[Aether 물리] #9 일반 상대성이론 - 이론과 실험

etainclub (79)Beyond Reality Researcherin Korea • 한국 • KR • KO • 6 years ago (edited)

매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.

일반 상대성이론은 가속 운동을 하는 공간과 중력을 받는 공간을 구분할 수 없다고 생각했습니다. 뉴턴이라면 각각 관성력과 중력으로 설명하면서 다른 것이라고 했겠죠.

위 그림에서 무중력 상태인 엘리베이터에서 사과가 떨어진다면, 다음 두 가지 상황이 있을 수 있습니다.

엘리베이터가 위로 가속해서 관성에 의해 사과가 떨어짐
엘리베이터 밑에 질량이 큰 물체와의 중력에 의해서 사과가 떨어짐

이 두 가지 상황에 대해 엘리베이터에 타고 있는 사람은 구별할 수가 없습니다. 동일한 현상이 벌어지기 때문입니다. 이와 같이 관성력과 중력을 구분할 수 없어 같은 값으로 보는 것을 등가 원리라고 합니다. 등가원리를 적용하면 위로 가속되는 운동과 중력을 받는 운동이 같은 물리 법칙으로 설명됩니다. 여기서도 일반 상대성이론의 핵심이 지켜지고 있습니다.

모든 관찰자에게 동일한 물리 법칙이 적용된다!

위로 가속되는 엘리베이터 안에서 공을 치는 것과 중력을 받는 엘리베이터에서 공을 치는 것은 똑같은 운동을 한다는 것입니다. 공을 설명하는 운동에 동일한 물리 법칙이 적용된다는 얘기입니다.

등가 원리가 성립하기 위해서는 중력이 미치는 공간의 중력 가속도와 가속하는 공간의 가속도가 같아야 합니다. 예를 들어 지구 중력 가속도가 9.8m/s^2인데, 등가 원리가 성립하기 위해서는 우주선의 가속도가 9.8m/s2이어야 합니다. 가속하는 공간에서는 관성력을 느끼는데, 우주선이 9.8m/s^2로 가속한다면 그 관성력이 중력에 의한 것과 구별할 수가 없습니다. 그렇기 때문에 우주선에 있어도 지구에 있는 것처럼 중력이 아니지만 중력이 있는 것처럼 느끼게 됩니다.

아인슈타인은 관성력과 중력의 등가 원리를 다음과 같이 기술했습니다.

"균일한 중력장 아래서 기술되는 물리 법칙은, 그 중력장에 해당하는 가속도 운동을 하는 기준계에서 기술되는 물리 법칙과 동일하다."

이번에는 엘리베이터 안에 작은 구멍이 있어서 빛이 들어온다고 가정해 봅니다. 위로 가속 운동을 하는 경우 안에 타고 있는 사람에게 아래 왼쪽 그림처럼 빛은 아래로 휘는 것으로 보일 것입니다. 무거은 별과 같은 물체가 밑에 있는 오른쪽 경우에도 빛은 동일하게 휠 것입니다. 왜냐하면 두 상황은 등가 법칙이 적용되기 때문입니다.

이로 부터 아인슈타인은 중력을 받고 있는 공간에서는 빛이 직진하지 않고, 휘어져 간다라고 봤습니다. 결국 빛은 직진하는 것이고 중력에 의해 공간이 휘어졌다는 것이지요. 이것을 설명한 중력장 방정식입니다.

여기서 잠깐!
위 식을 보면 중력상수 G가 등장합니다. 물리식에서는 상수가 여러 개 등장합니다. 상수값은 유도하는 것이 아니라 실험값에 의해 정해지는 게 일반적입니다. 하지만 이더 물리에서는 이론으로 중력상수 G를 예측합니다. 상수라고 그저 끼워 맞추는 것이 아니라 이론적으로 설명된다는 것입니다.

아인슈타인은 바로 이식을 만들기 위해 8년이나 고생했습니다. 그럴만 해보입니다. 이식은 우주의 모습을 기술하는데도 사용되어 신의 식이라고도 합니다. 이와 견줄만한 식으로 양자역학에서 슈뢰딩거가 만든 파동방정식입니다. 김상욱 교수를 포함하여 물리학자들은 파동파정식으로 우리가 인지하는 감각의 99%를 설명할 수도 있다고 합니다.

뉴턴의 만유인력의 법칙에서 질량이 있는 물체는 서로 끌어당기는 중력이 작용한다고 하였는데, 그렇다면 빛은 질량이 없어서 (빛은 파동이면서, 또 광양자설에 의해면 빛은 입자이기도 합니다. 이 입자는 질량이 없다고 합니다.) 중력에 영향을 받지 않아야 합니다. 즉 휘어질 수 없는 것이죠. 그런데 아인슈타인의 상대성이론에 의해면 질량이 없는 빛도 공간 휘어짐으로 휘어져 간다는 것입니다.

검증 실험

그럼 정말 빛이 휘는가를 관찰하면 아인슈타인의 이론이 맞는 것이 됩니다. 아인슈타인 스스로 이것을 실험으로 알아내고자 실험을 고안했습니다. 밤하늘의 별 들의 사진을 찍고,또 이 별들이 태양 옆을 지나갈 때 사진을 찍어 비교해 보면 태양에 의해 빛이 얼마나 휘어졌는지를 알 수 있겠다고 생각했습니다. 그러나 이 방법은 태양이 너무 밝아서 주변의 별들 사진을 찍을 수 없어서 실패했죠.

그래서 달이 해를 가리는 일식에 맞춰 실험이 진행됩니다.

위 그림에서 일식이 없을 때, 밤에 관찰한 별의 위치가 속이 찬 빨간색 별의 위치입니다. 하지만 일식이 있을 때 측정한 결과는 이와 다르게 됩니다. 왜냐하면 태양 옆을 지나가면서 빛이 굴절되었기 때문입니다. 위 그림에서 굴절되어서 우리 눈에는 직진으로 들어오는 것으로 관측되기 때문에 직진의 위치에서 별이 관측됩니다. 사실 그곳에는 별이 없죠. 물 속의 물체가 굴절되어 높이가 다르게 보이는 것과 같습니다.

에딩턴이라는 사람이 드디어 관측에 성공합니다.

1919년 신문에 실린 기사입니다. 위 그림에서도 직선의 위치에 관측된 별의 위치라고 표시되어 있고, 굴절된 위치에 진짜 별의 위치라고 되어 있습니다.

실험 결과, 별빛이 2000분의 1도 휘어졌다고 하고, 계산값과 일치했다고 합니다.

아인슈타인은 이 증명으로 물리학계에서 일약 스타가 됩니다. 이전까지는 비중이 낮았습니다. 특수 상대성이론도 그렇고, E=mc^2도요.

예전에는 일식 때만 빛의 휘어짐을 관측했지만, 지금은 중력 렌즈라는 현상으로 빛이 휘어지는 것을 관측할 수 있습니다.

최근 관측결과 빛의 휘어짐이 일반 상대성이론으로 계산한 값보다 더 크다는 것이 발견되었습니다. 이것은 은하의 잘량이 예측한 값보다 크다는 것인데, 물리학자는 이를 설명하기 위해 암흑 물질(dark matter)라는 눈에 보이지 않는 물질이 잇다고 얘기하기도 합니다. 또 어떤 사람은 일반 상대성이론이 틀렸다라고 얘기하기도 하고요. 이더 물리학자인 Aspden과 같은 사람은 아인슈타인이 틀렸고, 물리학 100년을 잘못 이끌었다고 주장합니다.