상대성이론 실생활 - sangdaeseong-ilon silsaenghwal

상대성 이론이란 아이슈타인이 생각한 이론입니다.

상대성 이론은 특수상대성이론과 일반상대성이론으로 나뉩니다.

특수 상대성 이론에서 가장 중요한 포인트

빛의 속도는 일정하다.!!

예를 들어 100km/h 지나가는 트럭에서 20km/h로 공을 던지면

외부의 관측자는 120km/h 속도의 공을 관측하게 됩니다.

하지만 100km/h에서 빛을 빛의 속도로 쏴주면 외부의 관측자는 100km/h가 더해진 속도가 아니라 

그냥 빛의 속도로 관측을 하게 됩니다. (빛의 속도  = c(3*10^8 m/s)

상대성이론은 물체가 아주 아주 빨리 움직이는 상황일 때 적용되는 이론입니다.

여기서 알아야 할 부분은 빛의 속도는 절대적이고 시간은 절대적인게 아니다 라는 것입니다.

빈통에서 위로 빛을 쏴서 천장에 도달하게 되면 1초로 측정하는 시계가 있습니다.

하지만 이 빈통을 옆으로 빠르게 움직이면서 속도를 측정하게 되면 둘의 1초는 다른 기간이 됩니다.

밑의 경우가 1초가 더 느리게 되죠.

이 원리 때문에 인터스텔라에서 우주에서 쿠퍼의 시간이 지구에서 머피의 시간보다 느리게 가는 것입니다.

시간과 공간을 함께 생각해야한다는 중요한 부분입니다.

이번에는 일반 상대성 이론입니다.

일반 상대성 이론은 특수 상대성 이론보다 더 어렵습니다.

우선 공간을 중력장으로 봐야합니다.

그리고 질량을 가진 물체는 중력장을 만들고 시공간을 휘게 합니다. 

예를 들면 태양이 주변의 별들의 빛을 휘게 하는 것이죠.

이로써 일반 상대성 이론은 측정을 통해서 증명을 할 수 있습니다.

그리고 뉴턴의 중력이 사과를 떨어뜨린다. 

이런 물체 간에 잡아댕기는 중력은 사실 없고 중력장에 의해 힘이 작용하는 것이죠.

그리고 질량은 시간을 느리게 하는 특성이 있습니다.

즉 질양 중심에 가까울수록 시간이 느리게 갑니다.

예를 들면 아파트 1층보다 위층이 더 빨리 늙습니다.(물론 매우 미세합니다 ㅎ)

과연 이런 어려운 특수 상대성 이론, 일반 상대성 이론은 실생활에 적용이 될까요?

현재 스마트폰 GPS에 적용이 되고 있습니다.

GPS는 여러 개 위성의 시간 차이로 위치를 얻어내는 기술입니다.

그럼 시간 측정을 잘 해야 합니다.

위성은 매우 빠른 속도로 움직이고 (특수 상대성 이론) 지구에서 떨어져 있기 때문에 시간이 더 느리게 갑니다.(일반 상대성 이론)

이 두 가지를 잘 보정해주어서 우리는 정확한 위치를 얻을 수 있습니다.

https://youtu.be/eGcdSSYmWlc

https://youtu.be/g38Hl2pQtTE

상대성 이론 관련 링크 추천

이론 물리학자 알베르트 아인슈타인이 내세운 상대성 이론은 현대 물리학의 기본이 되는 중요한 이론이지만, 블랙홀 등 복잡한 사상과 관계되는 것이라는 이미지도 있고, 일상생활에 상대성 이론이 관련되어 있다고는 생각하기 어려울지도 모른다.

우리들이 실생활에서 상대성 이론을 실감할 수 있는 상황 몇가지를 알아보도록 하자.

상대성이론은 시공에서의 물체 거동을 설명하고, 블랙홀의 존재나 중력에 의한 빛의 굴절, 궤도상의 행성 거동 등을 예측하는 데 도움이 된다. 이런 상대성 이론에 대해서, "물체의 속도, 운동량, 시간이라고 하는 것은 절대적이지않고, 관측에 따라 상대적인 것이다", "빛의 속도는 누가 측정해도, 측정하는 사람이 얼마나 빨리 움직이더라도 일정", "빛보다 빨리 진행되는 것은 없다"라고 하는 요소로 구성되어 있다고...

이러한 이론들을 통해 설명되는 것이, "두 명의 관찰자가 측정하는 경과 시간은 상대적인 속도 차이나 중력장의 차이에 의해서 차이가 생긴다(시간의 지연"라든가, "운동하는 물체의 길이는 정지하는 물체보다 짧게 측정된다(길이의 수축)"와 같은 현상이다.

예를 들어, 고속으로 이동하는 우주선을 탄 관측자의 시간이 지구상에 비해 짧아지거나 비행 중인 우주선 사진을 촬영하면, 운동방향으로 짓눌린 것처럼 보이는 것은, 상대성 이론에 따라 설명할 수 있다는 것.

하지만, 상대성 이론을 실감하기 위해서는 꼭 우주선이나 광속에 가까운 속도로 이동하는 물체를 예로 들 필요는 없고, 일상생활이나 주변에서 사용되는 기술을 통해서도 상대성이론을 실감할 수 있다고.

■ 1. 전자석

코일을 자석의 부근에서 움직이면 코일 내의 하전 입자가 자기장의 영향으로 이동하고 전류가 흐르지만, 반대로 코일을 정지시킨 상태에서 자석을 움직였을 경우, 코일 내의 하전입자는 움직이지 않고 전류가 생긴다. 이는 절대 좌표가 존재하지 않고 상대적임을 시사한다는 것. 미국 캘리포니아의 포모나 칼리지 물리학 교수인 토머스 무어는, "이는 변압기나 발전기의 배후에 있는 중심적인 원리이기 때문에 전기를 사용하는 사람은 누구나 상대성 이론의 영향을 경험합니다"라고 코멘트.

또, 자성 재료의 심지에 코일을 감아 통전시킴으로써 자력이 생기는 전자석도 상대성 이론에 의해서 기능하고 있다. 코일에 직류전류를 흘렸을 경우, 양성자와 전자의 수가 균형을 이루기 때문에, 코일은 전기적으로 중성적으로 보이지만, 그 옆에 마찬가지로 직류전류가 흐르는 코일을 놓았을 경우, 전류의 방향에 따라 코일은 서로 기초한 길이 수축과 관련된 현상으로 상대성 이론이 없으면 설명할 수 없다는 것.

■ 2. GPS 내비게이션

지도 앱 등에 사용되는 GPS를 제공하는 인공위성은 빛에는 못 미치지만, 상당히 빠른 속도로 움직이기 때문에 지상국에 신호를 보낼 때 상대성이론을 감안해야 제대로 작동한다는 것. 인공위성은 고속이동이나 중력에 의한 상대성 이론적인 시간 지연을 고려하여, 수 나노초 정밀 시계를 사용하여 약 7마이크로초를 보정한다고 한다. 만약 상대성 이론이 존재하지 않았다면, 오늘 시점에서는 A지점에서 B지점까지 0.8km가 있다는 것을 보여주었던 GPS가 하루후에는 A지점에서 B지점까지 8km가 있다는 것을 보여주게된다고 지적.

■ 3. 금빛 노란 광택

대부분의 금속에 광택이 존재하는 것은, 금속 내부를 이동하는 자유전자가 외부에서 들어온 광자 일부를 흡수 재방출하기 때문이다. 금이 누런 광택을 띠는 것은, 대부분의 금속에서 반사되는 푸른색 파장까지 흡수 재방출하기 때문인데, 이는 금의 자유전자가 광속에 가까운 속도로 이동하기 때문에 상대성 이론에 따라 질량이 증가하기 때문이라고 한다.

■ 4. 부식에 대한 금의 내성

금의 자유전자가 빛에 가까운 속도로 이동하는 것은, 금 부식 내성에도 영향을 미친다는 것. 상대성 이론에 따라 고속으로 이동하는 금전자가 일반 전자보다 질량이 증가하기 때문에, 원자핵 근처로 끌어당긴다. 그 결과, 금은 다른 물질과 쉽게 반응할 수 있는 바깥 전자가 적어 쉽게 부식되지 않는 성질을 가지고 있다고....

■ 5. 액체수은

금과 마찬가지로 무거운 원자인 수은도 전자의 이동속도와 그에 따른 질량증가로 인해 전자가 원자핵 근처에 유지되고 있다. 수은 원자 간의 결합이 매우 약하기 때문에, 낮은 온도에서 고체에서 액체로 변화한다고 한다.

■ 6. 오래된 TV

2000년대 초까지 제작된 많은 TV나 모니터에 사용되던 브라운관은 큰 자석을 이용해 전자빔을 형광체에 조사함으로써 발광시켰었다. 이때 조사되는 전자의 속도는 광속의 최대 30%에 달한다고 제조업자들은 상대성 이론의 영향을 고려해 제조했다는 것.

■ 7. 빛

무어 씨는, 상대성이론에서는 전자장의 변화는 순간적이지 않고 유한한 속도로 움직이는 것이 요구된다고 말해 만약 상대성이론이 존재하지 않는다면, 전장의 변화는 전자파를 통하지 않고, 순식간에 전달된다고 지적. 이 경우 자기도 빛도 불필요해진다는 것으로, 상대성 이론이 없으면 빛의 존재를 설명할 수 없다고 주장하고 있다.

■ 8. 태양

상대성 이론에서는, 질량과 에너지는 가환이다라는 것이 설명됐고, 유명한 E-mc2 수식은 이른 나타낸 것이다. 태양에 있어서의 핵융합에서는 4개의 수소의 원자핵이 1개의 헬륨 원자핵이 되고 있고, 반응 전부터 반응 후 남은 질량이 열이나 빛이라고 하는 에너지로 변환되기 때문에. 지구까지 열이나 빛이 도달하고 있다. 즉 질량과 에너지가 가환임을 나타내는 상대성이론은 태양이 열이나 빛을 내는 이유를 설명하는데 있어서도 중요한 것이다.