일반상대성이론이란?
일반상대성이론(一般相對性理論, 독일어: allgemeine Relativitätstheorie, 영어: theory of general relativity) 또는 일반상대론(一般相對論, 영어: general relativity)은 마르셀 그로스만, 다비드 힐베르트, 알베르트 아인슈타인 등에 의해 발전되고 아인슈타인과 힐베르트가 1915년에 발표한, 중력을 상대론적으로 다루는 물리학 이론입니다. 핀란드의 이론물리학자 노르드스트룀도 일반 상대론의 많은 부분을 논문으로 발표했었습니다. 일반 상대론은 현재까지 알려진, 중력을 다루는 이론 가운데 가장 정확하게 실험적으로 검증된 이론입니다.
특수상대성이론에서 수학자 헤르만 민코프스키가 민코프스키 공간을 도입하여 평평한 시공간을 기하학적으로 다루었습니다. 일반 상대성 이론은 중력의 영향을 시공간의 휘어짐으로 기술합니다. 일반상대론에서 시공간의 수학적 구조는 특별한 종류의 준 리만 다양체이며 국소적으로 민코프스키 공간입니다. 시공간의 휘어짐은 수학적으로 준 리만 다양체의 곡률에 해당합니다, 더 정확히는 준 리만 다양체 중에서도 특수한 로런츠 다양체의 곡률을 의미합니다. 즉, 일반상대론은 1850년대에 만들어진 수학인 리만 기하학으로 기술됩니다. 시공의 곡률은 우주 상수를 무시한다면 4차원 운동량 밀도에 비례하는데, 이를 아인슈타인 방정식이라고 합니다. 일반 상대성 이론에서는 관성계뿐만 아니라 비관성계를 포함한 임의의 좌표계에 대해 물리 법칙이 동등한 형태를 유지하여야 합니다.
일반상대성이론의 등장
일반상대성이론은 1915년에 프로이센 과학 아카데미에서 아인슈타인이 발표하였습니다. 일반 상대성이론은 특수 상대성이론의 확장판이라고 이해하면 될 것입니다. 이 이론은 뉴턴의 고전 물리학에 결정타를 날림으로서 새로운 물리학적 이론의 길을 열었다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있습니다.
일반상대성이론의 가정과 내용
일반상대성이론에서는 관성질량과 중력질량이 같은 측정값을 지닌다는 등가원리를 가정합니다.
시공간 : 일반 상대성 이론에서 아인슈타인은 '시공간은 4차원, 즉 시간과 공간이 결합된 형태의 연속체'임을 규명했습니다. 뉴턴이 시공간이 시간과 공간으로 분리되어 서로 영향을 주고받지 않는 별개의 공간인 점과, 공간위의 한 점에 위치한 물체에 어떠한 영향도 받지 않을 것이라고 생각한 반면에 아인슈타인의 사고실험에서 아인슈타인은 시공간이 서로 상호작용함과, 공간위에 위치한 어떠한 질량을 가진 물체에 대하여 공간이 휘어짐을 제시하였습니다.
중력 : 아인슈타인은 뉴턴의 중력을 가속운동계에 적용시켰습니다. 그는 중력가속도의 크기만큼 가속하는 가속계 내의 물체와, 중력을 받고 있는 물체는 서로 구분이 불가능하다는 이론을 내세움으로서 가속계를 관성계로 해석 가능함을 보여 줬습니다.
중력으로 인한 시간팽창 위에서 가속계 역시 관성계로 인식할 수 있다고 하였습니다. 따라서 가속계의 물체는 관성계에서 물체의 이동으로 판단할 수 있고, 특수 상대성이론에 따라 시간지연이 일어남을 알 수 있습니다. 이로서 중력을 받는 물체는 그 물체에 흐르는 시간이 느려지게 됩니다.
빛의 휘어짐(공간 왜곡으로 일어나는 현상) : 빛의 움직임을 가속운동계에 적용시켜보면, 그 빛이 휜다는 것을 알 수 있을 것입니다. 따라서 중력으로 인하여 빛이 휜다는 것을 알 수 있습니다
중력렌즈효과 : 이는 일식이 일어날 때 관측할 수 있는 현상인데, 바로 태양의 뒤에 위치하여 가려져 있던 천체가 태양의 중력에 의한 영향으로 그 빛이 휘어져 우리 눈에 들어오는 것입니다. 흔히 '아인슈타인의 십자가'라는 것이 바로 이로 인한 현상입니다.
블랙홀 : 질량이 매우 큰 천체는 공간을 심하게 왜곡하여 빛마저 삼켜버릴 수 있습니다.
일반상대성이론의 증거들
에딩턴의 태양의 일식 관측 : 지구에서 별을 관측할 때, 별과 지구사이에 태양이 있을 때와 없을 때의 별의 관측위치를 비교하여 빛이 휘는 것을 관찰 함.
수성의 세차운동 : 뉴턴의 이론에 따라 계산하면 100년 동안 574´´만큼 이동해야 하지만, 실제 세차운동 관측결과 43´´정도 오차가 났음. 하지만 일반상대성 이론에 시공간의 곡률을 고려한 결과 이 차이를 정확히 설명함.
중력렌즈 : 중력이 렌즈처럼 빛을 휘게 하는 현상임. 대표적으로 퀘이사가 있음(퀘이사는 은하의 중력 때문에 지구에서 4개의 빛나는 쌍둥이별로 오인했었음).
중력파 : 천체의 중력붕괴나 초신성폭발 같은 우주현상으로 발생하여 시공간이 일그러짐이 광속으로 파도처럼 전달되는 것을 말함(이전까지 발견되지 않고 있다가 최근 블랙홀에서 발견되었음).
GPS : 인공위성이 움직이기 때문에 시간차이가 생기는데 속력과 중력의 작용을 고려하여 보정해줘야 함.
블랙홀 : 질량이 매우 큰 천체는 공간을 휘게 하여 천체를 지나는 빛마저 흡수함(아인슈타인이 2차원의 평면에 시간의 곡률을 표기한 그림에서 보면 블랙홀은 질량이 극도로 커 평면 자체가 엄청나게 움푹 들어가 있음. 이때 블랙홀의 부분 중 넘게 되면 빛조차 절대 빠져나올 수 없는 선이 있는데 이곳을 사건의 지평선이라고 하며 이 안쪽부분은 어떠한 것도 빠져나오지 못하므로 검게 보임).
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