상대성 이론/역사

• 상위 문서: 상대성 이론, 물리학/역사
• 다른 하위 문서: 상대성 이론/심화(스압+울렁증 주의)
• 상대성 이론 관련 역설: 쌍둥이 역설, 막대와 헛간 역설, 에렌페스트 역설, 컨베이어벨트 역설

1 개요

상대성 이론의 발단부터 발전 과정을 다루는 문서이다.

상대성 이론, 이 굉장한 이론의 첫 삽은 맥스웰이 떴다고 할 수 있다. 물론 아인슈타인 전에도 이미 헨드릭 안톤 로런츠(Hendrik Antoon Lorentz)의 로런츠 변환식에서 광속 불변성과 기존 뉴턴 역학의 결함을 암시한 바 있다. 이후 아인슈타인은 전자기 현상에 적용되던 로렌츠 변환식을 역학 범위로 확장 및 해석했으며, 영국의 천문학자 에딩턴은 중력 렌즈 효과 관찰로 아인슈타인의 이론을 증명하였다. 그리하여 아인슈타인은 일약 스타가 되었다. 그런데 '맨 처음 삽을 뜬 맥스웰은 당시 사람들로부터 도깨비 방정식을 만들었다는 야유를 들으며, 결국 우울증에 걸려 자살을 했다'는 루머가 돌 정도로 당시에는 파격적인 이론이었다. 하지만 실제 자살을 한 것은 그의 동료였던 루트비히 볼츠만.

이하 연대 순으로 서술한다.

2 발단

상대성 이론의 출발점은 19세기 전자기학과 뉴턴 역학의 충돌 문제로 거슬러 올라간다. 복잡한 설명은 전부 빼고 설명하자면 19세기의 저명한 과학자 맥스웰의 전자기력(Electromagnetism) 방정식 중에 뉴턴 역학에 위배되는 공식이 발견된 것이다.

빛의 속도가 대표적인 예이다. 뉴턴 역학(Newton Mechanics)의 기본 중 하나인 갈릴레이의 상대성 원리 따르면 속도 덧셈 공식으로 [math]V=u+v[/math]가 성립해야 한다. 그런데 맥스웰 방정식은 위 공식이 성립하지 않았다. 맥스웰 방정식에 따르면 전자기파의 전파속력은 기준계(frame of reference)에 관계 없이 언제나 일정하게 나타났다. 가령 한 기준 좌표 O에서 광속이 초속 30만km로 나타난다 하고, O가 다른 좌표계 O'에 대해 초속 1000km로 움직인다고 가정하면, 원래 O'에서 본 빛의 속도는 초속 30만1000km가 나와야 한다. 그런데 맥스웰 방정식의 도출 결과는 O' 역시 초속 30만km라는 것(!!)

여기서 과학자들은 아래 시나리오를 생각하였다.

1. 갈릴레이 변환(뉴턴 역학과 들어맞는 변환식)이 맞고 맥스웰 방정식이 틀렸다.
2. 갈릴레이 변환이 뉴턴 역학에는 적용되지만 맥스웰 방적식에는 적용되지 않는다.
3. 맥스웰 방정식이 맞고 갈릴레이 변환이 틀렸다. 즉 뉴턴 역학이 틀렸다.

2번은 당연히 어떤 과학자도 만족시키지 못하는 답이었다. 애초에 물리법칙이란 일부 현상에만 적용되는 게 아니라 모든 현상을 아우르는 것이 훨씬 자연스럽기 때문. 더구나 애초에 두 자연 현상이 서로 다른 법칙에 따라 따로 논다고 가정하는 것 자체가 설득력이 매우 떨어진 것이었다. 결국 1번과 3번이 남는데, 3번 역시 문제가 남게 된다. 지금껏 모든 역학을 포괄해 왔던 뉴턴 역학이 맞지 않다면 대체 무슨 역학이 존재한단 말인가?

많은 과학자들이 1번 시나리오를 지지하였다. 당연히 몇백년 동안 이어온 관념을 바꾼다는게 힘들었을 것이다. 더욱이 지금까지 한번도 틀린 적이 없었던 관념이었으므로……. 과학자들은 아울러 "맥스웰 방정식 속에 미세한 오류가 있으나 우리가 미처 발견하지 못한 것일 뿐"이라는 추측을 하였다. 예를 들자면 빛의 속도는 수시로 변할 수 있는 데, 지구상에서 우리는 30만km/s에서 ±100km/s 정도의 변화 폭을 인지하지 못했던 것이라는 식이다.

3 가상의 매질 에테르

한편 빛이 파동이라는 건 알고 있었는데, 여기서 빛의 매질은 무엇인가 하는 질문이 떠오르게 된다. 과학자들은 이 가상의 매질을 에테르(aether)라 명명하였다. 전자기학에서 이야기하는 전기장, 자기장 등 모든 전자기 현상은 에테르의 변형을 통해 일어나며, 전자기파는 이러한 에테르의 변형이 파동 형태로 전달된다고 믿었다. 즉 기존의 역학적 파동과 비슷한 모델을 세운 셈이다. 또한 관측자 기준틀이 에테르에 대해 움직이고 있다면 전자기 현상이 달라질 것이라 생각하였다. 단지 우리는 그러한 전자기 현상의 변화(혹은 맥스웰 방정식에 숨은 오차)가 일상생활에서 매우 작아 여태 인지하지 못했을 뿐.

그런데 "에테르가 존재할 것이다"는 추측에 그칠 것이 아니라, 실험으로써 밝혀내어 "존재한다"로 굳힐 필요성이 생겼다. 과학이 언제나 그렇듯이 실험으로 검증해야 설득력이 확고해지기 때문이다. 하지만 역학적 파동의 매질과는 달리 에테르는 외관상 확인할 길이 전혀 없었다. 그 와중에 광학적 간섭계를 이용하여 에테르의 존재 여부를 밝히기 위한 실험이 행해졌다. 바로 마이컬슨-몰리 실험(Michelson-Morley experiment)이다.

4 마이컬슨-몰리 실험(1887)

마이컬슨-몰리 실험은 물리학에서 매우 중요한 실험이다. 사실 위 발단 단락에서 언급한 1번 시나리오를 지지하기 위해 만들어졌다기보다는 광학적 에테르의 존재 여부를 밝히기 위한 실험이었다. 즉, 빛은 파동이기 때문에 이를 전달하는 매질이 존재할 것이라는 믿음에서 이 매질의 존재를 증명하려 한 실험이었으며, 당시 존재가 실험적으로 증명되지도 않은 이 매질에 에테르라는 이름이 붙어 있었다.

실험은 한 광원에서 나온 빛을 반거울로 x,y 축으로 나누어 다시 되돌아오는 시간을 측정하는 장치였다. 에테르가 존재한다면 에테르가 가득 찬 우주 속을 질주하고 있는 지구 위에서에테르 바람을 맞을 것이며, 실험 장치에는 당연히 빛의 속도가 미세하게 변화하고 시간차가 발생할 것이었다. 빛의 이동거리는 에테르 바람으로 인해 이동 방향에 따라 이론적으로 분명히 차이가 나야한다. (x,y 축으로 나눈 이유가 이것이다.) 그리고 에테르와 실험장치 간의 상대적 운동 방향이 달라진다면 이 시간차(즉 파동의 위상차) 역시 달라질 것이었다. 따라서 지구 공전방향이 달라질 충분히 긴 시간을 두고 실험이 진행되었다.

4.1 실험과 빛의 매질의 관계

갈릴레이의 상대성 이론에 따르면 어떤 관성 좌표계에서도 물리법칙은 동등하게 적용된다. 즉 대칭성이 적용된다. 즉 기준이 될 만한 대상이 존재하지 않으면 어떤 물체의 고유한 속도를 이야기할 수 없다. 가령 우주공간에서 누군가 움직이고 있다면 우리는 이런 해석을 할 수 있다.

1. 저 친구가 등속으로 나를 지나치고 나는 가만히 있다.
2. 저 친구는 가만히 있고 내가 등속으로 움직이고 있다.
3. 둘 다 움직이고 있다.

이 상황에서 저 3개의 상황 중 어느것인지 물리 법칙이든 뭐든 어떻게든 알 수 없다는게 바로 기준틀(reference frame)의 동등성이다.

그런데 파동을 이야기할 때, 파동의 매질이 있다면 파원(source)과 관측자(observer)의 매질에 대한 상대속도를 이야기할 수 있다. 그리고 이 매질에 대한 상대속도가 도플러 효과에서 중요하게 다루어진다. 실제로 등속운동을 하는 물체일지라도 매질에 대한 상대속도에 따라 파동의 진동수가 미묘하게 달라진다. 다시 말해 우주 공간에서 등속 운동을 하고 있으면 내가 움직이는지 상대가 움직이는지 알 수 없지만 주변이 공기로 둘러싸여 있고 소리를 내며 움직이면 내가(매질인 공기에 대해) 움직이는지 상대가 움직이는지 알 수 있다!

다시 빛으로 돌아가 보자. 만약 빛의 매질이 있다면 위에서 살펴본 역학적 파동과 같이 에테르에 대한 실험 장치(간섭계)의 상대속도가 지구의 공전에 따라 달라질 것이고, 결국 이 변화가 간섭계의 간섭 무늬가 달라질 것이란 결론이 나온다. 만약 이 간섭 무늬가 같다면? 매질의 존재가 부정된다.

4.2 "에테르는 없다."

하지만 이 실험에서 빛이 간섭무늬 장치에 동일하게 도달하였다. 정확히 말하자면 간섭계의 간섭무늬가 지구의 공전방향에 관계없이 같은 무늬로 나온 것이다. 결국 빛의 매질은 없다는 것이 마이컬슨 몰리 실험에서 밝혀졌다. 또한 이 실험을 계기로 빛의 속도는 어떻게 측정하나 일정하다는 결론도 딸려나온다. 이로써 이 실험은 에테르 가설을 안드로메다로 보내버리는 한편, "뉴턴역학이 옳고 맥스웰 방정식에는 오류가 숨어있다"는 주장을 더 멀리 날려버렸다. 만일 여러분이 이 결과를 마주한다면 어떻게 하겠는가.

실패한 실험 결과에 대해 로런츠는 에테르에 평행한 운동 방향으로 길이 수축이 일어나 에테르 바람의 효과가 측정되지 않는다는 설명을 내놓는다. 이 길이 수축 효과가 바로 당시 물리학자들을 혼란에 빠뜨린 로런츠 변환에서 온 것이다. 그러나 과학자들은 로런츠 변환을 이용한 설명에 회의적이었다. 우선 수식으로써 로런츠 변환을 적용한다면 이론상 풀릴지는 몰라도, 그것이 과학적으로 무엇을 의미하는가에 의문을 제기하게 된다. 로런츠의 설명은 결국 로런츠 변환식 자체에서 끝나게 된다.

그러다가 20세기가 되어서 창의적인 사고실험으로 상대성 이론을 제시한 아인슈타인이 나타났다.

5 특수 상대성이론(1905)

5.1 광속 불변의 원리

광속이 언제나 일정하다는 단서는 원래 맥스웰 방정식에서 도출되는 파동방정식에 있었다. 빛의 정체는 전자기파이고, 전자기파의 진행속도는 어느 좌표계에서 보나 초속 30만km로 동일하다는 (당시로서는) 기상천외한 결과가 나온다. 그 당시 사람들에게는 매우 당황스러운 현상이었으나, 아인슈타인은 이를 과감하게 원리로 받아들이게 된다. 그리고 특수 상대성 이론은 이 원리와 기존의 뉴턴역학(특히 갈릴레이의 상대성 원리), 그리고 전자기학을 상대적 시간, 상대적 공간 등 새로운 관점에서 재해석하고 고전물리학의 결함을 바로잡게 된다.

5.2 시간 지연과 길이 수축

로런츠가 로런츠 변환을 제안하여 광속 불변 문제와 마이컬슨-몰리 실험의 모순을 수식을 통해 해결한 바 있다. 사실 시간 지연과 길이 수축 현상은 로런츠와 피츠제럴드의 설명으로 등장하였는데, 이것의 물리적 의미를 해석해내지는 못하였다. 그러던 것을 아인슈타인이 앞서 언급한 고전물리학과 광속 불변의 원리로써 여러 현상을 설명하게 된다.

5.3 질량-에너지 동등성(1905)

질량과 에너지의 정체는 같다는 이 원리는 보통 특수상대론의 범주에 들어가지만 실제로 아인슈타인은 관련 논문을 3개월 늦게 발표하였다.

질량-에너지 동등성은 질량이 에너지로 변환될 수 있고, 에너지가 질량으로 돌아올 수 있음을 말한다. 대표적인 현상이 핵분열과 핵융합, 그리고 쌍생성-쌍소멸. 이 원리는 1909년에 핵분열 반응에서 나온 막대한 에너지 문제에서 예측치와 관측된 값이 들어맞음으로써 증명된다.

6 일반 상대성이론(1915)

아인슈타인은 특수상대론에 이어 '관성 기준틀뿐만 아니라 가속하는 모든 기준틀에서 성립'하는 이론을 정립하고자 하였다. 일반 상대성 이론의 기본 원리가 되는 등가원리를 기반으로 중력장을 기하학의 관점에서 재해석하게 된다.

6.1 개기일식(1919)

아서 스탠리 에딩턴은 일반 상대성 이론에 의한 효과로 빛이 휘어짐을 보이기 위해 개기일식을 관측, 촬영하였다. 1919년 5월 29일에 행해졌다.

한 섬에 일식을 관찰하러 가서 같은 장소에 밤에 사진 한 장씩고, 다음날 일식이 일어날 때 사진을 찍었다. 두 사진에 태양 주위에 별의 위치가 다르다면 빛이 중력에 의해 휜다는 상대성이론이 증명되는 셈, 당시 기상이 나빠서 실험이 실패할 뻔했으나, 단 한 장의 사진이 무사히 찍혀서 실험에 성공했다고 한다.

7 이베스-스틸웰 실험(1938)

상대론적 도플러 효과를 검증한 실험.

8 하펠-키팅 실험(1971)

두 제트기에 원자 시계를 싣고 지구를 돌아 시간 지연 현상을 검증한 실험.

9 중력파 발견(2016)

발표 영상. 앞 부분은 발표 시작 전으로, 27:14부터 보면 된다.
중력파란 중력이 변화하면서 발생하는 파동 형태의 시공간 요동을 말한다. 아인슈타인 장 방정식에서 도출되는 현상 중 하나다. 일반적인 천체에서 나오는 중력파는 매우 약하다. 여태까지는 중성자별 사이의 상호작용 등 간접적인 발견에 머무른 상태였다.

2016년 2월 11일 오전 10시 30분(미 동부 시간 기준, 한국시각 익일 0시 30분)에 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 연구진이 중력파를 직접 탐지하는 데 성공했다고 발표하였다. 이로써 100년 전 아인슈타인이 주창했던 이론이 사실로 밝혀진 것이다. 연합뉴스 3보

이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 상대성 이론문서에서 가져왔습니다.</div></div>