아인슈타인의 ‘상대성이론’, 일반 상대성이론과 특수 상대성 이론의 차이는?

2019-02-11 17:47:00 홍승범 기자

상대성이론은 아인슈타인(Albert Einstein)이 만든 이론으로 특수상대성이론과 일반상대성이론을 통틀어 상대성이론으로 통칭 한다. 특수 상대성이론 공식 ‘e=mc²’는 가장 잘 알려진 물리학 공식이다.

 

▲아인슈타인의 상대성 이론은 현대물리에서 가장 위대한 발견이라 해도 과언이 아니다(사진 = ⓒ픽사베이)

아인슈타인 상대성이론은 영화 시나리오 작가 조나단 놀란이 활용할 정도로 색다르고 무궁무진한 매력을 갖추고 있다. 상대성이론은 양자역학 등 여타의 물리학 분야에도 많은 영향을 주게 된다. 그렇다면 현대 물리학의 정수 상대성 이론에 대해 좀 더 자세히 알아보도록 하자.

 

 

현대물리의 새로운 혁신, 상대성이론 이 만들어 낸 많은 것들

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 양자론, 양자역학이 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.

 

▲e=mc²는 특수 상대성이론의 가장 큰 핵심으로 알려져 있다(사진 = ⓒ픽사베이)

특수 상대성이론과 일반 상대성이론은 차이가 있다. 특수 상대성 이론은 1.진공에서의 빛의 속도는 모든 관측자에 대하여 동일하다. 2.모든 관성 좌표계에 있는 관측자에 대해 물리 법칙은 동일하다. (여기에는 전자기학의 법칙도 포함된다.)라는 특징이 있다.

 

일반 상대성 이론에는 '시공간은 4차원, 즉 시간과 공간이 결합된 형태의 연속체'임을 규정함과 동시에 중력을 가속운동계에 적용하고, 중력으로 인한 시간팽창, 공간 왜곡으로 일어나는 현상 등을 증명하고 기틀을 마련했다.

 

 

기존 이론에 반박하며 만든 상대성 이론, 대성공한 아인슈타인의 호기심

상대성 이론에 대해 아인슈타인은 “상대성 이론은 옛 이론의 심각한 모순에서부터 비롯되었다. 단지 몇 개의 매우 설득력 있는 가정들만 사용하는 이 이론의 강점은 이 모든 어려움들을 풀 수 있는 일관성과 단순성에 있다.” (A. Einstein & L. Infeld, The Evolution of Physics, New York, Simon and Schuster, 1961)고 밝혔다.

 

▲아인슈타인의 상대성이론은 기존 이론에 대한 모순을 바로잡는 것에서부터 시작했다(사진 = ⓒ위키미디어 커먼스)

아인슈타인은 전기공학자로서 베른의 특허국에서 일하고 있던 시절, 움직이는 물체를 다루는 전자기학에서는 뉴턴의 역학과 전자기 법칙이 서로 모순되는 측면이 나타날 수 있다는 것을 느끼며 이 상대성 이론을 고안했다고 한다.

[리서치페이퍼=홍승범 기자]

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