상대성 이론

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相對性理論

Theory of Relativity

1. 개요
2. 탄생 배경
3. 내용
4. 과학적 의의
4.1. 뉴턴역학의 종언
4.2. 양자역학의 등장과 갈등
4.3. 시간여행과 텔레포트
5. 응용
6. 일반인의 인식
6.1. 난이도?
7. 위기?
8. 여담
9. 관련 어록
10. 관련 문서

1. 개요

인간, 행성, 항성, 은하 크기 이상의 거시 세계를 다루는 이론. 양자역학과 함께 우주에 기본적으로 작용하는 법칙을 설명하는 이론이자 현대 물리학에서 우주를 이해하는 데 사용하는 두 개의 가장 근본적인 이론이다. 시간과 공간을 시공간으로, 물질과 에너지를 통합하는 데에 성공해 어둠을 인류에게 가져다 주었다.[1] E=mc^2이 바로 특수 상대성 이론에서 제시된 질량-에너지 등가 방정식이다.

특수상대성이론에 따르면 관성 좌표계(system)에서 물리 법칙은 동일하게 적용되며, 관찰자나 광원의 속도에 관계없이 진공 중에서 진행하는 속도는 일정하며 빛보다 빠른 건 없다. 이에 따라 시간공간은 속도에 따라 상대적이다. 또 일반상대성이론에 따르면 가속 좌표계에서 중력관성력은 본질적으로 같은 것이고 강한 중력은 시공간을 휘게 하며 정지한 쪽의 시간이 더 길게 간다.

2. 탄생 배경

상대성 이론 하면 시간 지연, 길이 수축 등 역학과 관련된 현상을 많이 떠올린다. 이런 것들은 광속 불변의 원리에서 도출되며, 상대성 이론의 출발점은 '광속'에 얽힌 문제였다. 광속의 단서는 맥스웰 방정식에 있었던 것.

뉴턴 역학의 제1법칙 F=ma와 갈릴레이의 상대성 원리에서는 '광속'을 찾아볼 수 없다. 그렇지만 맥스웰 방정식은 전기장과 자기장의 파동 방정식을 도출할 수 있는데, 전자기장의 진행속력이 관찰자에 상관 없이 언제나 광속으로 나오는 것이었다.

빛의 속도와 맥스웰이 예측한 전자기파 속도가 거의 일치했으므로 전자기파가 곧 빛이라는 이론이 퍼져 있었는데 맞닿은 거울이 같은 방향으로 등속 운동할 때 외부의 관찰자가 봤을때는 거울간의 빛의 이동 속도가 더 빨라야 했다는 모순을 발생시켰다. 맥스웰 이론에 따르면 전자기파속도는 매질의 투자율과 유전율곱의 0.5승에 반비례하므로 매질이 동일하다면 속도는 일정해야 될 터였다.

광속 불변 외에도 자기현상의 유무가 관측자마다 다르게 나타나는 문제도 있었다. 전기장은 전하 분포에 따라 생겨나고, 자기장은 전하가 움직일 때(즉 전류가 흐를 때) 형성된다. 가령 점전하가 정지해 있다고 할 때, 관측자는 전기장만을 관측하지 자기장은 나타나지 않는다. 그렇지만 움직이는 관측자가 볼 때에는 전하가 움직이고 있으므로 자기장이 발생한다.

이렇듯 여러 가지 전자기 현상에서 기상천외한 결론이 여럿 나왔다. 당시 과학자들은 뉴턴 역학을 버릴 수는 없었고, 맥스웰 방정식에 논리적 간극이 살짝 있을 거라고 생각하였다.

대표적인 실험이 마이컬슨-몰리 실험. 이 실험은 에테르의 존재를 밝혀내기 위해 고안되었는데, 사실 이 실험을 통해 광속이 좌표계에 따라 달라지는지 여부를 가려낼 수 있다. 지구의 공전 방향에 따라 빛의 상대속도가 미묘하게 달라질 것이고, 고안된 간섭계에는 미세하게 다른 간섭무늬가 나타날 것이라고 생각하였다. 그러나 결과는... 에테르는 없고, 광속은 일정하며, 맥스웰 방정식은 항상 옳다는 결론이 나와버렸다.

뉴턴 역학과 맥스웰 방정식에 모두 맞는 변환식으로 갈릴레이 변환 대신 로런츠 변환이 나오기도 하였다. 로런츠-피츠제럴드 수축(길이 수축)도 여기에서 나온 것이다. 로런츠 자신은 그 변환식의 물리적 의미를 규명하지는 못하였다. 아인슈타인이 상대성 이론을 정립하면서 해결하게 된다.

3. 내용

3.1. 특수 상대성 이론

  자세한 내용은 특수 상대성 이론 문서를 참고하십시오.

특수 상대성 이론의 요지는 시간과 공간은 절대적인 것이 아니며, 속도에 따라 상대적이라는 것이다.

특수 상대성 이론의 가정은 아인슈타인이 마이컬슨ㆍ몰리의 에테르 존재 여부를 알아내기 위한 실험 결과를 가지고 2가지 가정[2]을 하는데 그것은 다음과 같다.

  1. 상대성 원리 : 모든 관성 좌표계에서 물리 법칙은 동일하게 적용된다.[3]
  2. 광속 불변의 법칙 : 모든 관성 좌표계에서 진공 중에서 진행하는 빛의 속도는 관찰자나 광원의 속도에 관계없이 일정하다.

\displaystyle v=v_1+v_2의 단순한 식이 아닌, \displaystyle v = \frac{v_1 + v_2}{1 + \displaystyle \frac{v_1v_2}{c^2}}로 구해야 한다는 것이다.

기차에서 총을 쏘면 총알의 속도는 (정지 상태에서 총을 쏠때의 총알의 속도) - (기차의 속도) 혹은 (기차의 속도) + (정지 상태에서 총을 쏠때의 총알의 속도)가 되는 반면 (총알을 기차의 운동방향과 같게 쏠 때와 반대로 쏠 때의 차이다.), 기차에서 레이저를 쏴도 정지한 상태에서 쏜 것과 같이 빛의 속도는 일정하다. 덧붙여서 이 공식은 탄젠트의 각의 합성 공식과 비슷한데, 그 이유는 상대성이론에서 시간에 대한 이동거리는 광속을 기본단위로 두고, 시간축을 허수축으로 둔 뒤 그 기울기를 구하는 건데[4][5] (즉, \displaystyle v = \frac{v_0}{ci} = \tan{(v_0)}이다) , 이 기울기(탄젠트)의 값이 허수인 탓에,

\displaystyle \frac{\Sigma v}{ci} = \frac{\displaystyle \left ({\frac{v_1}{ci} + \frac{v_2}{ci}} \right)}{\displaystyle 1 - {(-i)^2}\frac{v_1v_2}{c^2}} = \frac{\displaystyle \frac{(v_1 + v_2)}{ci}}{\displaystyle 1 + \frac{v_1v_2}{c^2}}

\displaystyle \Sigma v = \frac{{v_1 + v_2}}{\displaystyle1 + \frac{v_1v_2}{c^2}} 이기 때문.

특수 상대성 이론의 결론은 다음과 같이 대략 요약할 수 있다.

  1. 관측자에 대해 빠른 속도로 운동하는 물체는 시간이 느려진다(시간 지연).
  2. 관측자에 대해 빠른 속도로 운동하는 물체는 고전적 운동량보다 더 큰 값을 가진다.[6]
  3. 관측자에 대해 빠른 속도로 운동하는 물체는 길이가 짧아진다.
  4. 질량이 에너지로, 혹은 에너지가 질량으로 바뀔 수 있다.(E=mc^2)

3.2. 일반 상대성 이론

  자세한 내용은 일반 상대성 이론 문서를 참고하십시오.

특수 상대성 이론은 등속으로 운동하는 계(system)에만 적용할 수 있다. 일반적인 적용을 위하여 중력을 재해석한 것이 일반 상대성 이론이다. 일반 상대성 이론의 결론은 다음과 같이 대략 요약할 수 있다.

  1. 중력과 가속도는 구별할 수 없는, 본질적으로 같은 것이다.[7] 비유를 들어 설명하면, 우리가 지금 지구에 서있는 것과 무중력 상태에서 9.8~\rm m/s^2 \it[8]로 윗방향으로 가속되는 엘리베이터에 타고 있는 것은 완전히 같다는 뜻.
  2. 강한 중력은 시공간을 휘게 한다. (블랙홀의 경우 시공간에 구멍을 뚫는다고 생각해도 된다.)
  3. 정지한 쪽의 시간이 더 길게 간다.

운동 속도에 따라 각자 시간과 공간을 상대적으로 느낀다는 것이 상대성이론의 결론 중 하나이다. 따라서, 어떤 속도로 이동하더라도 자기자신이 체험하기에는 항상 정상적인 속도로 시간이 흐른다. 따라서, 빨리 달리면 오래 산다거나 하는 일은 있을 수 없다. 더 먼 날짜까지 사는 것은 가능하다. 비슷해 보이는 말이지만 분명 다르다. 조금 자세히 말하자면, 극단적으로 타임머신에 타고 있는 효과가 나온다고 치면 본인은 주위 사람들에 비해 젊고, 외부 시간 기준으로(= 달력상의 날짜) 오래 살아있을 순 있다. 하지만 본인의 수명은 동일, 즉 본인 외 사람이 빨리 늙거나 세상이 빨리 변해버리는 효과일 것이다.

시간 지연은 단순히 운동계의 시간이 더 빨리 간다는 의미를 가지고 있다. 따라서 뒤에 나오는 쌍둥이의 패러독스와는 의미가 전혀 다르다. 쌍둥이의 패러독스는 단순히 쌍둥이 둘 중 하나가 늙는다는 것이 아니다 - 이것은 패러독스가 아니다. 둘 중 누가 늙었을지 결정할 수 없다는 의미에서 패러독스다. 다만 진짜 패러독스는 아니다. 일반 상대성 이론까지 갈 필요도 없이 특수 상대성 이론에 따른 관점으로 구분 가능하다.

질량이 큰 물체는 큰 중력이 있고 주변공간은 휘어진다.

철로를 따라 달리는 기차를 생각하면 된다. 기차 자체는 그냥 직진만 할 뿐이다. 철로를 따라 그냥 직진을 해도 철로가 휘어져 있으면 결국 철로의 휘어진 길을 따라 이동하기 때문에 멀리서 보면 마치 기차 스스로 핸들을 움직이는것처럼 보인다.

빛도 마찬가지로 빛 스스로는 그냥 직진만 할 뿐이지만, 빛이 이동하는 공간이 휘어져있을 경우 그 공간을 따라 이동하는 빛은 멀리서 보면 빛이 휘어지는 것처럼 보인다!

아인슈타인이 이러한 주장을 한 후 나중에 빛이 중력을 가진 물체 옆에서 휘어지는 것이 증명되었다.

이종필 박사의 일반 상대성이론 오디오 강의 上

이종필 박사의 일반 상대성이론 오디오 강의 下

이종필 박사의 일반인을 위한 일반상대성 이론 강의[9]

이종필 박사의 일반인을 위한 일반상대론(kocw-내용은 위와 같지만 회원가입 없이 링크를 타고 가서 유투브에서 볼 수 있다

4. 과학적 의의

4.1. 뉴턴역학의 종언

상대성이론은 뉴턴의 물리학을 끝내고 새로운 물리학의 표준을 제시했다. 고등학교, 대학교 등에서 '뉴턴 역학', 혹은 '고전역학'으로 부르는 학문 분야는 대부분의 경우, 상대성 이론과 비교하는 차원에서, 뉴턴의 운동법칙과 시공간의 절대성을 모두 포함하는 학문 분야다. 그리고 뉴턴 역학의 핵심인 뉴턴의 운동법칙은 근사적으로 옳은 측정값을 내놓는다. 물론 상대성 이론에서도 관성의 법칙, F=dP/dt, 작용 반작용의 법칙이 전부 적용된다. 하지만 시공간의 절대성이 포함된, '절대적인 시공간'이라는 방식으로 적용하던, 뉴턴 역학은 오류가 있으며 상대성 이론이 뉴턴 역학을 반박한 것이 된다.

패러다임 이론을 주장한 과학철학토마스 쿤은 <과학혁명의 구조>에서 상대성 이론에서 말하는 위치, 시간, 질량 등의 개념과 뉴턴 역학에서의 위치, 시간, 질량 등의 개념이 다르기 때문에 뉴턴 역학이 상대성이론에서 유도되지 않는다고 주장했다. 수학적인 근사 과정을 거치면 비슷한 이론일지 몰라도, 핵심 아이디어의 개념이 전혀 다른 이론이라는 것. 즉 상대성이론이 등장하면서 패러다임의 전환이 일어나 과거의 정상과학이였던 뉴턴역학을 뒤로하고 상대성이론이 새로운 정상과학의 자리에 오른 것이다.

물론 오해하면 안되는 것은 표준으로써 뉴턴물리학이 끝났다는 것이지 뉴턴역학 자체가 부정되고 쓸모없어졌다는 의미가 절대 아니다. 왜냐하면 뉴턴역학이 가정한 시공간의 절대성이 잘못되어있다고 해서 뉴턴역학 자체가 무의미해진 것은 아니기 때문이다. 물체의 속도가 빛의 속도에 비해 무시할 수 있다면 상대성 이론 공식에 적절한 근사값을 취해간다면 뉴턴 역학 공식이 나온다. 즉 일상 생활에서는 뉴턴 역학을 잘만 사용할 수 있다. 뉴턴역학은 상대성 이론보다 250년 정도 앞서 나온 이론이라는 것을 생각하자. 뉴턴이 살던 시절은 전기나 동력은 물론 제대로 된 실험 장비도 하나 없던 중세 시대이고, 아인슈타인은 발전소에서 생산된 전기가 도시를 밝히고 자동차와 모노레일이 다니던 근현대 시대 사람이다. 그럼에도 불구하고 뉴턴역학은 지금도 중고등학생은 물론 대학생이 되어서도 배우는 물리학의 근간이다.

4.2. 양자역학의 등장과 갈등

특수상대성이론의 내용 중 일반적으로 가장 잘 알려진 E=mc²에 따라, 물질을 에너지로 해체하려는 경향이 더욱 강해지면서 물질파 가설 등 양자론적 관점의 새로운 이론들이 등항하며 양자역학은 더욱 힘을 얻게 되었고, 결국 슈뢰딩거 방정식불확정성 원리의 등장으로 양자역학은 우주의 미시적 근본원리를 해명한 새로운 표준으로 자리잡힌다. 특히 폴 디랙디랙 방정식으로 파동함수가 상대론적 상황에 확대되면서 특수상대성이론은 완전히 양자역학의 일부로 들어오게 되었다.

그러나 이건 물리학의 새로운 난제를 만들었는데, 우선 상대성이론과 양자역학은 철학적인 관점이 완전히 달랐다. 상대성이론은 대표적인 결정론(Determinism)적 이론이다. 초기조건을 주고, 계산만 잘 하면 결과가 어떻게 나올지는 뻔히 알 수 있다. 그래서 당연하게도 양자역학의 확률적 결정론(일이 일어나는 확률만이 결정 되어있다는 이론)과 마찰을 빚었으며 아인슈타인은 죽을 때까지 양자역학을 받아들이길 거부했다고 한다.

게다가, 순순히 양자역학의 일부로 흡수된 특수상대론과 다르게 일반상대론을 양자역학으로 확장하려는 시도는 진짜로 큰 문제가 있어서, 실제로 2020년 현재까지도 통합에 실패했다! 양자역학으로 밝혀진 중요한 사실 중 하나는 우주의 모든 힘은 근본적으로 4가지 기본 상호작용중력, 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용으로 이루어졌다는 것이다. 그렇다면, 상대성이론과 양자역학의 도구들을 이용해서 이 4가지 힘을 밑바닥부터 설명하면 우주의 모든 것을 설명할 수 있다! 물리학자들은 양자역학과 상대성이론이 확고하게 자리잡은 1950년대 이후 우주의 모든 힘을 이 두 이론으로 설명하려는 시도를 했고 중력을 제외한 다른 힘들은 재규격화(Renormalization)[10]이라는 도구를 통해 엄청난 성공을 보였지만, 양자중력이론으로 와서는 재규격화를 하니까 이론이 파탄나서 개소리가 되어버린다! 양자역학에서의 진공에서의 쌍생성 쌍소멸을 일반상대성 이론의 시공간으로 설명하니까 그렇게 단순해보이는 진공 이론부터 이미 양자론의 적용범위를 벗어나 버린 것이다.

덕분에 2020년 현재까지도 이 두 개의 이론은 통합되지 않았다. 이 두 개의 이론을 이어보려는 대표적인 후보가 바로 초끈이론(Superstring Theory)인데, 초끈이론같은 경우 모든 것의 이론이라는 엄청난 이름의 이론의 후보로 유명하다. 모든 것의 이론은 표준 모형과 4대 기본 상호작용 전부를 하나의 통일된 이론으로 설명하는 시도다. 초끈이론 외에도 많은 이론이 있었으나, 밑도 끝도 없는 변칙(anomaly)을 극복하지 못하고 수없이 좌초했다. 그래서 현재 초끈이론은 물리학자들에게 가장 주목받는 이론이라 해도 손색이 없다. 이 이론의 최대 문제점은 사실 양자 역학과 상대성 이론을 연결하지 못했다는 것이 아니라, 리처드 파인만이 지적했듯[11] 실험적인 결과물을 단 하나도 내놓지 못했다는 점이다. 반면 루프 양자 중력 이론(Loop Quantum Gravity;LQG)이라는 중력과 양자론만 통합하려는 시도도 존재한다. 초끈이론 만큼 스케일이 크진 않지만, 중력과 양자론을 통합하려는 점에서 공통점이 있다. 스케일이 작은만큼 실험적 결과는 이쪽이 더 잘뽑히는 편.

4.3. 시간여행과 텔레포트

또, 상대성 이론 덕분에 물리에서 텔레포트초광속 비행이 불가능한 이유가 증명되었다. 엄청 빠르게(그래봐야 광속) 움직인다거나, 숨겨진 지름길로 이동해서 서로 맞교환한다거나, 정보로 치환돼서 빛의 속도로 이동하는건 가능하겠지만, 한 순간 서로 동시에 바꾸는 것은 불가능하다. 이걸 가정하면 '어떤 사람에게는' 한쪽의 물체가 사라지기만 하고 다른 쪽이 등장하지 않는, 보존법칙을 말아먹는 상황이 발생한다.

단, 양자역학으로 들어가면, EPR 얽힘(entanglement)을 이용한 텔레포트는 이론상 가능하다는 주장이 제시된 적이 있다. 기본적으로 EPR이 나온 이유는 상대성 이론보다는 양자역학의 확률론적인 해석 때문에 제시된 것이다. 닐스 보어가 대표적인 확률론 지지자였다. 그리고 벨의 부등식(Bell's inequality)으로 초광속이 아니면서 결정론적(deterministic)인 숨은 변수(즉 양자역학이 불완전해서 예측하지 못하는 변수)가 존재한다면 양자역학과 다른 실험결과를 낼 것이라는걸 증명했고 이는 실험적으로 입증되었다. 초광속으로 무언가 전달된다는 개념은 결국 양자역학의 파동함수(wavefunction)가 한순간에 무너지는 현상을 이야기 하는 것이다.

두 얽힌 광자가 있을 때, 한 광자의 스핀을 측정해 빛보다 빠른 속도로 다른 광자의 스핀을 알 수는 있으나, 이를 이용해 정보를 송신할 수는 없다. EPR 실험은 EPR 얽힘과 달리 어떤 형태의 정보는 빛보다 빠르게(송신이 아니라 수신의 형태로) 전달 가능하다는 사실을 확인하였다.[12] 하지만 이것만으로는 특수상대론의 가정이 망가지는 것은 아니다. 양자 얽힘만으로 의미 있는 정보를 초광속으로 전달하는 것은 불가능하다는 것이 학계의 정설이다. 즉, 초광속으로 메세지를 전달하는 통신 같은 걸 만들 수는 없다는 뜻.[13] 그런데 EPR 실험에서는 양자의 스핀을 확인했지만, 스핀이 아니라 파동함수의 붕괴를 전달한다면 가능할수도 있다고 한다. 다만 어쨌든 뭔가가 초광속으로 전달된다는 건 확실하다.

초광속 비행의 경우, 일단 광속에 도달하는 게 불가능하니까 초광속은 더욱 불가능한 게 당연하다. 하지만 그건 어디까지나 정상적인 방법으로 추진할 때 이야기지, 워프웜홀 등의 이론이 남아 있다. 참고로 둘 다 SF 작가들이 상상한 내용이 아니라 학계에서 제시된 이론이며, 웜홀의 경우 아인슈타인 본인이 구상에 참여했으며, 웜홀의 원래 이름이 다름 아닌 아인슈타인-로젠 다리이다!

5. 응용

상대성 이론은 아이작 뉴턴에 의해 창시되고 300여년간 물리학을 지배한 고전 역학패러다임을 깨부순 물리학 이론 전체의 새로운 기본이기에 물리학 전체가 그 응용이라 봐도 좋다. 하지만, 물체의 속도가 일정 수준 이상 크지 않거나, 물체가 정지상태라면 상대성 이론의 식은 뉴턴의 고전 역학의 식으로 근사하거나 치환될 수 있다[14]. 그렇기 때문에 뉴턴역학이 틀렸다며 현대물리학만을 추구할 필요도 없고, 대중없이 최신이론을 적용하려고 들면 오히려 계산과정이 극도로 복잡하여 결론은 동일하겠지만 효율면에서 뉴턴역학이 비교도 안되게 효율적이다. 일상적인 규모는 상대성이론이 다루는 규모보다 작아서 상대성이론을 공학적으로 적용하는 일은 많지 않다.

물론 특수상대성이론을 적용하는 일 역시 GPS나 광통신 등에서 수요가 많다. 구체적으로 특수상대성이론은 우주 산업, 특히 현재는 인공위성에 필수적인 지식이 되었다. 속도로 인해 인공위성과 지표면에서의 시간의 흐름이 다르기 때문에, 이것을 따로 맞춰주지 않는다면 GPS나 통신에 심각한 문제가 발생할 수 있다. 시간을 보정해주지 않았을 경우, GPS의 오차는 하루 약 11km씩 커지게 된다.

상대성 이론의 응용 예 중 하나가 바로 미터(m)의 정의다. 1m는 "빛이 진공상태에서 1/299,792,458초 동안 이동한 거리"로 정의된다. 왜 더 간편한 1/300,000,000초로 정의되지 않는가 하고 따질 수 있겠는데, 여기엔 어쩔 수 없는 이유가 있다. 그렇게 바꾸면 기존에 쓰이던 미터와의 차이가 너무 커지기 때문에 (거의 0.07%이긴 하지만 결코 무시할 수 있는 차이가 아니다) 엄청난 혼란을 야기할 수 있기 때문이다. 비용도 만만치 않을 것이고. 도량형을 정한다는 게 인류 문명에 편의를 주고자 하는 데에 의미가 있는 거지, 인류에게 혼돈의 카오스를 안겨주기 위해 있는 것이 아니란 점을 생각해 보자.

단위의 정의는 보편적인, 즉 이 우주 어디에서든 언제든 똑같이 결정될 수 있고 현재 기술적으로 측정이 가능한[15] 방법으로 정의되어야 한다. 기존의 미터를 정의한 지구의 자오선 길이는[16] 오차가 생길 수 있고 영원히 똑같은 길이로 결정되리란 보장도 없다. 하지만 광속 불변의 원리에 따르면 빛의 속력은 어떤 계에서 측정하든 똑같다. 이 점이야말로 단위 정의에 써먹기 적합한 것이고, 그래서 현재의 미터 정의가 나오게 된 것이다.

다만 일반상대성이론은 확실히 열외. 이건 정말로 천문학이나 우주공학을 할 게 아니라면 쓸 일이 거의 없어서 난이도는 둘째치고 일단 배울 기회가 없다. 그래도 명색이 우주라고 GPS 사용에도 일반상대성이론이 꽤 중요하긴 하다. GPS 위성은 높이 있기 때문에 시계가 지상에서보다 빠르게 째깍거린다.

흔히 생각하는 상대성이론의 응용이 핵무기라는 인식은 반은 맞고 반은 틀린데, E=mc²를 통해 물질과 에너지의 관계에 대한 깊은 이해가 생긴 건 사실이고 핵무기의 제작에 상대성이론이 큰 기여를 한 것도 사실이지만, 위의 과학적 의의 문단에서 설명하듯 미시세계에 대한 근본적인 설명을 해낸 건 양자역학이다. 상대성이론이 극단적인 상황의 물리학은 고전물리학과 완전히 다르다는 것을 보이면서 정체된 물리학[17]을 혁명의 선두주자 같은 분위기로 바꾸고 그 분위기를 이어받아 양자역학이 만들어졌으며, 특히 원자나 전자기력을 설명하는데 큰 도움을 주며 특수상대성이론은 양자역학에 통합되기까지 했지만, 핵물리학의 본질은 양자역학이고, 맨해튼 프로젝트를 이끌었던 천재 물리학자들은 모두 양자역학을 공부하다 들어온 사람들이다. 가만히 있었어도 유명하단 죄로 욕먹었을 아인슈타인이 직접 "히로시마와 나가사키의 일을 알았다면 E=mc²를 찢어버렸을 것이다"라는 말로 책임을 통감하는 어그로를 끌어버려서 "상대성이론 핵폭발 뭐시기 그거아님?"하고 와전된 케이스.

6. 일반인의 인식

상대성 이론은 일반인에게 우주에 대한 인식을 단순히 넓다에서 끔찍하게 광활하면서도 인간적인 인식으로는 감히 개척하기 두렵다 라고 바꿔주었다. 만일 수십 년간 광활한 우주에서 여러 항성계를 여행하고 지구에 돌아왔는데, 이미 까마득한 시간이 흐른 뒤이고, 돌아가는 것이 불가능하다면?[18], 혹은 극한의 중력으로 인해 빠져나올 수 없는 시공의 구멍이 존재한다면? 이러한 우주의 새로운 발견은 우주를 바라보는 인간이 말 그대로 우주적인 공포를 느끼게 하기에 충분했다. 사실, 블랙홀이 화두된 건 상대성이론 이후였다.[19] 상대성이론이 시공간의 휘어짐을 기술하기 때문에, 태양 같은 질량이 작은 물체는 빛을 조금 휘게 할 수 있지만, 만약 태양보다 질량이 훨씬 커서 시공간에 거의 구멍을 낼 정도의 물체가 있다면 빛ㅡ뿐만 아니라 물질들ㅡ은 어떻게 될 것인가 라는 추측으로부터 탄생한 개념이 블랙홀이다. 초기에는 만유인력법칙 때부터 그랬듯이 그런 천체는 있을 수 없다는 것이 중론이었으나 여러 과학자들이 블랙홀의 자세한 성질들을 꾸준히 연구하고 관측한 결과, 결국 보이지 않는 곳을 공전하고 있는 천체를 발견하면서 블랙홀의 존재가 증명되고야 말았다. 이후 적외선, 자외선 관측 등을 통해 꾸준히 블랙홀이 발견되고 있다. 그리고 2019년 4월 11일 처녀자리A 은하의 블랙홀을 통해 공식적으로 화상촬영을 하는데까지 성공했다.

일반인들이 생각하는 인류 역사상 가장 위대한 물리학 이론 1위이다. 또한, 전체 이론 중에서도 일반 상대성 이론이 4위, 특수 상대성 이론이 5위를 차지했다.[20] 다만 상대성이론의 내용을 이해하고 위대함을 평가할 수 있는 사람을 일반인이라고 할 수 있는지는 의문. 이공계열 4년제 대학을 나온 사람이라면 일반물리에서 특수상대성이론과 로렌츠 변환까지는 배웠겠지만, 그 이상은 물리학도가 아닌 이상은 무리다. 이 순위는 위대한 물리학 이론을 뽑았다기보다는 일반인 대상 물리 이론 인지도 순위를 조사했다고 보는 게 정확할 듯하다. 사실 그런 의미에서 현대물리 이론 및 성과 중 상대성 이론은 이론 발표 시의 언론홍보로 독보적인 인지도를 가지게 되었다.

6.1. 난이도?

일반상대론은 워낙 어려운 탓에 초기에는 전 세계에 이를 이해하는 사람이 3명뿐이라는 등 일종의 도시전설이 돌았다.

개중에는 일식 현상에서 빛의 굴절을 측정하여 상대성 이론을 실험[21]으로 최초로 입증한 에딩턴에 관한 일화도 있다.[22] 1919년 학회에서 당시 스스로 상대성이론의 전문가라고 여기고 있던 실버슈타인이 에딩턴에게 "당신은 상대성 이론을 실제로 이해하고 있는 세 사람 중 한 명입니다(나머지 두 명은 아인슈타인과 자신이라는 전제를 깔고)."라고 하자 에딩턴은 대답이 없었다. 실버슈타인이 "부끄러워하지 마세요."라고 하자 에딩턴은 "아, 나는 세 번째 사람이 누구인지 생각하고 있었습니다."라고 대답했다.

물론 상대성 이론 자체가 일반인에게나 어렵지, 당시 물리학자들이 따라갈 수 없는 정도는 결코 아니었다. 적어도 3명이나 13명보다는 훨씬 많다. 더군다나 특수 상대성 이론의 기본적인 얼개는 피타고라스 정리 정도만 이해하고 있어도 주요한 수학적 증명을 이해할 수 있다. 단지 기존의 패러다임과 매우 달랐기 때문에 사회적인 충격이 컸다는 것 정도로 이해하면 된다.[23]

다만 그렇다고 '상대성 이론 정도는 학부 1학년 일반물리에서 배운다.'라는 반대방향의 오해도 틀린 내용이다. 1학년에서 배울 수 있는 것은 특수 상대성 이론뿐이고[24], 일반 상대성 이론은 그보다 훨씬 어렵기 때문에 수박 겉핥기 식으로 넘어가야 한다. 무엇보다도 일반 상대성 이론을 다루기 위한 수학 자체가 1학년 수준의 난이도가 아니기 때문에[25] 1학년에서 일반 상대성 이론을 제대로 배우는 것은 무리다.

특수 상대성 이론은 2015년 수능부터 적용되는 개정 고등학교 과정 물리Ⅰ에서도 배운다! 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론 양쪽을 모두 어느 정도 배우게 된다.

사실 글로는 쉽게 이해하기 힘든 것이 과학 법칙이다. 이는 전공자에게는 쉬운 수식도 일반인에게는 매우 어렵기 때문이다. 상대성 이론에 대해 좀 더 쉽게 알고 싶은 일반인에게는 교육방송에서 2013년에 제작한 '빛의 물리학'을 추천한다. 총 6부로 구성되어 있으며, 이 중 1부와 2부는 특수/일반 상대성 이론에 관한 것이다.(2014 백상예술대상 교양작품상 노미네이트)

상대성 이론을 일반인이 공부하기에 좋은 서적에는 '상대성 이론이란 무엇인가'가 있다. 그림이나 상황 설정을 통해 보다 이해하기 쉽게 설명이되어있기 때문에 수식을 잘 모르는 일반인도 이해하기 매우 편하다. 실제로 수식은 단 한 번밖에 존재하지 않는다.[26]

건국대학교 학술연구교수 이종필 박사의 특수 상대성이론 오디오 강의 上

이종필 박사의 특수 상대성이론 오디오 강의 下

7. 위기?

상대성 이론에서는 초광속비행이 불가능하다고 했다. 2011년 9월 22일(현지시간) CERN(유럽 입자 물리 연구소)에서 중성미자가 빛보다 빠르게 운동했다고 발표했다. 빛보다 약 5만 분의 1초 빨랐다고 한다.2006년 미국시카고 페르미연구소에서도 이런 결과가 있었다고 한다.

놀라운 일이었기 때문에 CERN에서조차도 발표에 신중을 기했고, 실험결과 및 연구과정을 즉시 공개하여 오류는 없는지 전 세계 과학자들과 한번 보자며 적극적으로 확인작업에 나서고 있다. 빛보다 빨리 전달되었다고 파악된 중성미자의 도착시간을 측정하는 과정에서 시간을 잘못 쟀을 가능성이 있기 때문. 그것도 모자라서 실험 과정을 공개하고서는 다른 과학자들도 유사한 실험을 해보라고 권하고 있다. 우리만이 아닌 다른 사람들이 실험해서도 동일한 결과가 나온다면 훨씬 신빙성이 있지 않겠느냐는 얘기. 하지만 CERN의 실험이 맞아떨어져 광속을 돌파한 중성미자가 사실이라면 상대성 이론의 "빛보다 빠른 물질은 없다"는 부분은 상대성 이론이 주장하는 광속에 대한 개념을 반증한 것이니 이 부분은 파기되게 된다.

그러나 GPS 수신기에 연결 광섬유 케이블 간의 연결 상태 불량에 의한 오차로 판정됐다. 중성미자는 엄청나게 많은 주제에 관측하기는 또 더럽게 어렵기 때문에(전기적으로 중성이라 전자기력을 받지 않고[27], 강한 상호작용도 하지 않고, 오로지 약한 상호작용만 하는 골때리는 입자.) 오차가 나기 쉬운 입자다.

수정 후 재실험하니 빛보다 빠르지 않았다. 따라서 2012년 6월 2일, 초광속 주장을 철회할 것이라고 발표했다.#

사실 빛보다 빠르다는 것 자체만으로는 상대성이론에 위배되지 않는다. 다만 이런 물체는 보통 물질들과 상호작용하지 않아야 한다는 전제가 필요하다. 즉, 초광속으로 움직일 수 없는 우리에게는 없는 것이나 마찬가지이다. 그렇지 않으면 말 그대로 초광속 정보전달이 가능해지기 때문. 예로부터 이를 가상입자 타키온(Tachyon)이라고 부르며 이에 대한 (단순한 재미정도로 보이지만) 논문도 많이 쓰여져있다.

8. 여담

  • 워낙에 유명해서 각종 미디어 매체에 뭔가 있어 보이려고 전혀 맞지 않는 곳에 E = mc2를 갖다 붙이는 일이 매우 흔하다.
  • 자칭 '재야과학자'들이 요즘도 과기원이나 한림원등에 "상대성이론이 틀렸다는 것을 증명했다"며 찾아온다. 이런 사람을 보면 무시하는 편이 정신건강에 좋다. 상대성 이론은 수없이 많은 실험을 통해 그 이론적 근거를 충분히 마련해 놓은 상태다. 물론 모든 과학 이론과 마찬가지로, 앞으로 다른 증거가 나오면 상대성 이론도 개편돼야 할수도 있다.[28] 다만 아직까지는 증거가 나오지 않았다.[29]
  • 알버트 아인슈타인은 상대성 이론 대신, 광전효과와 이론 물리학 연구의 공적을 인정받아 1921년 노벨 물리학상을 받았다. 광전 효과, 브라운 운동, 흑체 연구, 대 통일장 이론 제창 등이 그의 공적인데, 아인슈타인 문서에도 쓰여 있지만 이 연구들 모두 상대성 이론 못지 않게 현대 물리학에 큰 영향을 미쳤으니 충분히 노벨상을 받을 만한 업적이긴 하다.[30] 다만 가장 위대하고 유명한 상대성 이론으로 받지 못한 것은 노벨상 위원회 양반들은 상당히 깐깐하고 보수적이라 논란이 있는 이론에 상을 주는 것을 꺼렸기 때문이다. 당시에는 완벽한 실험적 검증이 이뤄지지 않았다고 생각해서 아인슈타인은 1921년에야 광전 효과와 이론물리학에 대한 기여로 노벨상을 받았는데, 사람들이 "대체 아인슈타인이 노벨 물리학상을 못 받는다면 대체 누가 받는단 말이냐"라는 불만으로 노벨상의 권위가 땅에 떨어질 위기에 처하자 차마 상대성이론으로 주긴 싫고 광전 효과로 노벨상을 주었다는 평이다. 물론 이 "이론물리학에 대한 기여"라는 다소 애매한 업적은 사실상 상대성이론인데, 노벨상 위원회가 깐깐해서 애매하게 표현했다는 것이 주론. 결론적으로 요약하자면 실질적으로는 상대성 이론으로 받았지만, 명분상으로는 광전 효과로 받았다. 물론 광전 효과도 노벨상을 충분히 받을 만한 업적이지만, 워낙 아인슈타인 하면 상대성 이론이고 상대성 이론하면 아인슈타인이다 보니 일반인들이 자주 착각하는 사실이다.[31]
  • 아인슈타인 본인은 이론 이름을 '불변 이론'으로 하고 싶어 했다고 한다. 사실 이론의 내용을 보거나, 이름의 상대성이란 단어에만 집중해서 이상한 결론을 내리는 좆문가들을 보면 왜 아인슈타인이 불변이론이라고 이름 붙이고 싶어 했는지 알 수 있다.
  • 앞서 말한 뉴턴 역학과의 관계 때문에 마치 아인슈타인이 뉴턴을 '극복'했다고 표현하는 글이 매우 많다. 심지어는 다음과 같이 뉴턴을 조롱하는 시도 있다. 영국의 시인인 알렉산더 포프가 뉴턴을 찬양하면서 남긴 시에 대한 대구 겸 패러디 시이다.

“Nature and Nature's laws lay hid in night:

God said, Let Newton be!

and all was light.”

자연과 자연의 법칙은 어둠에 숨겨져 있었네.

신이 말하길, ‘뉴턴이 있으라!’

그러자 모든 것이 광명이었으니.”

알렉산더 포프의 원작 시.

It did not last: the devil, shouting

"Ho. Let Einstein be," restored the status quo.

“그러나 ‘호!’하고 소리치며

악마가 말하길, ‘아인슈타인이 있으라!’

그러자 모든 것이 원래 상태로 되돌아갔으니.”

존 콜링즈 스콰이어(Sir John Collings Squire)의 패러디 시

9. 관련 어록

학생 : 아인슈타인 씨, 만약에 에딩턴 경이 관측에 실패했었다면 당신은 그에 대해 어떤 반응을 보였을 것 같습니까?

아인슈타인 : 그랬으면 나는 에딩턴 경을 위로했겠지, 왜냐하면 내가 만든 상대성이론은 수학적으로 너무나 아름답고 자명해서 도저히 틀릴 수 없었을 테니까.

-에딩턴이 개기일식 때 별 관측을 통해서 일반상대성이론으로 예측된 값[32]을 얻고 난 후 아인슈타인이 한 학생과 진행한 인터뷰에서.[33]

과학의 혁명 - 새로운 우주론이 뉴턴의 물리학을 전복시키다[34]

-1919년 11월 7일 런던 타임스 신문 표지제목

10. 관련 문서


  1. [1] 상대성 이론만으로 원자력의 사용이 가능해진 것은 아니지만 이론적 기초를 닦은 것은 사실이다.
  2. [2] 여기서 가정이란 공리로 받아들이는 것이다. 즉 상대성이론은 아래 두 명제를 주춧돌로 하여 모든 것을 설명한다는 것이다. 만약 2가지의 원리, 즉 공리 중 하나라도 수정해야 한다면, 그 수정 공리를 발견한 사람은 뉴턴을 물리학의 왕좌에서 끌어내린 아인슈타인과 같이 아인슈타인을 왕좌에서 끌어내릴 수 있을 것이다!
  3. [3] 등속직선운동하는 버스에서 공을 위로 던져보자. 던진 사람에게는 위로 올라갔다가 아래로 떨어지지만, 버스 밖의 정지한 사람에게는 포물선을 그리는 것처럼 보인다. 하지만 두 공에는 모두 F=ma. 같은 물리 법칙이 동일하게 적용된다.
  4. [4] 사실, 이 서술은 조금 잘못 된 점이 있다. 시간은 방향성이 있어 전, 후의 구분이 명확하지만, 공간은 어느 좌표를 기준으로 잡아도 되기 때문에(즉 A에서 B까지, B에서A까지) 방향성이 없다. 이는 곧 공간에는 전,후,좌,우의 "대소"구분이 없다는 것이며, 따라서 시간이 실수축에, 공간이 허수축에 어울린다는 뜻이다. 다만, 실제 계산에서는 (허수축인 3차원 공간+실수축인 1차원 시간)과 (실수축인 3차원공간+허수축인 1차원시간)의 차이가 없기 때문에 다음처럼 서술한다.
  5. [5] 하지만 이 단방향성이 중요한 게, 지금 당신이 이미 한 번 지나간 장소라도 또 다시 지나갈 수 있는 것은 공간좌표가 허수축이라서 가능한 것이다. 만일 공간이 실수축일 경우, 이미 일어난 사건(즉, 과거에 당신이 지난 길)에 다시는 못가게 된다. 또한 시간축이 허수이면, 시간의 가장 큰 특징인 사건의 전,후 구분이 사라져 과거가 미래에, 미래가 과거에 일어나는 등 우리가 느끼는 시간과는 전혀 다른 무언가가 된다.
  6. [6] 이것을 질량이 늘어난다고 과거에는 해석을 했었으나 요즘 물리학계에서는 질량은 전하처럼 물체의 변하지 않는 속성으로 해석하기 때문에 더 이상은 상대론적 질량이라는 말을 사용하지 않는다. 실제로 입자가속기 등에서 입자를 광속에 가깝게 가속시켰을 때 질량이 늘어났는지는 알 수 없다. 왜냐면 움직이는 물체의 질량을 잴 방법이 없기 때문이다. 우리가 측정하는 것은 운동량의 변화뿐이다.
  7. [7] 사실, 아주 같다고 보긴 힘들다. 일반상대성이론 항목 참고. 그래도 전문적으로 일반상대론을 다룰 작정이 아니라면 그냥 같다고만 알아도 될 것이다.
  8. [8] 지구의 중력가속도는 9.8~ \rm m/s^2 \it이다.
  9. [9] k-mooc에서 제공하는 강의로, 회원 가입 후 수강신청을 하면 누구나 수강은 가능하다.
  10. [10] 무한히 발산하는 값을 실험으로 관찰된 값으로 마음대로 바꿔버리는 개사기 테크닉이다. 이 기술의 터무니없음에 질색한 폴 디랙은 재규격화를 죽을때까지 받아들이지 못했다.
  11. [11] 파인만은 대표적인 초끈이론 반대자였는데, 아이러니하게도 재규격화를 통해 양자 전기역학으로 폴 디랙의 뒷목을 잡게만든 업적이 있다. 그리고 폴 디랙의 양자역학은 아인슈타인이 뒷목을 잡게 만들었고...
  12. [12] 아주 쉽게 비유하자면, 흰 공과 빨간 공을 각각 하나씩 상자에 담아 친구에게 한 개를 주고 한 개는 자신이 가졌다고 하자. 그리고 친구가 10만 광년 너머로 여행을 떠났다고 하자. 이때 '나'의 상자를 열어서 하얀색 공이 나왔다면, 자연히 친구의 공의 색깔은 빨간색이라는 정보를 '순식간에' 얻게 된다. 설령 그 빨간 공이 10만 광년 너머에 있을지라도. 그렇지만 그 정보를 친구에게 보낼 수는 없다.
  13. [13] 참고로 양자 통신에서 쓰이는 정보 전달 방식은 이와 이야기가 조금 다르다.
  14. [14] 일반 물리학 교재 상대성이론 파트를 보면 고전 역학식을 상대성 이론에 따라 재정의하는 부분이 나온다.
  15. [15] 이게 은근히 크다. 예컨대 이 사항은 kg의 단위를 무슨 원자 몇 개로 정의할 수 없는 이유이기도 하다.
  16. [16] 1793년 처음으로 정의된 미터는 적도에서 북극까지의 거리를 100만으로 나눈 것이었다.
  17. [17] 양자역학을 촉발시킨 막스 플랑크의 스승 필립 폰 욜리는 "물리학이 거의 끝났다"는 말을 할 정도일 만큼 당시 물리학자들의 분위기는 "해낸건 좋은데 이제 뭐먹고살지?"같은 상황이었다.
  18. [18] 이러한 중력에 의한 시차를 통해 긴장감을 불어넣은 작품이 바로 인터스텔라이다.
  19. [19] 블랙홀의 개념은 뉴턴의 만유인력법칙 이후부터 꾸준히 예측되어 왔으나 말 그대로 씹혔다.
  20. [20] 1위는 태양 중심설, 2위는 진화론, 3위는 양자론이다.
  21. [21] 1919년 아프리카의 기니아 만에 있는 프린시페 섬에서 일식을 이용, 태양의 뒤쪽에 있는 별을 관찰할 수 있는가에 대한 실험. 일반 상대성 이론이 맞는다면 질량이 큰 물체는 주변의 공간을 휘게 하여 별빛은 태양의 옆을 스치듯 빠져나와 육안으로 확인할 수 있는가에 대한 실험이다. 이때 아인슈타인은 이런 현상을 예언했을 뿐 아니라 중력에 따라 얼마나 꺾이는지 각도까지 계산했다.
  22. [22] 이후에 해리 콜린스를 비롯한 과학사회학자들은 에딩턴의 실험이 일부 조작되었다고 주장했다. 정확히는 에딩턴이 관측에 사용한 감광판 중 상태가 불량한 것은 버렸는데, 이것이 데이터 조작이 아니냐는 이야기. 사실 상식적으로도 그렇고 과학자사회의 암묵지에 비추어 보아도 상태가 안좋게 나온 사진은 버리는게 맞다.
  23. [23] 사실, 일상생활에서 광속에 근접한 속도로(즉, 0.6c 하는 식으로 속도 표기가 가능한) 움직이는 물체가 존재하지 않으므로 평소에 이런 생각을 해보지 않았거나 겪어보지 않았던 현대인들에게도 어렵다.
  24. [24] 그마저도 민코프스키 다이어그램이라든가 특수 상대론이 그리는 시공간의 기하학적 해석이 없는 내용이다. 정말이지 기묘한 현상들만 놓고 맛보기할 뿐. (그마저도 물리학과 아니면 시간 없다고 커리큘럼에서 빼 버리는 게 보통이다. 심지어 물리학과에서조차도 빼 버리는 학교가 있다!) 앞서 말한 기하학적인 내용은 물리학과 학부 3~4학년쯤 되어서야 배우는데, 그마저도 소개받는 정도이다. 제대로 된 내용(본격적으로 상대론 가지고 물리에 적용하는 짓)은 대학원 과정에서나 다룬다.
  25. [25] 적어도 대학원 수준의 대수위상수학, 미분기하/위상을 배워야한다.
  26. [26] 또한 이 부분에서는 수식 다음에 수식없이 이해가능한 설명이 존재하며, 이 부분에서는 '수식을 어려워하는 사람은 그냥 해당 페이지를 넘겨도 괜찮다'라고 말해준다.
  27. [27] 지금 이 순간에도 수많은 중성미자들이 당신의 몸을 통과하고 있다! 전자기 상호작용이 없기에 우리 몸에 전혀 영향을 미치지 않을 뿐.
  28. [28] 이상 기체 법칙처럼 기존의 법칙은 제한된 상황에서만 해당되고 더 정확한 값을 구할수 있도록 새로운 함수가 추가되는 등.
  29. [29] 다만, 은하와 같이 거대한 구조에서는 항성의 움직임을 설명하기 위해 (이론적인 측정량보다 더 빠르게 움직이므로, 중력을 더 강하게 만들어주기 위해)암흑물질이, 우주의 가속팽창에 대해서는 척력을 주는 암흑 에너지가 필요하다. 이것을 일반상대성 이론의 오류라고 생각하고 새로운 중력 이론(MOND)을 찾아내었으나, 최근 암흑물질 연구에 의해 매장 근처까지 갔다.
  30. [30] 아인슈타인이 상대성 이론을 고안하지 않아도 그의 다른 업적들이 그를 두 번째로 위대한 현대물리학자로 만들어줬을 거라는 평도 있으니 말이다. (첫 번째는 당연히 이 대체역사에서 상대성이론을 발견한 물리학자)
  31. [31] 학교에서 과학의 날 행사로 여는 퀴즈 대회에서 이따금 함정 보기로 나온다.
  32. [32] 대충 말하자면, 일식전 관측대상인 항성의 겉보기 위치와 개기일식 후 해당 항성의 겉보기 위치의 차이(태양때문에 발생한 공간왜곡으로 발생함)를 비교하는 것이였다. 결과는 대성공(상대성이론으로 예측된 값과 불과 0.000001% 이내의 오차밖에 없었다.)
  33. [33] Greene, '엘러건트 유니버스', 박병철 역, 승산, 2002, p. 132, p. 256
  34. [34] 이게 얼마나 대단한 거냐면, 약 200년 동안 진리로 받들어지던 뉴턴식 고전물리학을 뛰어넘는(이론의 정확성 및 적용범위의 증가) 이론을 만들었다는 의미이다!

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