아인슈타인의 일반상대성이론이란 무엇인가?
일반상대성이론의 요점은 공간과 시간이 시공간이라 불리는 4차원 공간을 구성하고, 시공간은 질량에 의해 구부러질 수 있다는 것이다.
질량이 큰 물체는 시공간을 물체 쪽으로 움푹 들어가게 한다. 이것은 볼링고을 트램펄린 위에 올려놓았을 때 트램펄린의 표면이 움푹 들어가는 것에 비유할 수 있다.
우주의 4차원 시공간에서는, 덜 무거운 물체가 더 무거운 물체에 다가가면(예를 들어 행성이 별에 접근하면), 덜 무거운 물체는 구부러진 공간을 따 라 더 무거운 물체를 향해 끌어당겨진다.
이것은 볼링고을 올려놓은 트램펄린 위에서 작은 구슬을 굴리는 것에 비유할 수 있다.
만약 구슬이 볼링공 옆을 지나 트램펄린의 흔들리는 부분에 들어가면, 구슬은 볼링공 쪽으로 쏠리게 된다.
일반상대성이론에 의하면, 이것이 중력이 작용하는 원리다.
아인슈타인에 의하면, 뉴턴의 만유인력의 법칙은 중력이 어떻게 작용하는지에 대해서는 거의 완벽하게 설명했지만, 왜 중력이 작용하는지에 대해서는 완벽하지 못하다.
우리는 일반상대성이론이 옳다는 것을 어떻게 알 수 있을까?
어떠한 과학적 가설도 실험이나 관측을 통해 확증될 때까지 증명된 과학 이 론으로 받아들여질 수 없다.
중력에 대한 일반상대성이론의 적용은 빛도 물 질과 마찬가지로 질량이 있는 물체에 의해 휘어지는 공간의 경로를 따라간다고 예측한다.
만약 일반상대성이론이 옳다면, 멀리서 오는 별빛은 태양의 중력에 의해 휘어진 공간의 경로를 따라가야 한다.
따라서 태양의 주변부를 지나는 별의 겉보기 위치는 태양이 존재하지 않을 때와는 달라야 한다.
이러한 예측을 실험하기 위해, 영국의 천체물리학자인 아서 에딩턴 Artun Eddington(1882 1944)은 1919년에 일식 기간 동안 하늘을 관측하는 중요한 과학 실험을 계획했다.
달이 태양의 밝은 빛을 가리자, 천문학자들은 그 시간에 태양 가까이 보이는 별들의 상대적 위치를 측정했다.
그리고 이 별들을 밤에 측정한 위치와 비교했다. 실제로 별들의 위치는 달랐으며, 그 차이는 아인슈 타인의 상대성이론에서 예측된 결과와 일치했다. 일반상대성이론의 실험적 확인은 물리학계를 영구적으로 변화시켰다.
이 발견은 뉴스의 헤드라인을 장식했으며, 아인슈타인은 국제적 유명 인사가 되었다.
아인슈타인의 특수상대성이론이란 무엇인가?
특수상대성이론에 따르면, 빛의 속도는 누가 관측하든 또는 관측자가 어게 운동하든 관계없이 항상 일정하다.
이 사실은 빛의 속도가 우주에서 어떤 것보다 빠르다는 것을 의미한다.
나아가 만약 빛의 속도가 일정하다면, 운동의 다른 성질이 달라야 한다는 의미다.
속도는 거리를 이동 시간으로 나눈 값으로 정의되므로, 이것은 어떤 물체에 경험하는 거리와 시간도 물체가 얼마나 빠르게 움직이느냐에
따라 변한다는 의미다.
공간에서 더 빠르게 움직일수록 시간에 대해서는 더 느리게 움직이게 된다.
마지막으로, 질량은 물체가 운동에 대해 가지는 저항의 정도로 생각할 수 있으므로, 물체는 정지 상태보다 움직일 때 더 많은 질량을 가지고 있다. 물체 가 더 빨리 움직일수록 질량도 더 커진다. 물체가 빛의 속도에 도달하게 되면,
이것은 더 이상 물질이 아니라 에너지가 된다. 이 관계가 바로 유명한 공식인 E=mc이다.
공간과 시간은 물질과 에너지에 어떻게 관계되는가?
일반상대성이론이 공간과 시간이 어떻게 작용하는지를 설명한 과학 이 론이라면 양자역학은 물질과 에너지가 어떻게 작용하는지를 설명하는 과학 이론이다.
상대성이론과 역학 사이에는 여러 중요한 연결점이 있다.
예를 들어, 물질과 에너지 사이에는 E=mc라는 전환 공식이 존재한다.
또한 물질은 중력을 야기하기 때문에, 미국 과학자 존 아치볼드 휠러'olin Archibald Wheler 191-2008)의 말처럼 "시공간은 물질이 어떻게 움직 일지를 말해주고, 물질은 시공간이 어떻게 휘는지를 말해준다"라고 할 수 있다.
이러한 두 가지 중요한 이론- 상대성이론과 양자역학-은 그들이 기술하는 우주의 관점에서 서로 교차하거나 중복되지 않는다.
사실 하나의 이론을 이용하여 특정 물리 현상을 설명하는 것은 때로는 현상이 어떻게 다른 것을 설명하는지에 대해 서로 모순될 수 있다.
이러한 두 가지 위대한 이론을 통합하는 것이야말로 현재 과학자들이 연구하고 있는 최첨단 연구 주제의 하나다.
어떤 사람이 다른 사람보다 시간이 더디게 가는 여행을 할 수 있을까?
어떤 사람이 다른 사람에 비해서 상대적으로 시간이 더디게 흐르는 여행은 가능하다.
다른 사람보다 빠르게 움직임으로써(예를 들면 버스나 비행기를 통해) 시간은 정지 상태에 있는 사람보다 아주 약간 천천히 흐를 것이다.
그러나 이런 경우의 차이는 믿을 수 없을 정도로 미미하다.
설령 어떤 사람이 비행기를 열두 시간 타고 있다 하더라도, 전체 시간에서 차이는 서 있는 사람과 비교해 1/1000만 초 차이도 나지 않는다. 만약 누군가 시속 5억 3900만 km의 속도로 움직이고 있다면(빛의 속도의 절반) 정지 상태에 있는 사람이 느끼는 12시간 은 10시간 24분밖에 경과하지 않는다. 그러나 이러한 속도는 현재 우리의 운 송 기술이 제공할 수 없는 머나먼 미래의 일이다.
감마선이란 무엇인가?
감마선은 파장이 10-9m보다 짧은 전자기파로, 에너지가 매우 높고 투과력 이 강해, 사람에게 상당한 방사능 손상을 입힐 수 있다. 감마선은 우주에서 가장 강력한 과정, 이를테면 폭발하는 별이나 초대질량 블랙홀에 의해 방출된다.
쌍둥이 역설이란 무엇인가?
만약 공간을 다른 속도로 움직이고 있는 물체들이 시간의 흐름을 다르게 경 험한다면, 일란성쌍둥이가 각자의 경험을 통해 서로 다른 나이를 가지는 것 이 가능하다. 만약 둘 중 하나는 태어날 때 빠르게 움직이는 우주선 안에 있고 다른 하나는 상대적으로 정지 상태에 있다면, 서로 다른 비율로 나이를 먹게 된다. 이를 '쌍둥이 역설'이라고 한다.
엑스선이란 무엇인가?
엑스선은 파장이 10-9~10-8m 범위에 있는 전자기파다. 이런 종류의 복사 선은 사람의 신체 조직을 통과할 수 있으므로, 병원에서 사람의 몸속 기관과 뼈를 촬영하는 데 사용된다.
자외선이란 무엇인가?
자외선은 파장이 10-8~3.5x10-7m 범위에 있는 전자기파다. 이런 종류의 복사선은 피부를 그을리게 하거나 선탠을 유발한다.
가시광선이란 무엇인가?
가시광선은 파장이 3.5x10-7~7 X 10-m 범위에 있는 전자기파다. 이런 종 류의 복사선은 사람의 눈으로 감지할 수 있다. 이 복사선은 대략 일곱 가지 색 갈로 나뉜다. 보라, 남색, 파랑, 초록, 노랑, 주황, 빨강이다.
적외선이란 무엇인가?
적외선은 파장이 7X 10-7-10 m 범위에 있는 전자기파다.
이런 종류의 특 사선은 사람의 눈으로 볼 수 없으나, 열을 감지할 수 있다. 우리 몸이 열기를 가지고 있기 때문에 우리는 적외선 형태의 복사선을 방출한다. 이는 야간 뒤 시경이 작동하는 원리로, 야시경은 사람이 볼 수 있는 가시광선이 충분하기 않을 때 물체나 사람에게서 나오는 적외선을 감지한다.
마이크로파란 무엇인가?
마이크로파는 파장이 0.001에서 0.01m 범위에 있는 전자기파다. 이런 종류의 복사선은 마이크로 오븐과 같이 물을 가열하는 데 사용되거나 휴대폰처럼 무선 통신에 사용될 수 있다. 마이크로파는 우주 자체에서도 방출된다. 우주의 시초에 방출된 잔존 열은 깊은 우주 공간이 2.7K의 온도를 갖게 했고, 이로 인해 우주는 마이크로파를 방출한다.
전파란 무엇인가?
전파란 파장이 0.01m보다 긴 전자기파다. 지구에서는 라디오나 TV 방송 같은 통신에 이용된다. 우주에서는 강한 전자기장이나 빠르게 움직이는 대전 물질에 의해 대량으로 만들어지거나 성간 수소 가스의 구름에 의해서도 만들어진다.
전자기파와 전자기 복사선의 차이는 무엇인가?
전자기파와 전자기 복사선은 같은 것이지만, 이 용어들은 맥락에 따라 다르 게 사용된다.
광자에 의해 전달되는 전자기력은 광원에서 발산되는 파동은 로 고려될 수도 있고, 광원에서 밖으로 이동하는 입자로 고려될 수도 있다.
양자역학
빛은 어떻게 입자도 되고 파동도 될 수 있는가?
빛은 단위 입자(광자) 또는 단위 파동으로 간주될 수 있다. 이 현상은 파동-입자의 이중성으로 알려져 있는데, 빛의 이중성은 매우 작은 규모에서의 입자의 운동을 기술하는 양자역학의 핵심 원칙이다.
양자역학이란 무엇인가?
양자역학은 미시적 규모에서 물질과 에너지의 운동과 거동을 기술하는 이 론이다. 우주 안의 별과 행성 그리고 사람들에게 적용되는 물리 법칙은 원자, 분자, 아원자 입자들에 대해서는 적용되지 않는다. 양자역학의 기본 개념은 다음을 포함한다.
파동-입자 이중성: 빛은 파동 또는 질량이 없는 입자라고 할 수 있다. 질량을 가진 입자는 '물질파'로 생각될 수 있다. 결과적으로, 광자는 질량이 없지만 우물물을 찾고 힘을 생성할 수 있다. 이것은 않을 하고 있을 들어내기 위의 서는 질량이 필수적인 뉴턴의 운동 법칙과는 매우 다른 것이다.
- 불연속적인 위치와 움직임 : 매우 작은 규모에서 물질은 가능한 모든 위치에 있을 수 없다. 오히려 모든 입자의 주변(예를 들면 원자액)에서, 다른 입자들은 각 입자들의 성질에 의해 통제되는 어떤 위치나 어떤 거리에 있을 수밖에 없다.
이것을 좀 더 쉽게 이해하기 위해 계단을 오르내리는 사람을 생각해 보자.
제단 아래와 위 사이에서 이 사람은 계단이 존재하는 높이만 밟을 수 있고, 계만 과 계단 사이의 중간 지점에서는 서 있을 수 없다.
이는 물체가 적절한 운동량 혹은 일이 존재하는 한 다른 물체에서 일정한 거리를 가질 수 있다는 뉴턴의 법칙과는 다른 것이다.
- 불확실성과 요동: 작은 규모에서 어떤 위치나 시간에서 각 입자의 운동이나 에너지를 정확히 측정하는 것은 불가능하다. 사실상 위치나 시간 간격이 정확하게 측정될수록 운동량이나 에너지는 보다 덜 정확하게 알게 된다.
예를 들면 이것은 큰 에너지의 빛이 아주 짧은 시간에(이 시간은 1/1조 초보다 아주아주 더 짧은 시간이다!) 나타나고 사라지는 일이 가능하다는 것으로, 관측하기에 그 시간이 너무 짧기 때문에 우리는 알아차릴 수 없다.
과학자들의 가설에 의하 면, 이러한 급격한 에너지 변동이 우주 탄생 때 일어났을 것이라 생각된다는 것이다. 이것이 빅뱅 이론이다.
막스 플랑크는 누구이며, 물질과 양자역학의 이해에 어떻게 기여했는가?
독일의 물리학자 막스 플랑크는 현대물리학, 특히 양자역학의 발전에 많은 기여를 했다.
그는 열복사(뜨거운 물체에 의해 방출되는 전자기가 어떻게 일어나는지를 연구하여, 열을 방출하는 물체의 에너지 파장 분포를 수학적으로 설명한 첫 번째 인물이 되었다.
그러나 이를 위해 플랑크는 빛이 연속적인 파가 아닌 '양자라 불리는 빛의 입자들로 구성되어 있다는 것을 의미하는 수학적 방식을 사용해 야 했다. 그의 이론은 곧 빛의 근본적인 속성 막스 플랑크를 의미하는 것으로 증명되었다.
오늘날 독 일의 주요 연구 기관은 그의 업적을 기리기 위해 '막스 플랑크 소사이어티'로, 독일의 국립자연과학연구소는 '막스 플랑크 연구소'로 알려져 있다.
빛의 입자- 파동의 이중성 개념은 어떻게 발전했는가?
뉴턴은 빛이 입자에 의해 운반된다는 소위 '미립자설 CorpUSeular theor이라 불 리는 이론을 옹호했다. 하위헌스는 반대로 '파동 ave theory'을 지지했다.
이러한 논쟁은 맥스웰이 전자기학의 이론을 설립하고 전자기력이 파동으로 어떻게 전해지는지를 설명하기까지 한 세기 이상 동안 매듭지어지지 않았다. 이 이론은 빛이 파동에 의해 운반된다는 것을 확증하는 듯이 보였다. 그러나 얼마 지나지 않아, 열역학의 연구는 파동설이 빛의 거동을 완전하게 설 명하지 못한다는 것을 보여주었다. 결국 1900년 1905년에 각각 막스 플 라이크와 아인슈타인은 빛의 에너지는 입자에 의해 운반된다는 사실을 보여주었다. 그럼에도 빛의 입자 이론과 파장 이론 사이의 논쟁은 그 후 10년간 결 론이 나지 않다가 결국에는 두 가지 이론의 균형을 맞추는 이론이 생겨났다.
바로 양자역학이다. 이는 빛이 파장과 입자 모두로 구성된다는 것을 설명해 준다.