일반 상대성 이론

중력이론은 뉴턴의 만유인력의 법칙과 아인슈타인의 일반상대성이론이 있어

 

둘중에 일반상대성이론이 최신식이론이야. 만유인력의 법칙의 업그레이드판이지

 

예전에는 만유인력의 법칙만 배웠지만 요즘은 상대성이론도 배운다고 하네

 

특수상대성이론 10년 후 

 

1915년 아인슈타인의 최대업적이라고 할 수 있는 일반상대성이론을 발표했어 

 

특수상대성이론은 등속도 세계의 물리법칙이지만 일반상대성이론은 가속도 세계의 물리법칙, 중력법칙이라고 할 수 있지

 

 

아인슈타인은 20대의 젊은 시절 참신한 생각으로 얻어낸 특수상대성이론과는 달리,

 

많은 실수와 오랜 방황끝에 일반상대성이론을 얻어냈어 

 

일반상대성이론은 '중력과 관성력은 같다' 라는 등가원리에 의해 탄생했어

 

 

중력과 관성력은 공통점이 있어

1. 가속 운동과 관련이 있고

 

2. 가짜힘(가상의 힘)이라는 것이지

 

 

버스를 탄 사람1은 버스가 정지하는 바람에 넘어졌어

 

밖에서 사람1을 본 사람2는 의아해 할거야. 사람1에게 작용된 힘은 없었기 때문이지

 

아무도 사람1을 건드리지 않았는데 넘어져 버렸어

 

버스의 속도가 일정하면 사람1은 관성력을 느낄 수 없어 

 

관성력은 속도의 변화때문에 생기는 힘이야

 

그렇다면 관성력이 실제로 있는 힘일까? 힘이라 함은 다른 물체를 밀거나 당긴다던지 

 

엔진을 돌려 버스를 가속시킨다던지 

 

선풍기를 작동시키는 전기와 같은 에너지가 있어야 해

 

하지만 사람1을 넘어뜨리기 위해 어떠한 에너지도 소비되지 않았어 

 

이처럼 사람1을 넘어뜨린 관성력(fictitious force)은 이 세상에 존재하지 않는 가짜힘(가상의 힘)이야 

 

중력이 우리가 흔히 말하는 힘이라면, 지구는 지금 이 순간에도 물체를 잡아당기기 위해 

 

엄청난 에너지를 만들어야 해. 하지만 이 에너지의 원천은 어디에도 없어 

 

중력도 관성력과 같이 에너지가 필요없는 가짜힘이야

 

아인슈타인은 중력과 관성력은 서로 구별할 수 없는, 본질적으로 같은 종류의 힘이라는 혁명적인 생각을 했지

 

 

버스가 가속하면 관성력을 느끼지?

등가원리에 의해 우리는 지금 이 시간에도 하늘로 가속운동중이야 

 

관성력에 의해 바닥에 붙어있지

 

초속9.8m로 가속되는 로켓 안에서와, 지구에 생활하면서 느끼는 중력(g=9.8 m/s²)과 같다 이것이 등가원리야

 

 

이 둘의 상황을 구별할 수 있는 껀덕지가 0.00001%도 없어

 

정말 같을까 라고 생각되는 것은 

 

우리는 버스에서나 기차 엘리베이터 등 매번 다른 관성력을 받으면서 생활해왔지만

 

지구의 중력(관성력)에서 벗어난 적은 단 하루도 없었어 

 

 

어느 각도로 던져야 저정도로 날아가고, 이정도 높이에서 떨어지면 죽고,

 

앉으나 서나 걷거나 달리거나 누워있으나 항상 똑같은 중력을 받고 살아왔어 

 

 

아기도 중력을 알지 계단을 내려갈 때 조심한다는 건 중력을 안다는 소리야

 

우리에게 너무나 익숙해져 버린 힘이고 그렇게 대대손손 진화를 해왔어 

 

그래서 아무도 중력이 관성력과 같다고 생각하지 못했을 거야   

 

아인슈타인은 우리가 당연하게 생각하는 중력과 관성력에 의문을 가졌고,

 

등가원리를 생각해 냈을때 '내 일생 가장 행복했었던 생각이었다' 라고 했지

 

 

우리는 흔히 가만히 있는 사람이 정지상태이고, 자유낙하중인 사람을 가속운동이라고 생각하지

 

하지만 등가원리에 의해서도 그럴까? 

지구의 중력을 느끼고 있다는 것은 초속9.8m로 가속되는 로켓에 타고 있는 것과 같아

 

즉, 우리는 하늘로 가속운동중이라는 얘기지 

 

우리가 가속운동중이라면 지구에서 정지해 있는 사람은 누구일까?

 

정답은 중력을 느끼고 있지 않는 사람이야

 

버스에선 손잡이를 잡거나 발로 지탱하면서 관성력을 느끼지

 

하지만 버스가 가속할때 공중부양을 하고 있으면 관성력을 느낄 수 없어

 

우리는 땅으로 중력에 저항하고 있어. 이처럼 중력에 저항하면 중력을 느끼는 거야 

 

따라서 중력에 저항하면 중력을 느끼고 중력에 저항하지 않으면 중력을 느낄 수 없으며, 이것이 정지상태에 있다고 할 수 있어

 

 

중력에 저항하지 않는다는 것은, 중력을 거스르지 않는 사람

 

즉 자유낙하중인 사람이 바로 정지상태에 있으며, 

 

하늘로 가속운동중인 우리와는 방향이 서로 반대이지

 

 

사람1이 비행기에서 뛰어내렸어. 자유낙하중이야 

이때, 갑자기 중력이 사라졌다고 생각해보자 

 

 

사람1은 우주유영하는것 마냥 둥둥 떠다니겠지 

 

둘 다 무중력상태이고, 정지상태라고 할 수 있어 이것이 바로 등가원리야

 

 

정리하면

중력과 관성력은 서로 구별할 수 없는, 같은 종류의 힘이다

 

우리는 땅 방향으로 관성력을 받고 있다 즉 하늘 방향으로 가속운동중이다

 

초속9.8m로 가속되는 로켓안에서의 생활과 지구에서의 생활은 같다 

 

 

아인슈타인의 중력장 방정식이야

 

놀랍게도 우변에 뉴턴의 중력상수 G 가 들어가 있어 

 

뉴턴역학의 업그레이드판, 현대화된 중력이론이라고 할 수 있지

 

 

뉴턴은 만유인력의 법칙 즉, 질량을 가진 물질은 서로를 끌어당긴다고 생각했지만, 

아인슈타인은 질량을 가진 물질(지구)은 공간을 휘게 하고,

 

그 휘어진 공간으로 물체가 이동한다고 했어

 

물질과 공간은 별개의 것이 아니라 하나의 연속체라는 거지

 

물질 = 공간

 

 

우리는 흔히 시간은 절대적이다 라고 생각하고 있어

 

시간은 어떠한 것에도 영향을 받지 않고, 어느 누구에게나 똑같이 흐른다고 생각했지

 

천동설과 무거운 물체가 더 빨리 떨어진다는 것을 수천년동안 믿고 있었던 인간의 직관을 시간조차 배신을 하지

 

 

시공간이라는 단어를 들어봤을거야 왜 시간과 공간을 합쳐서 부르게 된걸까?

 

질량을 가진 물질(지구)은 공간뿐만 아니라 시간도 잡아당기지. 

 

휘어진 공간으로 물체가 이동하고, 시간은 느리게 가지

 

공간이 변하면 시간도 변해 시간과 공간은 서로 독립적인 것이 아니라는 거야. 별개가 아니고 하나라는 거지 

 

시간과 공간은 같은 물리량(민코브스키 공간)이야

 

시간 = 공간

 

 

태양계에서 태양의 질량이 전체의 99.8%를 차지하고 있지

 

이 어마무시한 질량으로 특수상대성이론 E = mc² 에 의해 에너지로 변환시키지 태양빛이 바닷물을 

 

증발시키듯이 전자기파(빛)는 에너지를 전달하지

 

 

또한 태양은 어마무시한 질량으로 시공간을 휘게하고 태양계 행성들을 공전시키고 있어

 

휘어진공간(중력)은 에너지를 가지고 있다고 말할 수 있지

전자기파가 퍼져있는 공간을 전자기장, 휘어진공간(중력이미치는공간)을 중력장 이라고 해 

 

물은 만질수 있고 수증기는 만질 수 없어 물과 수증기는 같은 것인데 형태만 다르듯이

 

전자기장과 중력장은 다른 형태의 물질이야

 

물질 = 에너지

종합해보자

 

시간 = 공간 = 물질 = 에너지

 

 

물질로 가득 찬 우주

 

 

아인슈타인은 물질과 시공간은 별개가 아니라 하나의 연속체라고 했고

 

E = mc² 식이 나온 후, 에너지와 물질의 경계가 사라졌어 에너지와 물질은 같은 것인데 형태만 다를 뿐이지 

 

어떤 공간에 있는 물질을 드러내면 에너지를 가진 휘어진 시공간(중력장)도 없어지겠지

 

우주는 만질 수 있는 물질과, 만질 수 없지만 에너지를 가진 물질로 이루어져 있다고 할 수 있어

 

 

우주는 지금도 팽창중이야

 

우주끝에도 전자기장과 중력장의 영향을 미치기 때문에(힘의 크기는 0에 가까워 지겠지만)

 

진공인 줄 알았던 우주의 빈공간도 사실은 물질로 채워져 있어

 

상대성이론은 우주의 비밀을 푸는 열쇠를 줬어

 

 

태양계의 모든 행성은 타원궤도로 공전하고 있어. 케플러 법칙을 따르고 있지 

 

태양과 가장 가까울 때 근일점 가장 멀 때를 원일점이라고해 

 

행성의 궤도는 고정되어 있는게 아니라 조금씩 돌아. 근일점의 이동이지 

 

 

수성의 근일점의 이동 정도는 100년에 5601초야

 

그 중 5025초는 지구의 세차운동으로 인한 춘분점의 이동 즉, 관측자의 위치가 바껴서 생기는 것이고

 

태양, 행성의 영향이 523초야

 

43초가 남게 되는데 이 43초를 뉴턴역학으로는 설명하지 못했어

 

사람들은 뉴턴역학이 틀렸다는 것을 생각하지 못한 채, 수성과 태양사이에 뭐가 있다고 생각했어(불칸)

 

하지만 아인슈타인은 일반상대성이론을 발표하기 일주일전(1915년11월18일)

 

 이 문제를 일반상대성이론으로 해결해버렸어

 

뉴턴역학으로는 설명 안되던 현상이 일반상대성이론으로 풀어보니 딱 맞다

 

아인슈타인은 대표적인 이론물리학자라고 할 수 있어

 

어떤 법칙을 만드려면 실험이나 관찰을 하면서 그에 따른 법칙을 얻고 다시 실험을 통해 증명이 되어야하지

 

아인슈타인은 책상에 앉아 누구도 하지 못할 참신한 생각을 수학을 이용해 일반화시켜서 새로운 이론을 만들어서

 

실험을 통해 증명이 되는, 어떻게 보면 신비하지 그 힘이 바로 수학이야

 

뉴턴도 자신의 중력법칙을 설명하기 위해 미분을 만들었듯이 수학의 발전이 물리학의 발전에 도움을 줬어 

 

 

GPS위성은 고도가 높고 속도가 빨라 

 

중력이 약하기 때문에 일반상대성이론에 의해 시간이 빨리 가고

 

빠른 속도때문에 특수상대성이론에 의한 시간지연효과도 적용시켜야 돼

 

GPS위성은 특수 및 일반 상대성이론이 적용되어 있어

 

 

1972년 리처드 키팅과 조지프 하펠은 오차가 3000년에 1초인 매우 정밀한 세슘원자시계를

 

지상과 비행기에 각각 4개를 준비해 여객기를 40시간 비행후 시간을 측정했어

 

실험결과 특수 및 일반상대성이론에 일치했어 (오차범위 10%이내)

 

가장 최근에 한 실험은 2010년 일거야 

 

미국표준연구소(NIST)에서 37억년에 1초의 오차가 발생하는 초정밀 알루미늄시계로 

 

불과 33cm의 높이차이에서 시간차이를 측정했어 10경분의 4배의 시간지연 현상을 확인했지

 

시속 36km 로 움직일때, 가만히 있는 것보다 1경분의 6배의 시간지연 현상을 확인했어

 

 

달 음모론같이 상대성이론을 믿지 않는 사람들도 많을 거야 하지만 수 많은 검증이 되었지

 

아인슈타인은 자신의 방정식이 얼마나 무한한 가능성을 가지고 있는지 알지 못했어 

 

공간에 대한 방정식을 풀때 더 유용하게 사용할 수 있게 됐고, 빅뱅우주론의 시초도 일반상대성이론의 방정식에서 나왔으며, 

 

원자폭탄의 아버지 로버트 오펜하이머, 블랙홀과 웜홀, 스티븐 호킹등

 

수많은 과학자들에게 영향을 끼쳤고 새로운 이론을 만들 수 있게 되었어

 

백여년전 헤르츠는 전자기파를 발생시켜 안테나로 수신하는데 성공했어 당시엔 쓰일 대가 없다고 생각했지만 

 

지금은 휴대폰 라디오 티비 레이더 등 전자기파 없이 생활할 수가 없어

 

 

지난 100여년동안 인류는 급속도로 발전해왔어 비행기도 만들고 원자폭탄도 만들고 달까지 갔다왔지

 

최근에 아인슈타인의 마지막선물이라고 불리는 중력파까지 발견했지

 

공상과학얘기 같겠지만 중력을 통제할 수 있는 세상이 온다면 어떤 일이 벌어질까?

 

아인슈타인이 뉴턴역학을 무너뜨렸듯이 언젠가는 아인슈타인을 무너뜨릴 사람이 나오지 않을까?