시공간이 휘었다는 증거

[Jaybe]

만약 아인슈타인의 일반상대성 이론이 중력의 정확한 기술이라면, 몇몇 이상한 결론에 다다른다. 이 절에서는 중력장이 시공간을 휜다는 일반상대성이론의 주장이 의미하는 바를 추측-관측 형식으로 살펴보겠다. 과학이론은 검증가능한 예측을 제시하고 이는 실험으로 검증되야 한다.

1. 예측 : 무거운 물체주위를 지나가는 빛은 눈에 띌 정도로 휘어져아 한다. 휨의 정도는 질량이 커질수록 증가한다.

   관측 : 일식때 태양과 같은 직선상에 있는 별들이 바깥으로 휘어져 보인다. 이는 태양 뒤의 별에서 나온 빛이 태양쪽으로 휘어져서 지구에 도달하기 때문이다. 빛은 별의 실제 위치와 다른 곳으로부터 오는 것쳐럼 보인다. 하지만 뉴턴의 중력이론과 아인슈타인의 특수 상대성이론(E = mc²) 을 사용해도 빛이 휜다는 것을 보일 수 있지 않을까? 맞다. 그러나 이에 의하면 빛이 실제로 휘어지는 정도의 반밖에 안 휘어진다는 결론에 이른다. 일반상대성이론은 시간도 휘어져서 실제로 빛이 휘어지는 정도는 이의 두배라는 것을 보인다.

   

   관측 : 퀘이사에서 나오는 빛은 우리와 퀘이사 사이에 위치한 은하들이 만들어낸 중력렌즈 때문에 구부러져 보인다. 동일한 뒤쪽의 퀘이사들이 여러 개의 영상 보일 수도 있다. 어떤 경우에는 뒤쪽의 퀘이사와 은하들이 내는 빛들이 휘어져서 반지처럼 보일 때도 있다. 휘어지는 정도의 대부분은 앞쪽에 위치한 은하의 질량에 의존하므로 우리는 앞쪽에 있는 은하의 전체 질량을 추정할 수 있다.

   

   앞쪽의 은하의 중력렌즈로 뒤쪽의 퀘이사가 네 개의 형태로 보이는 Einstein Cross가 형성되었다.

   

   다음은 Hubble 우주 망원경에서 보내온 사진으로 뒤쪽의 은하가 앞쪽의 은하의 성단에 의해 렌즈효과를 보이고 있다. 사진의 중심 주변에 보이는 찌그러진 파란색의 호는 뒤쪽의 은하가 중력렌즈의 영향을 받은 것이다. 영상을 선택하면 확대판을 볼 수 있을 것이다.(courtesy of the Space Telescope Science Institute).

   
2. 예측 : 시간은 큰 질량 가까이에서는 더 느리게 간다. 이 효과를 "시간 지연" 이라고 한다. 예를 들면, 질량이 큰 물체에 있는 누군가가(그녀를 A라고 부른다.) 어떠한 중력 소스로부터 아주 멀리 떨어져 있는 누군가에게 (그를 B라고 부른다.) 질량이 큰 물체에 있는 그녀의 시계에 따라 매 초당 하나의 빛 신호를 보낸다면, B는 1초 보다 더 큰 시간 간격으로 신호를 받을 것이다. B에 따르면, 질량이 큰 물체에 있는 시계는 느리게 가고 있다.

   관측 : a) a) 지표에서 높은 곳에 있는 비행기에 있는 시계는 지표에 있는 시계보다 더 빠르 게 간다. 지구의 질량이 작기 때문에 이 영향은 적다. 그래서 원자 시계는 그 차이를 발견 하는데 사용된다. b) 인공위성 자동 위치측정 시스템(Global Positioning Satellite, GPS, system)은 일반 상대성 효과에 대해 보정해줘야 한다. 그렇지 않으면 그것이 주는 위치는 실제 위치에서 상당히 떨어져 있을 것이다.

3. 예측 : 큰 질량에서 빠져나온 빙은 에너지를 잃어야 한다.---빛의 속도는 일정하기 때문 에, 파장이 길어져야 한다. 더 강한 표면 중력은 파장을 더 길어지게 한다. 더 강한 표면 중력은 파장을 더 길게 만든다.

   이것은 시간 지연의 결과이다. 질량이 큰 물체에 있는 A가 특정 진동수 f인 빛을 B에게 계속해서 보내기로 했다고 가정하자. 그러면 매초 f개의 파동의 마루가 A를 떠난다. B는 같은 파동의 마루들을 (1+Z)초의 시간 간격으로 받게 된다. 그는 f/(1+Z)의 진동수의 파동 을 받는다. 빛의 속도 c = (진동수 f)*(파장 λ)인 것을 기억해라. 진동수가 (1+Z)배 줄어 들었다면, 파장은 (1+Z)배 증가해야 한다. λat B = (1+Z)λat A. 도플러효과에서 파장의 길 이가 커지는 것을 '적색 편이'라고 한다. 중력에 대해서는 이 효과를 중력 적색 편이 라고 한다.

   관측 : 백색 왜성 상층의 스펙트럼 라인은 소형의 태양 질량을 가진 물체들에 대해 예상되는 양만큼 주목할 만하게 이동되어 있다. 백색 왜성은 하나의 주계열성과 짝을 이루고 있어서, 얼마만큼 도플러 효과와 중력의 적색 편이에서 이동되는지 결정된다. 블랙홀의 이론적 반경 안에서는 빛은 파장이 무한대의 긴 길이로 적색 편이한다.