의 수명 측정을 통해 검증되었으며, 비행하는 제트비행기 안에 설치한 원자시계의 시간과 미국 해군 관측소의 기준 원자시계의 시간 간격을 측정하여 비교한 실험(Hafele & Keating, Science, 1972)을 통하여도 확인되었다. 길이 역시 기준틀에 대해 다르게 측정된다. 물체에 대해 움직이는 기준틀에 있는 관찰자가 측정한 물체의 길이는 항상 고유길이(proper length)보다 짧다. 이 효과를 길이수축(length contraction)이라고 한다. 물체의 고유길이란 그 물체에 대해 정지한 관찰자가 측정한 거리이다. 특수상대성이론은 전자기이론을 명확히 했을 뿐만 아니라 그 후에 발전한 원자핵, 소립자 연구의 수단으로서도 중요한 역할을 하였다.

 

1916년 발표된 일반상대성이론(general theory of relativity)은 상대방에 대해 서로 가속도 운동하는 기준틀로 확장하여 설명한다. 일반상대성이론에 따르면 가속에 의한 영향은 중력과 동등하며, 일정한 가속도를 가진 관측자에게도 물리법칙이 변하지 않는다는 상대성원리가 성립한다. 휠러는 일반상대성이론을 다음과 같이 한 문장으로 요약하였다. “공간은 물질에 어떻게 움직이는가를, 물질은 공간에 어떻게 휘어지는가를 얘기해 준다.” (John Wheeler, 1979)

일반상대성원리에 의하면 시공간이 중력에 의해 변화된다. 중력이 강한 곳의 시간은 중력이 약한 곳에 있는 시간보다 느리다. 따라서 강한 중력장 내에 있는 원자에서 방출된 빛의 진동수는 약한 중력장 내에서의 같은 빛보다 낮은 진동수 쪽으로 적색 이동된다. 이러한 중력 적색 이동은 무거운 별의 원소에서 방출된 스펙트럼선에서 관찰되었다.

또한 아인슈타인은 중력의 효과를 ‘시공간의 곡률’으로써 설명하고, 적당한 가속 기준틀을 선택한다면 중력장을 변환시켜 없앨 수 있음을 암시하였다. 이에 따르면 중력이라는 것은 없으며 단지 질량이 존재함으로서 그 질량 주위의 시공간의 곡률을 야기하고 이 곡률이 모든 자유로이 움직이는 물체가 따라야 하는 시공간상의 경로를 결정한다. 일반상대성이론의 중요한 예측 중 하나는 태양 근처를 지나는 빛이 태양에 의해 생긴 시공간의 휘어짐 속에서 굽어져야 한다는 것이다. 이는 1919년 일어난 개기일식 중 별빛이 태양을 지나면서 구부러지는 현상의 관찰을 통해 검증되었다. 일반상대성이론은 중력이 작용하는 팽창우주론이나 블랙홀 등과 같은 우주현상을 설명하는데 이용된다. 또한 소립자물리학에서 힘의 통일이론의 시도에서도 중요한 이론이다.

광속도를 무한대로 간주할 수 있을 만큼 작은 속도를 가진 물체의 운동에서는, 극한적 근사로서 뉴턴역학이 적용된다는 내용이 특수상대성이론에 포함되어 있다. 한편 광속도와 비교될 정도로 고속으로 운동하는 미립자의 거동이나 소립자의 생성·소멸 등 미시적 세계의 여러 현상의 발견으로 특수상대성이론의 정당성이 검증되었으며, 일반상대성이론도 천문학상의 여러 사실에서 그 정당성이 밝혀졌다. 이렇게 상대성이론은 양자역학과 더불어 현대물리학, 특히 소립자물리학이나 우주론의 지도적 원리로 간주된다.

상대성이론의 탄생은 동시에 시대의 역사적 사상(思想)에도 큰 영향을 주었다. 새로운 시간과 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.