[Aether 물리] #11 상대성이론 종합
매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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중력장이 또다른 중력장을 만든다
아인슈타인은 휘어진 공간을 에너지를 가진 공간으로 보았습니다. 즉 공간이 휘었다는 것은 그 공간이 에너지를 머금고 있다는 의미로 해석했습니다. 마치 전자기장이 에너지듯이 중력장도 에너지로 본 것이지요.
그런데 특수 상대성이론에 따르면 E=mc^2으로 에너지는 질량으로 바꿀 수 있습니다. 즉 공간이 휘어진 중력장에는 에너지가 있기 때문에 이것을 질량으로 환산하면 다시 그 중력장이 그 질량에 의해서 휘게 되는 순환 구조가 됩니다.
이것은 뉴턴의 만유인력법칙으로는 설명할 수 없는 부분입니다. 뉴턴의 식에서는 두 물체 사이의 중력은 변하거나 하지 않고 고정되어 있어야 합니다.
중력장이 또다른 작은 중력장을 만든다는 것이 실험으로 증명됐습니다. 태양에서 가장 가까운 수성이 태양과 가장 가까운 지점을 근일점이라고 합니다. 이 근일점은 주변 중력 영향으로 조금씩 이동하게 됩니다. 이런 영향으로 수성이 태양을 도는 공전궤도가 조금씩 틀어지게 되고요. 이러한 현상을 섭동(perturbation)이라고 합니다.
수성도 섭동으로 인해 근일점이 100년에 574초(~0.16도) 정도 이동합니다. 574초 중 531초는 뉴턴식으로 주변 중력 효과로 설명이 가능합지만 나머지 43초는 설명이 안됐었습니다. 사람들은 태양 뒤에 또다른 행성(vulcan)이 있을 것이라고 얘기했지만, 결국은 아인슈타인의 상대성이론으로 풀렸습니다.
아인슈타인은 태양의 중력장을 질량으로 보고 이 질량이 만들어낸 중력장이 수성의 근일점을 좀 더 이동시킨다고 생각했습니다. 계산결과 미지의 43초가 중력장이 중력을 만드는 것과 맞아 떨어졌습니다.
종합
파동의 성질은 에너지를 전달하는 것입니다. 파동의 개념은 쉬운 거 같은데 도대체 뭘까요?
소리도 파동입니다. 소리는 공기를 울리게 해서 파도가 치듯이 공기를 울리게 해서 정보를 전달합니다. 여기서 공기는 잠시 위 아래로 떨리고 다른 관여는 하지 않습니다. 소리 정보를 전달만 하는 역할을 하는 것이죠.
소리는 전자기파가 아닙니다. 그러나 전자기파도 파동입니다. 그래서 방송국 안테나에서 발사된 전자기파는 빛의 속도에 가깝게 이동하여 TV 안테나 내의 전자를 진동시켜 전류를 일으킵니다.
태양빛도 전자기파입니다.
전자기파가 파동이라는 것을 처음 알아낸 맥스웰은 모든 파동이 그렇듯이 전자기파도 매질을 통해 전파된다고 생각했습니다. 당시 그러한 매질로 '이더(aether)'라고 오래전부터 알려져 왔죠. 그리고 전자기파가 퍼져 있는 공간을 전자기장이라고 불렀습니다. 그래서 마이컬슨은 실험을 통해서 이더의 존재를 측정하려고 했던 것이죠. 결국 이더는 측정하지 못하고, 빛의 속도가 변하지 않는다는 것을 발견했죠.
아인슈타인은 특수 상대성이론을 발표하면서 이더가 필요없다는 결론을 내렸습니다. 이게 이더는 없다라는 결론은 아닌 거 같습니다. 이더 없이도 설명이 된다는 의미로 해석됩니다. 아인슈타인은 전자기파는 다른 파동과는 달리 매질이 없어도 정보가 전달된다고 생각했습니다. 그래서 전자기파는 공기가 없는 진공 속에서도 전달됩니다.
파도가 가지는 에너지는 물이 상하 진동하는 운동 에너지이고, 소리는 공기가 진동하는 에너지입니다. 그럼 도대체 전자기파는 매질 없이 에너지를 어떻게 전달하는 것일까요? 물리학자들은 전자기파 스스로 에너지를 가진다고 얘기합니다. 전자기파는 기존 물질과는 다른 것이죠. 정말 그럴까요?
여기서 잠깐!
이더 물리에서는 우주의 모든 공간은 이더로 차 있다고 얘기합니다. 아무리 진공을 만든다고 해도 이더는 존재하게 되는 것이죠. 만약 전자가피의 매질이 이더라면, 진공 속에서도 정보가 전달되게 됩니다. 관련해서 cavity structure effect라는 것이 있습니다.
아인슈타인은 물체에서 전자기파가 방출되면 물체의 질량이 감소한다는 것을 밝혀냈습니다. 질량을 가진 물질은 에너지를 가진 전자기파로 변환되는 것으로부터 E=mc^2라는 식을 발견했죠. 결국 물질과 전자기장(에너지)도 같은 것인데 형태만 다르다라는 것입니다. 그래서 우리가 비어 있다고 생각하는 빈 공간은 전자기장과 중력장으로 이루어져 있습니다. 즉 에너지는 물질의 다른 형태이므로, 빈 공간에 물질로 가득 차 있다고 할 수 있는 것이죠.
더 나아가 일반 상대성이론에 따르면 질량이 있는 물체 주변에 공간이 휘어진다고 했는데, 이는 곧 물질과 공간은 별개가 아니라 하나의 "연속체"라고 볼 수 있습니다. 공간도 질량으로 표현할 수 있는 것이죠.
또 시간과 공간을 4차원 시공간으로 표시할 수도 있습니다.
이를 종합해보면 에너지 = 물질(질량) = 공간 = 시간. 이 모든 것은 연결되어 있다는 얘기입니다.
아인슈타인은 물질이 없으면 시공간은 아예 존재하지 않는다고 얘기합니다. 위의 관계가 맞다면, 시공간에서 물질을 들어내면 빈 시공간만 남는게 아니라 시공간 자체가 사라지는 것이죠. 빈공간만 남는다는 것보다 더 논리적이긴 합니다.
아인슈타인의 특수/일반 상대성이론을 요약하면 아래 표처럼 됩니다.
이것으로 상대성이론편을 마칩니다. 속도에 따라 질량, 공간, 시간이 달라진다는 것도 직관적으로 믿기 힘들지만, 앞으로 더욱 믿기 힘든 양자역학이 세게가 펼쳐집니다. 아인슈타인도 양자역학에 대해서 고개를 절래절래 흔들었죠.
이어서 양자역학으로 바로 넘어가기 전에 물질을 구성하는 입자, 소립자에 대해서 알아보겠습니다.
참고
다음 책을 참고하였습니다.
쉽게 상대성 이론을 접하고 싶은 분들, 학생들께 추천합니다.
저자의 웹사이트에 내용이 공개되어 있습니다.
http://hkpark.netholdings.co.kr/web/manual/default/manual_list.asp?menu_id=107589