아인슈타인의 상대성이론 [相對性理論, Theory of Relativity]

[변강쇠]

아인슈타인의 상대성이론 [相對性理論, Theory of Relativity]

아인슈타인이 만든 이론으로 특수상대성이론과 일반상대성이론으로 나뉜다. 특수상대성이론은 등속도로 운동하는 관측자에 대해서는 모든 물리법칙이 동일하게 적용된다는 것을 설명하고 있고, 일반상대성이론은 중력을 관성력과 동등한 것으로 볼 수 있음을 밝히고 있다. 두 이론의 공통점은 시공간이 관측자에 대해 상대적인 값만 가진다고 설명한 것이다.

1905년 제출된 특수상성이론과 1916년 정리된 일반상대성이론으로 이루어져 있다. 특수상대성이론은 운동에 관한 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리를 근본적으로 개혁하여, 서로 등 속도로 운동하는 관측자에 대하여 전자기파의 이론을 포함한 모든 물리법칙이 같은 형식으로 기술되도록 정식화(定式化)되어 있다. 일반상대성이론은 중력(重力)을 관성력(慣性力)과 동등한 것으로 간주하는 입장에서, 일정한 가속도를 가진 관측자들에게도 상대성원리가 성립하고, 물리법칙이 좌표계의 변환에 대하여 불변(不變)인 형식을 가지도록 체계화한 이론이다.

이들 이론의 가장 근본적 특징은, 관측자의 운동상태에 관계없이 절대성을 가진다고 생각되어 온 지금까지의 시간· 공간의 개념을 부정하고, 시간·공간이 각각 관측자에 대하여 상대적으로만 의미를 가진다고 생각한다는 점이다. 이 때문에 이 이론에서 유도되는 논리에는 상식에서 벗어난 내용도 포함되어 있어, 양자론(量子論)과 비견되는 20세기의 물리학의 혁명적 발견도 발표 후 얼마 동안은 단지 역설적인 지적 유희에 불과한 것으로 간주되는 경향도 있었다.

그러나 광속도를 무한대로 간주할 수 있을 만큼 작은 속도를 가진 물체의 운동에서는, 극한적(極限的) 근사로서 뉴턴역학이 적용된다는 내용도 특수상대성이론에 포함되어 있다. 한편 광속도와 비교될 정도로 고속으로 운동하는 미립자의 거동이나 소립자의 생성·소멸 등 미시적 세계의 여러 현상의 발견으로 특수상대성이론의 정당성이 검증되었다.

또 일반상대성이론도 천문학상의 여러 사실에서 그 정당성이 밝혀졌다. 이러한 점에서 상대성이론은 물리현상을 기술하는 기초이론으로서 승인을 받게 되었다. 현재는 양자역학과 더불어 현대물리학, 특히 소립자물리학이나 우주론의 지도적 원리로 간주되고 있다. 상대성이론의 탄생은 동시에 시대의 역사적 사상(思想)에도 큰 영향을 주었다. 새로운 시간· 공간의 구조에 대한 사상은 철학적 조작주의(操作主義) 또는 경험주의적 흐름에 자극을 주었을 뿐만 아니라 H.L.베르그송(1859∼1941)이나 J.H.C.화이트헤드(1904∼1960)의 형이상학(形而上學)의 기초가 되었다. 또 4차원 시공세계(時空世界)의 객관성이라는 착상은 회화나 문학의 전위적(前衛的)기술에도 영향을 주고 있다.

상대성이론의 원리와 광속도

물체의 운동을 논하는 데는 우선 기준이 되는 물체, 즉 기준계(基準系)를 결정해야 한다. 가령 절대정지(絶對停止)의 기준을 주는 물체가 있으면, 그것에 고정된 기준계를 근거로 한 물체의 절대운동(절대속도)을 측정함으로써 절대운동을 지배하는 법칙이 확립된다. 또 다른 기준계에 의하여 물체의 운동을 논하는 데는 기준계 자체의 절대속도를 하나의 인자(因子)로 하는 변형된 형식인 운동법칙을 적용해야 한다. 그러나 일상 경험이 가리키는 사실은 이와 달리, 서로 균일한 속도로 운동하고 있는 한, 즉 가속도를 가지고 있지 않는 한 2개의 물체상에서는 역학법칙이 완전히 같은 모양으로 성립한다는 것이 인정된다.

예를 들면, 지면에 대하여 일정한 속도로 진행하는 열차 내에서는, 물체는 지상에서의 경우와 같이 운동하고 물체를 낙하시키면 열차의 바닥에 대하여 연직으로 낙하하고, 진자를 진동시키면 지상에서 진동시킬 때와 같은 주기로 진동한다. 따라서 차내에서 물체의 운동만을 관찰하는 한, 열차가 운동하고 있는지 정지하고 있는지를 판단할 수 없다. 즉 가속도가 생기지 않는 한, 물체 내에서 그 물체 자체의 운동을 알 수가 없게 된다.
 

이와 같이 물체의 절대운동이라는 것은 의미를 갖지 못하고 운동은 모두 상대적이며 등속도로 운동하는 좌표계끼리는 역학법칙에 대하여 동등한 자격을 가지고 있다는 것이 갈릴레이에 의하여 이미 지적되었다. 이러한 인식 위에서 힘의 운동에 대한 효과는 가속도에 집약적으로 나타나고, 서로 등속도로 운동하는 좌표계 내에서는 불변의 형식을 가진다는 뉴튼 역학이 확립되었다.

이상과 같은 운동의 상대성 개념을 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리라 한다. 그러나 순수한 역학현상 이외의 빛이나 전자기현상(電磁氣現象)에 대해서는 이 원리는 성립되지 않는 경우가 생긴다. 즉 빛의 현상을 포함한 전자기장의 기본법칙을 기술하는 맥스웰방정식[電磁氣方程式]은 어떤 기준계로부터 이것에 대하여 일정한 속도로 움직이는 기준계에 옮기면, 그 형식이 변한다.

이것을 H.A.론렌쯔 등은 다음과 같이 설명하였다. 즉 빛(전자기장)은 에테르라는 매질(媒質)을 전파하는 파동이며, 이 에테르는 공간을 완전히 메꾸고, 물체에 대하여 아무런 저항도 나타내지 않기 때문에 절대정지의 기준을 주는 것이라고 하였다. 그러나 만일 빛의 전파현상에 대하여, 특별한 자리에 있는 이와 같은 에테르 정지좌표계가 존재하는 것이라면, 에테르에 대하여 일정한 속도는 진행방향에 따라 변할 것이고, 그 변하는 모양을 정밀히 측정하면 그 계의 절대운동을 알 수 있다.

이러한 예상하에서 A.A.마이컬슨과 E.W.몰리는 지구의 절대운동을 결정하고자 하였으나 결국 광속도의 방향에 의한 변화를 발견하지 못하였다. 즉 광원에 대하여 정지하고 있는 관측자가 빛을 보거나, 균일한 운동을 하고 있는 관측자가 빛을 보거나 모든 방향으로 같은 속력으로 전달 된다. 이 결과가 의미하는 바는 중대한 것이며, 갈릴레이의 상대성원리를 수정하든지 또는 맥스웰의 전자기이론을 수정하든지 해야 하는 문제가 야기되었다.

이 모순들을 해결하기 위하여 많은 방도가 고안되었는데, 로렌츠와 G.피츠제럴드는 실제로는 빛의 속력은 관측자(기준계)의 운동의 영향을 받지만, 물체는 에테르에 대하여 운동할 때, 운동방향에 따라 그 속도로서 결정되는 일정한 수축(收縮)을 받기 때문에, 광속의 변화가 관측에 나타나지 않는다는 학설을 제출하였다. 이것을 로렌츠-피츠제럴드 수축가설이라고 한다.

상대성이론의 일반상대성이론

중력은 질량을 가지고 있는 모든 물체에 보편적으로 작용하는 동시에, 질량에 무관한 일정한 가속도를 물체에 준다는 특수한 성질을 가지고 있다. 이 때문에 줄이 끊어진 엘리베이터에서 처럼 그 자신이 중력의 가속도와 동일한 가속도를 가진 물체 내에서는 중력이 완전히 상실된 경우와 같은 현상이 관찰된다. 거꾸로 무중량 상태(無重量 狀態)인 우주공간 안에서도 적당한 방법으로 가속도가 주어진 물체 내에서는 가속도에 의한 관성력이 중력과 동등한 효과를 가진다고 생각된다. 이와 같이 실제로 존재하는 힘으로 생각되는 중력도 좌표계를 정하는 방법에 따라 나타나는 겉보기 힘과 구별할 수 없게 된다.

즉 중력장과 가속도를 가지는 좌표계는 물리적으로 등가이며, 중력의 원천이 되는 중력질량과 관성의 정도를 나타내는 관성질량이 등가라는 것을 반영한다. 일반상대성이론은 이와 같은 중력질량과 관성질량이 동등하다는 등가원리에 기초를 두고, 일정한 가속도를 가진 어떤 좌표계에 대해서도 물리법칙이 같은 형식으로 표현되도록 정식화한 이론이다.

일반상대성이론의 가장 중요한 성과로서 물질의 존재는 그 주위의 공간이나 시간에 변형을 주어 그 변형이 만류인력의 장(場)을 형성한다는 결론이 있다. 이 결론은 중력의 본질을 해명하는 이론으로서 현재 단계에서 가장 성공한 것이고, 수성(水星)의 근일점(近日點) 이동, 별빛이 태양부근을 지날 때 그 경로가 구부러진다는 것(아인슈타인 효과), 중력장에 의한 항성의 빛의 스펙트럼 적색이동(赤色移動) 등, 천문학적관측에의하여이론적인타당성이검증되었다.

중력뿐만 아니라 전자기력도 시간· 공간의 성질(속성)에 귀착 시키려고 시도하는 것이 통일장이론(統一場理論)이다. 연구는 계속되고 있으나 이 점에서는 아직도 충분한 성과는 얻지 못하고 있다.