상대성 이론 - 시공간과 중력의 본질을 밝히다

상대성 이론(Theory of relativity)은 시간과 공간과 관성력에 기초한 고찰을 통해 시공간 관측과 중력을 체계적으로  논한 물리 이론이다. 양자학을 전제로 하지 않은 물리학사의 고전 이론이지만, 물리하의 다른 힘을 포함한 기초적인 사항들과도 일치하며, 양자역학과 함께 현대 물리학의 근간을 이루는 이론 체계입니다. 특수상대성이론과 일반상대성이론으로 구분하여 이해하는 경우가 많지만, 이름 그대로 특수상대성이론(원칙적으로 관성계만을 다루는)은 일반상대성이론(관성계를 포함한 좌표계 전반을 다루는)의 일부로 포용되며, '상대성이론'이라는 용어는 일반상대성이론과 특수상대성이론을 총칭하는 것입니다. 특수성과 일반론 모두 알베르트 아인슈타인에 의해 발표되어 널리 알려졌습니다.

이론의 정의

상대적으로 등속 직선 운동하는 두 관측자 사이에서 물리법칙은 서로 불변한다는 상대성 원리와 광속이 관측자의 속도에 영향을 받지 않고 일정하는 두 가지 가설과 원리를 바탕으로 절대정적계와 같은 정적 계측을 다루지 않고도 근본적이 물리 법칙을 설명하려는 시도가 있었습니다. 1905년에 논문이 발표되어 오늘날 '특수상대성이론'으로 불리는 이 이론에는 특히 광속에 준하는 고속 이동을 하는 관측자 간의 시간과 공간의 관계에 대해 기존의 뉴턴 역학보다 더 정확한 이해가 저술되어 뉴턴역학에서 나타난 실험적 사실과의 불일치를 발전적으로 극복했습니다. 또한 특수상대성이론은 전자기학의 좌표변환(로렌츠 변환)에 대한 이해를 진전시켜 전자기학의 이론 체계를 더욱 발전시켰습니다.

특수상대성이론에 이어 1915 - 1916년 일반상대성이론이 발표되었습니다. 일반상대성이론은 등가원리, 즉 '속도의 변동에 의해 발생하는 중력과 질량이 가져오는 중력이 구분되지 않는다'는 가설-원리에서 비관성계를 포함한 모든 좌표계에서의 역학 현상에 대한 이해를 진전시켰습니다. 구체적으로는 중력을 좌표계의 계량으로 이해함으로써 특히 우주와 거대 천체의  구조와 역학적 거동에 대한 새로운 이해를 가져왔습니다.

중력 이외의 다른 힘(전자기력, 강한 상호작용, 약한 상호작용)은 상대성 이론의 체계에 부가적-보완적으로 통합할 수 있지만, 상대성 이론의 근본적인 양자화를 포함하여 이들 다른 힘과의 통합적-통일적 이해는 여전히 현대 물리학의 과제로 남았습니다.

 

상대성 이론의 역사

1905년 알베르트 아인슈타인이 발표한 논문(아인슈타인의 원 논문 중 하나)은 1906년 발표에서 막스 플랑크는 상대성 이론을 사용했으며, 이 세션의 토론에서 알프레트 부헬라가 처음으로 상대성 이론이라는 표현을 사용했습니다. 

특수상대성이론 발표 이후 아인슈타인은 대상을 관성계에 국한하지 않고 적용할 수 있는 이론을 구축하기 위해 노력하여 중력장을 고찰한 일반상대성이론으로 발전시켰으며, 1916년 논문에서 중력장의 기본 방정식인 아인슈타인 방정식을 최초로 공식화했습니다 아인슈타인의  논문에서는 정상 우주를 전제로 한 우주 상수가 추가되었습니다. 이후 에드윈 허블 등의 관측으로 우주가 팽창하고 있음이 밝혀지면서 이와 관련된 우주상수에 대한 논의와 이해도 진행되었습니다.

 

특수상대성이론

특수상대성이론은등속 직선운동을 하는 두 관성계 군에 대해 양자가 서로 구별되지 않고 대등하고 등가적인 존재라는 것을 원리로 하는 역학 이론입니다. 여기서 광속은 물리상수로서 모든 관측자(관성계)의 관측에 대해 불변의 상수입니다. 또한 우주 어디에도 절대적인 거리나 시간의 보편적 척도가 존재하지 않고, 물리현상은 단지 관찰자에게 고유한 시간-좌표에 의해서만 이해되는 것이며, 그 관찰자는 모두 동등하다는 것을 나타냅니다.

 

일반상대성이론

특수상대성이론에서는 관성계만을 원칙적으로 다루는 반면 일반상대성이론에서는 '관찰자가 느끼는 힘'은 '좌표계의 가속 운동'과 동일하다는 원리를 출발점으로 삼아 역학 현상을 좌표계의 계량(시공간의 왜곡)으로 보고 이를 공식화했습니다. 이 시도는 아인슈타인 방정식으로 대성공을 거두었으며, 특히 중력과 물질의 분포-운동에 대한 통일된 이론이 되었습니다.

 

반(反)상대성이론

상대성 이론은 그 의미가 제대로 이해되었는지는 별론으로 하고, 물리학을 비롯한 자연과학 분야뿐만 아니라 사회적 현상으로도 널리 받아들여졌습니다.

그 반대로 그 결론에 동의하지 않는 입장 등이 과학적 반론이 아닌 반(反)상대성이론이라고 해야 할 일종의 사회적 운동이 되었습니다. 특히, 이는 아인슈타인이 유대계이며 평화주의자라는 것이 민족주의자들에게 혐오감을 주었고 1차 세계대전에서 독일이 패전한 후에는 파울 바이런트에 의한 반상대성이론 캠페인이 펼쳐지기도 했습니다.

물리학계에서도 아인슈타인의 업적을 유대인이라는 이유로 인정하지 않는 필립 레날트, 요하네스 슈탈크 등의 '독일 물리학'일파가 있었습니다. 그들은 상대성 이론의 결과는 인정하지만 그것을 아인슈타인의 업적으로 인정하지 않는 입장 때문에 'E=mc2의 발견은 프리드리히 하젠올에게 귀속된다'는 등의 주장을 하며 아인슈타인을 '유대인 물리학'을 공격했습니다.

1921년 아인슈타인은 노벨 물리학상을 수상했지만, 이는 광전 효과의 발견을 이유로 한 것이지 상대성 이론을 대상으로 한 수상은 아니었습니다. 그 이유 중 하나로 노벨 물리학상은 그로 인해 인류가 매우 큰 이용가치를 얻을 수 있는 물리학의 최근 발견에 수여되어야 한다고 하는데, 상대성 이론은 애초에 새로운 현상을 주장하는 것이 아니라 기존에 알려진 많은 현상들을 통일적으로 더 쉽게 이해하는 하나의 원리를 부여하는 것으로, 이것이 '발견'이라고 할 수 있는지, 또 이용가치가 있는 것인지는 미지수였습니다. 또 다른 이유로는 상대성 이론은 순수 물리학 이론임에도 불구하고 이미 정치적 논란의 대상이 되고 있으며, 만약 스웨덴 과학 아카데미가 상대성 이론에 대해 노벨 물리학상을 수여한다면 아카데미도 그 논란에 휘말릴 위험이  있었기 때문이라고 합니다. 

독일 물리학 일파는 나치 정권이 들어서자 이데 동조했지만, 정권 붕괴와 함께 세력을 잃었습니다.

 

응용분야

광속에 비해 '충분히 느린' 운동 현상을 일상화하는 인류에게 절대시간의 부정 등 상대성 이론의 세계관은 직관적으로 받아들이기 어려운 부분도 있었으나 많은 실험적 사실들은 상대성이론의 사상 혹은 귀결에 잘 부합하며, 현대 물리학의 핵심 체계 중 하나가 되었습니다. 이러한 특수상대성이론 및 일반상대성이론의 성과라고 할 수 있는 부분은 폭넓게 기술적 응용에 도입되고 있습니다.

 

GPS

GPS는 원자시계를 사용하지만, 인공위성에 탑재된 시계는 중력에 의한 시공간 왜곡으로 인해 지상과의 시간 흐름에 약간 차이가 발생 합니다. 이를 보정하기 위해 일반상대성이론이 사용되고 있습니다.