질량-에너지 등가원리(E=mc2E=mc2): 질량이 에너지로, 혹은 에너지가 질량으로 바뀔 수 있다.

[장끼]

빛의 간섭 현상이 발견되면서 빛의 파동성이 발견된 것을 시작으로, 빛의 속력에 대한 측정의 정밀도가 증가했고 특히 빛의 매질, 즉 에테르의 역학적 성질에 대한 여러 가설이 등장하였으며 이에 대한 검증 실험이 이루어졌다

그런데 1860년대에 맥스웰이 전기학, 자기학과 광학을 통합하는 전자기파 이론, 즉 전기장과 자기장의 전파가 곧 빛이라는 이론을 내놓으면서 상황이 크게 달라졌다. 그가 정립한 맥스웰 방정식은 에테르에 대한 정지계에서 성립하는 방정식으로 여겨졌고, 광학의 에테르 문제는 지구와 같이 에테르에 대해 움직이는 계(운동계)에서는 맥스웰 방정식이 어떻게 거동하느냐가 되었다. 19세기에 수행된 광학적 실험들이 말해주는 중요한 요지는, 운동계에서 광학 현상이 변화하지 않는다는 것이었다. 이는 광학 현상을 결정하는 맥스웰 방정식이 운동계에서도 똑같이 성립해야 함을 말해주었다. 19세기 말 전기동역학을 크게 발전시킨 로런츠는 맥스웰 방정식이 불변하도록 새로운 좌표 변환을 고안했는데, 이것이 로런츠 변환이다. 전기동역학과 로런츠 변환을 통해 광학 문제는 상당 부분 해결되었으나, 이후 여러 학자들의 시도에도 불구하고 정작 로런츠 변환의 물리적 의미는 완전히 이해되지 못하고 있었다.

이러한 역사적 맥락 속에서 아인슈타인의 상대성 이론이 등장하였다. 아인슈타인은 좌표계의 구분을 강요했던 에테르 개념을 제거하고 시간과 공간의 개념을 수정하여 새로운 운동학을 제시하였으며, 이를 통해 로런츠 변환의 물리적 정당성을 정확하게 부여할 수 있었다. 상대성 이론은 자연스럽게 고전 역학이 미완의 영역으로 남겨두었던(정확히는 고려조차 못했던) 빛에 근접한 속력에서의 역학 문제를 해결하는 업적을 이룩하였다. 이는 다시 강조하지만 전기동역학으로 광학 현상을 이해하기 시작하면서 나타난 성과였으며, 반대로 상대성 이론은 전기동역학과 광학 등 광범위한 분야에 대한 훌륭한 해법을 제시한다. 상대성 이론은 전기동역학에 그 뿌리를 두고 있지만, 아인슈타인은 여기에서 머물지 않고 자신의 새로운 운동학이 모든 물리 법칙에 적용될 것을 요구하였다. 이는 상대론적 역학이라는 새로운 물리학 분야의 탄생을 낳았으며, 양자 역학과 함께 현대 물리학의 핵심을 이루게 된다.

4. 내용

특수 상대성 이론은 중력 이외의 모든 물리현상을 다룬다. 특수 상대성 이론에 따르면 시간과 공간은 서로 유기적으로 얽혀있으며, 이는 시간과 공간을 분리하는 고전 역학의 물리 법칙들의 수정을 강제한다.

특수 상대성 이론은 일반적으로 아인슈타인이 1905년 도입한 다음 두 가지 가정에 근거한 형식주의(formalism)가 널리 받아들여진다. 이외에 다른 형식주의도 소수 존재한다.[2]

1. 상대성 원리: 모든 관성 좌표계에서 물리 법칙은 동일하게 적용된다.[3]

2. 광속 불변의 원리: 모든 관성 좌표계에서 진공 중에서 진행하는 빛의 속도는 관찰자나 광원의 속도에 관계없이 일정하다.

특수 상대성 이론의 대표적인 결론에는 다음과 같은 요소들이 있다.

1. 동시성의 상대성: 두 사건의 동시성은 상대적으로 정의된다.

2. 시간 지연: 관측자에 대해 빠른 속도로 운동하는 물체는 시간이 느려진다.

3. 길이 수축: 관측자에 대해 빠른 속도로 운동하는 물체는 길이가 짧아진다.

4. 상대론적 운동량: 관측자에 대해 빠른 속도로 운동하는 물체는 고전적 운동량보다 더 큰 값을 가진다.[4]

5. 질량-에너지 등가원리(E=mc2E=mc2): 질량이 에너지로, 혹은 에너지가 질량으로 바뀔 수 있다.

일반 상대성 이론은 현대 물리학의 가장 성공적인 중력 이론이다. 이에 따르면, 중력은 일반적인 힘이 아닌 시공간의 곡률이 만들어내는 기하학적 현상이다. 그리고 그 곡률은 중력의 근원인 물질이 만드는 것이다. 정리하자면 시간, 공간과 물질은 상호작용을 하며 그 결과는 바로 중력이다. 아인슈타인은 (국소적으로) 중력과 관성력이 동일하다는 등가 원리를 통해 이러한 결론을 이끌어냈다.

1. 중력 시간지연과 적색편이: 중력원에 가까울수록 시간이 느리게 흐르는 것으로 관측되며, 관측자에게 도달한 빛은 진동수가 느려지면서 적색편이가 일어난다.

2. 중력 렌즈 효과: 강력한 중력원에 의해 빛의 진행이 휘어져 겉보기 위치가 이동한다.

3. 근일점 세차운동: 질량 주변의 입자는 케플러 법칙처럼 닫힌 타원 궤도를 그리지 않으며 꽃잎처럼 조금씩 축이 회전한다.

4. 중력파: 중력장(시공간의 곡률)은 시간에 따라 주변으로 파동처럼 퍼져나가 물질들의 거리를 요동시킨다.