[이점봉 기자의 타임머신]질문에 답합니다

"상대성이론"이 무엇일까요?

<질문-뉴턴 역학의 한계를 극복한 특수상대성 이론이란 무엇인지 쉽게 설명해 주세요>
특수상대성 이론은 아인슈타인이 1905년에 두 가지 아주 간단한 원리로부터 이끌어 내었다. 첫번째는 모든 자연 법칙은 서로 등속도로 운동하는 모든 관측자에 대하여 동일한 형식을 갖는다는 것이다.

예를 들어 사과가 떨어지는 현상에 대해 사과나무 옆에 서서 관찰할 경우나, 일정한 속력으로 날아가는 비행기에서 관찰하는 경우나 같은 결과를 얻을 수 있을 것이라는 것. 또한 모든 물체의 속도는 무한히 증가하는 것이 아니라 한계 속도가 있으며, 한계 속도인 광속은 모든 관성계에서 불변이라는 것이다.

이 간단한 원리로부터 나온 결과는 놀라운 것이었다. 이전까지 절대적인 것으로 알았던 시간의 절대성이 부정되었고, 시간은 공간의 움직임에 따라 다르게 진행된다는 시공간이라는 개념을 만들어냈다. 즉 같은 시계라 하더라도 정지한 상태보다는 움직이는 상태에서 시간이 늦게 간다는 것이다.

이러한 시간 지연 효과는 우주로부터 입사되는 우주선 입자와 대기 중의 원자핵이 충돌할 때 생성되는 뮤온 중간자라는 불안정한 입자의 경우에서 실제로 관측되었다. 즉 뮤온이 자신의 수명 동안에 이동할 수 있는 거리보다 훨씬 먼 거리까지 이동한다는 사실을 발견했다. 이로부터 빠르게 운동하는 입자의 수명이 늘어난다는 결론을 얻었다.

<질문-그럼 블랙홀을 예언한 일반 상대성 이론이란?>
아인슈타인은 특수 상대성 이론을 발표한 지 11년이 지난 1916년에 일반 상대성 이론을 발표했다. 일반이란 이름은 그것이 특수 상대론의 일반화 또는 확장이었기 때문이다. 즉 일정한 속도로 움직이는 관성계에 한정된 이론이었던 특수 상대성 이론을 가속도 운동의 경우까지 확장시킨 것이다.

일반 상대성 이론의 출발은 관성 질량과 중력 질량이라는 서로 다른 개념이 결국은 같은 것이라는 등가 원리로부터 시작된다. 중력과 관성은 완전히 똑같은 것을 나타내는 두 가지 다른 표현이라는 것이 등가 원리의 의미다.

우주선이 자유 낙하할 때는 우주선 안의 모든 지점이 무중력 상태가 된다. 이것은 물체에 중력만이 작용하고 있을 때 같은 가속계에서 바라보면 힘이 전혀 작용하지 않게 되는 것으로 설명할 수 있다.
이러한 관성과 중력의 관계를 설명한 것이 일반 상대성 이론이다.
일반 상대성 이론이 만들어지고부터 우주의 탄생이나 진화에 대해 과학적으로 탐구할 수 있게 되었으며 이 이론의 핵심 방정식으로부터 우주 공간 내에 블랙홀이라는 기묘한 장소가 있다는 것이 유도되었다.


이점봉 기자