상대성이론 - Theory of relativity

상대성이론 - Theory of relativity

상대성 이론은 보통 알버트 아인슈타인의 두 가지 상호 관련 이론인 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론을 포괄한다. 특수상대성이성은 중력이 없을 때 모든 물리적 현상에 적용된다. 일반 상대성 이론은 중력의 법칙과 자연의 다른 힘과의 관계를 설명한다. 천문학을 포함한 우주론적, 천체물리학적 영역에 적용된다. 이 이론은 20세기 동안 이론 물리학과 천문학을 변화시켰고, 주로 아이작 뉴턴에 의해 만들어진 200년 된 역학 이론을 능가했다. 공간과 시간의 통일된 실체로서의 스페이스타임, 동시성의 상대성, 키네마틱과 중력 시간확장, 길이수축 등의 개념을 도입했다. 물리학 분야에서 상대성 이론은 핵 시대를 안내하는 것과 함께 기초 입자의 과학과 그 기초적인 상호작용을 향상시켰다. 상대성 이론으로 우주론과 천체물리학은 중성자 별, 블랙홀, 중력파 등 비범한 천문학적 현상을 예측했다.

상대성 이론의 개발

알버트 아인슈타인은 1905년에 특수상대성이론을 발표하여 아인슈타인이 얻은 많은 이론적 결과와 경험적 발견을 바탕으로 하였다. 미셸슨, 헨드릭 로렌츠, 앙리 푸앵카레 등. 맥스 플랑크, 헤르만 민코프스키 등이 후속 작업을 했다. 아인슈타인은 1907년에서 1915년 사이에 일반 상대성을 개발했고, 1915년 이후 다른 많은 사람들의 기여를 받았다. 일반 상대성 이론의 최종 형태는 1916년에 발표되었다. 상대성 이론이라는 용어는 플랑크가 1906년 사용한 상대성 이론이라는 표현에 바탕을 두고 있는데, 플랑크는 이 이론이 상대성 원리를 어떻게 사용하는지를 강조했다. 같은 논문의 토론 부분에서 알프레드 부셰러는 처음으로 상대성 이론이라는 표현을 사용했다. 1920년대까지 물리학계는 특수상대성을 이해하고 받아들였다. 그것은 빠르게 원자물리학, 핵물리학, 양자역학의 새로운 분야에서 이론가들과 실험가들에게 중요하고 필요한 도구가 되었다.

그에 비해 일반 상대성 이론은 뉴턴의 중력 이론의 예측에 대해 사소한 수정을 하는 것을 넘어, 그만큼 유용한 것으로 보이지 않았다. 대부분의 주장이 천문학적인 규모였기 때문에 실험 실험의 가능성은 거의 없어 보였다. 수학은 어려웠고 소수의 사람들만이 충분히 이해할 수 있을 것 같았다. 1960년경 일반 상대성 이론은 물리학과 천문학의 중심이 되었다. 일반 상대성 이론에 적용할 새로운 수학 기법은 계산을 간소화하고 그 개념을 보다 쉽게 시각화했다. 이사(1963년), 3켈빈 마이크로파 배경 복사(1965년), 펄사(1967년), 1차 블랙홀 후보(1981년) 등 천문학적인 현상이 발견되면서 그 속성에 대한 설명이 이어졌고, 이에 대한 측정이 이론을 더욱 확증했다.

특수상대성이론

특수상대성이론은 스페이스타임의 구조에 대한 이론이다. 아인슈타인의 1905년 논문 "움직이는 신체의 전기역학에 대하여"에서 소개되었다. 특수 상대성 이론은 고전역학에서 모순되는 두 가지 가정을 기초로 한다.

가정 1. 물리학 법칙은 서로 상대적인 기준의 관성 프레임에 있는 모든 관찰자에게 동일하다(상대성이성의 원리).

가정 2. 진공에서 빛의 속도는 상대적인 움직임이나 광원의 움직임에 관계없이 모든 관측자에게 동일하다.

결과론적 이론은 고전 역학보다 실험에 더 잘 대처한다. 예를 들어, 가정 2는 미셸슨-몰리 실험의 결과를 설명한다. 더구나 그 이론은 놀랍고도 반직관적인 결과를 많이 낳는다. 이들 중 일부는 다음과 같다.

• 동시성의 상대성: 관찰자가 상대 운동을 하는 경우, 한 관찰자에 대해 동시에 두 사건이 다른 관찰자에 대해 동시에 발생하지 않을 수 있다.
• 시간 확장: 이동 시계는 관찰자의 "스테이션" 시계보다 더 느리게 똑딱거리도록 측정된다.
• 길이 수축: 물체는 관찰자에 대해 움직이는 방향으로 짧아지는 것으로 측정한다.
• 최대 속도는 제한됨: 어떤 물리적 물체, 메시지 또는 필드 라인도 진공에서 빛의 속도보다 더 빨리 이동할 수 없다.
• 그라비티의 효과는 빛의 속도로만 우주를 여행할 수 있으며, 더 빠르거나 순간적으로 여행할 수 없다.
• 질량-에너지 동등성: E = mc^2 , 에너지와 질량은 동등하고 투과 가능하다.
• 상대론적 질량, 일부 연구자들이 사용하는 아이디어이다.

특수상대성이론의 정의적 특징은 로렌츠 변환에 의한 고전역학의 갈릴레이 변환의 대체물이다.

일반상대성

일반 상대성 이론은 아인슈타인이 1907~1915년에 개발한 중력 이론이다. 일반 상대성 이론의 발달은 가속 운동과 중력장에 있는 상태(예를 들어 지구 표면에 서 있을 때)가 물리적으로 동일하다는 동등성 원리에서 시작되었다. 이것의 결론은 자유낙하가 관성운동이라는 것이다. 자유 낙하하는 물체가 떨어지는 것은 고전 역학에서와 같이 중력의 힘 때문에 물체가 힘을 발휘하지 않을 때 물체가 움직이는 것이기 때문이다. 이것은 고전 역학이나 특수 상대성 이론과 양립할 수 없는 것이 왜냐하면 관성적으로 움직이는 물체는 서로에 대해 가속할 수 없지만 자유 낙하하는 물체는 그렇게 하기 때문이다. 이 어려움을 해결하기 위해 아인슈타인은 먼저 스페이스타임이 곡선이라고 제안했다. 1915년, 그는 스페이스타임의 곡률과 그 안에 있는 질량, 에너지, 그리고 어떤 운동량과 관련된 아인슈타인 필드 방정식을 고안했다.

일반상대성이론의 결과 중 일부는 다음과 같다.

• 중력 시간 확장: 시계는 더 깊은 중력 우물에서 더 느리게 흐른다.
• 전처리: 궤도는 뉴턴의 중력 이론에서 예상치 못한 방식으로 진행된다. (이는 수성의 궤도와 이항 펄스 에서 관찰되었다.)
• 조명 편향: 빛의 광선은 중력장이 있는 곳에서 구부러진다.
• 프레임 끌기: 회전 질량은 그들 주위의 스페이스타임을 끌어당긴다.
• 우주의 미터법적 팽창: 우주는 팽창하고 있으며, 그 먼 부분은 빛의 속도보다 더 빨리 우리로부터 멀어지고 있다.

기술적으로 일반 상대성 이론은 아인슈타인 장 방정식의 사용에 결정적인 특징이 있는 중력 이론이다. 필드 방정식의 해법은 스페이스타임의 위상과 물체가 관성적으로 움직이는 방법을 정의하는 미터법 텐서다.