상대성이론

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1. 개요

상대성이론은 1905년 알베르트 아인슈타인이 발표한 특수 상대성 이론과 1916년 발표된 일반 상대성 이론을 포괄하는 개념으로, 시공간과 중력에 대한 새로운 이해를 제시한다. 특수 상대성 이론은 빛의 속도가 일정하다는 가정 하에 시간 팽창, 길이 수축, 질량-에너지 등가성 등의 현상을 예측하며, 일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 왜곡으로 설명한다. 이 이론들은 마이켈슨-몰리 실험, 수성의 근일점 이동 관측 등을 통해 검증되었으며, GPS 시스템, 입자 가속기, 핵물리학, 천체물리학, 우주론 등 다양한 분야에 응용된다. 상대성이론은 발표 이후 비판과 논쟁의 대상이 되기도 했지만, 현대 물리학의 핵심 이론으로 자리 잡았다.

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상대성이론 - 시공간
시공간은 시간과 공간을 4차원 연속체로 통합한 개념으로, 아인슈타인의 상대성이론에 따라 상대적이며, 일반 상대성이론에서는 중력을 시공간의 곡률로 설명하고, 현대 물리학과 우주론 연구에 필수적이다.
상대성이론 - 대응원리
대응 원리는 플랑크 상수가 0에 가까워지는 극한에서 양자역학이 고전역학으로 근사적으로 환원됨을 보이는 원리로서, 초기 양자역학 발전에 기여했으나 현대에는 유추적인 역할로 중요성이 감소하였지만, 고전역학과 양자역학의 수학적 대응 관계 연구를 통해 계승되고 있다.

상대성이론
지도
기본 정보
분야	물리학
연구 분야	시공간, 중력, 전자기학, 입자 물리학
주요 이론	특수 상대성 이론 일반 상대성 이론
창시자	알베르트 아인슈타인
발표 연도	특수 상대성 이론: 1905년 일반 상대성 이론: 1916년
발표 장소	독일
특수 상대성 이론
주요 내용	상대성 원리: 모든 관성 좌표계에서 물리 법칙은 동일하다. 광속 불변의 원리: 진공에서의 빛의 속력은 모든 관찰자에게 동일하다.
핵심 개념	시간 지연 길이 수축 질량-에너지 등가성
일반 상대성 이론
주요 내용	중력은 시공간의 휘어짐으로 설명된다. 중력장 방정식을 통해 시공간의 구조와 중력의 영향을 기술한다.
핵심 개념	중력 렌즈 효과 블랙홀 중력파 우주 팽창
이론의 영향
현대 물리학의 기초	양자역학과 함께 현대 물리학의 두 기둥을 이룬다. 우주론, 천체물리학, 입자물리학 등 다양한 분야에 응용된다.
기술 발전	GPS, 원자력 발전, 입자 가속기 등 다양한 기술 발전에 기여했다.
비판 및 논쟁
초기 비판	초기에는 개념의 추상성 때문에 많은 비판과 논쟁이 있었다. 실험적 검증의 어려움으로 일부에서는 비과학적인 이론으로 여겨지기도 했다.
현대적 논쟁	양자 중력 이론과의 통합 문제가 아직 해결되지 않았다. 암흑 에너지, 암흑 물질 등의 존재에 대한 논의가 활발히 진행 중이다.
관련 개념
관련 개념	시공간 로렌츠 변환 민코프스키 공간 중력장 측지선 쌍둥이 역설 상대론적 속도 합성
기타
로마자 표기	Sotaeseong iron
독일어 표기	Relativitätstheorie
영어 표기	Theory of relativity

2. 역사적 배경

알베르트 아인슈타인은 1905년에 알베르트 A. 미켈슨, 헨드릭 로렌츠, 앙리 푸앵카레 등이 얻은 많은 이론적 결과와 실험적 발견을 바탕으로 특수 상대성 이론을 발표했고, 막스 플랑크, 헤르만 민코프스키 등이 후속 연구를 수행했다. 1907년부터 1915년까지 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 개발했으며, 1915년 이후 많은 다른 사람들의 기여와 함께 1916년에 최종 형태가 발표되었다.^[2]

"상대성 이론"이라는 용어는 1906년 막스 플랑크가 사용한 "상대 이론" (Relativtheorie^de)에 기초한 것으로, 상대성 원리를 사용하는 방식을 강조했다. 같은 논문의 토론 부분에서 알프레드 부헤러는 "상대성 이론" (Relativitätstheorie^de)이라는 표현을 처음으로 사용했다.^[5]^[6]

1920년대까지 물리학계는 특수 상대성 이론을 이해하고 받아들였으며,^[7] 원자 물리학, 핵물리학, 양자 역학 분야의 이론가와 실험가들에게 중요하고 필수적인 도구가 되었다. 반면 일반 상대성 이론은 뉴턴 중력 이론의 예측에 대한 사소한 수정을 하는 것 이상으로 유용해 보이지 않았고,^[2] 실험적 검증 가능성이 적어 보였다. 수학이 어려워 소수의 사람들만이 완전히 이해할 수 있었다.

1960년경 일반 상대성 이론은 물리학과 천문학의 중심이 되었다. 계산을 간소화하고 개념을 더 쉽게 시각화할 수 있는 새로운 수학적 기법이 적용되었다. 퀘이사(1963), 3켈빈 우주 마이크로파 배경 복사(1965), 펄서(1967), 최초의 블랙홀 후보(1981)^[2] 등의 천문학적 현상이 발견됨에 따라 이 이론은 그 특성을 설명했고, 측정을 통해 더욱 확인되었다.

상대적으로 등속직선운동하는 두 관측자(관성계) 사이에서 물리 법칙은 서로 불변한다는 상대성 원리와 광속이 관측자의 속도의 영향을 받지 않고 일정하다는 두 가지 가설에 기반하여, 1905년에 특수 상대성 이론이 발표되었다. 1915-1916년에는 일반 상대성 이론이 발표되었는데, 등가 원리 즉 “속도의 변화에 의해 생기는 중력과 질량이 가져오는 중력은 구별되지 않는다”는 가설에서 비관성계를 포함한 모든 좌표계에서의 역학 현상에 대한 이해를 발전시켰다.

1906년 발표에서^[27] 막스 플랑크는 상대론(Relativtheorie)이라는 표현을 사용했고, 이 세션에서의 논의에서 알프레트 부헤러가 처음으로 상대성이론(Relativitätstheorie)이라는 표현을 사용했다. 1917년 아인슈타인의 논문에서는 정상 우주를 전제로 우주 상수가 추가되었으나, 후에 에드윈 허블 등의 관측으로 우주가 팽창하고 있다는 것이 밝혀지면서 우주 상수에 대한 논의와 이해도 진전되었다.

2. 1. 특수 상대성 이론의 등장

제임스 클러크 맥스웰의 전자기학이 고전역학의 갈릴레이 대칭성을 지키지 않는다는 모순을 설명하기 위해 특수 상대성 이론이 만들어졌다. 전자기학을 통해 전자기파의 속도를 계산할 수 있는데, 이렇게 구한 전자기파의 속도는 관측자의 상대 운동과는 관계없이 상수이며, 이는 갈릴레이 대칭성을 위반한다.

알베르트 아인슈타인은 1905년 움직이는 물체의 전기역학에 관하여라는 논문에서 특수 상대성 이론을 처음으로 선보였다. 이 문제를 해결하기 위하여 아인슈타인은 두 개의 공준을 도입하고, 그 공준에 따르면 자연계는 갈릴레이 대칭성 대신 로런츠 대칭성을 따른다는 사실을 보였다.

아인슈타인은 알베르트 A. 미켈슨, 헨드릭 로렌츠, 앙리 푸앵카레 등이 얻은 많은 이론적 결과와 실험적 발견을 바탕으로 특수 상대성 이론을 발표했다. 막스 플랑크, 헤르만 민코프스키 등이 그 후 연구를 수행했다.

1906년 막스 플랑크가 "상대 이론" (Relativtheorie^de)이라는 표현을 사용했고, 같은 논문의 토론 부분에서 알프레드 부헤러는 "상대성 이론" (Relativitätstheorie^de)이라는 표현을 처음으로 사용했다.^[5]^[6]

2. 2. 일반 상대성 이론의 등장

알베르트 아인슈타인은 1907년부터 1915년까지 일반 상대성 이론을 개발했다. 그는 등가 원리를 통해 중력을 시공간의 왜곡으로 설명하는 새로운 이론을 제시했다.^[2] 1916년에 일반 상대성 이론의 최종 형태가 발표되었다.^[2] 힐베르트, 슈바르츠실트, 에딩턴 등 여러 과학자들이 일반 상대성 이론의 발전에 기여했다.

1905년에 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 발표하였다. 이후, 아인슈타인은 대상을 관성계로만 한정하지 않고 적용 가능한 이론을 구성하기 시작하여, 중력장에 대한 고찰을 거쳐 일반 상대성 이론으로 발전시켰다. 1916년 논문에서 중력장의 기본 방정식인 아인슈타인 방정식이 처음으로 공식화되었다.

3. 특수 상대성 이론

특수 상대성 이론은 1905년 알베르트 아인슈타인이 발표한 논문 〈움직이는 물체의 전기역학에 관하여〉에서 처음 소개된 이론으로, 시공간의 구조를 다룬다. 이 이론은 맥스웰의 전자기학이 고전역학의 갈릴레이 변환을 따르지 않는 모순을 설명하기 위해 제시되었다.

전자기파의 속도는 관측자의 상대 운동과 관계없이 일정한 상수이며, 이는 갈릴레이 변환을 위배한다. 아인슈타인은 이 문제를 해결하기 위해 두 가지 가정을 도입했고, 그 결과 자연계는 갈릴레이 변환 대신 로런츠 변환을 따른다는 것을 보였다.

특수 상대성 이론은 상대적으로 등속 직선 운동하는 두 관측자(관성계) 사이에서 물리 법칙이 불변한다는 상대성 원리와 광속이 관측자의 속도에 영향을 받지 않고 일정하다는 원리를 바탕으로 한다.

이 이론은 뉴턴 역학에서 나타났던 실험 사실과의 불일치를 극복하고, 전자기학에서의 좌표 변환(로런츠 변환)에 대한 이해를 발전시켜 전자기학의 이론 체계를 더욱 발전시켰다.

3. 1. 기본 원리

특수 상대성 이론은 다음 두 가지 기본 원리를 바탕으로 한다.

# 상대성 원리: 모든 관성 좌표계에서 물리 법칙은 동일하게 성립한다.

# 광속 불변 원리: 진공에서의 빛의 속도는 모든 관성 좌표계에서 동일하다.

첫 번째 원리는 고전역학의 갈릴레이 대칭을 부정하며, 두 번째 원리는 역학에서의 상대성 원칙을 전자기학까지 확장한 것이다.

이 두 원리로부터 다음과 같은 현상들을 예측할 수 있다.

3. 2. 주요 내용

특수 상대성 이론은 시공간의 구조에 대한 이론이다. 알베르트 아인슈타인은 1905년 논문 〈움직이는 물체의 전기역학에 대하여>(움직이는 물체의 전기역학에 관하여)에서 특수 상대성 이론을 처음으로 선보였다.^[8]

맥스웰의 전자기학이 고전역학의 갈릴레이 대칭성을 지키지 않는다는 모순을 설명하기 위해 만들어진 특수 상대성 이론은, 전자기파의 속도를 계산할 수 있는데, 이렇게 구한 전자기파의 속도는 관측자의 상대 운동과는 관계없이 상수이며, 이는 갈릴레이 대칭성을 위반한다. 이 문제를 해결하기 위하여 알베르트 아인슈타인은 두 개의 공준을 도입하고, 그 공준에 따르면 자연계는 갈릴레이 대칭성 대신 로런츠 대칭성을 따른다는 사실을 보였다.

특수 상대성 이론은 단 두 개의 공준만을 바탕으로 하며, 이로써 다른 모든 결론을 도출할 수 있다.

# 진공에서의 빛의 속도는 모든 관측자에 대하여 동일하다.(광속 불변 원리)

# 모든 관성 좌표계에 있는 관측자에 대해 물리 법칙은 동일하다. (여기에는 전자기학의 법칙도 포함된다.)

이 두 공준으로부터 다음과 같은 현상들을 예측할 수 있다.

시간 팽창: 움직이는 물체 내(S1)에서의 시간변화는 외부관찰자(S)에게 천천히 시간이 변화하는 것으로 보인다.
길이 수축: 외부관찰자(S)의 눈에 움직이는 물체는 외부관찰자(S)의 눈에 비친 움직이는 방향으로 짧아져 보인다.
동시성의 상대성: 관찰자 A(S1)의 눈에 동시에 일어난 것으로 관찰된 어떤 두 사건은, A에 대해 상대운동을 하는 외부관찰자 B(S)의 눈에는 동시에 일어난 것으로 보이지 않는다.
질량-에너지 동등성: 질량 m을 에너지 E로 환산하면 E=mc²이다. 즉, 질량은 에너지로 변환될 수 있고, 반대로 에너지도 질량으로 변환될 수 있다.^[8]
상대론적 질량: 일부 연구자들이 사용하는 개념이다.^[8]

여기서 S는 고정 관성계이며 S1은 운동하는 관성계이다.

4. 일반 상대성 이론

일반 상대성 이론은 1915년에 아인슈타인이 발표한 이론이다. (1915년 11월 25일 프로이센 과학 아카데미 제출) 특수 상대성이론을 확장한 것으로, 뉴턴의 고전 물리학에 큰 변화를 가져와 새로운 물리학적 이론의 길을 열었다.

일반 상대성 이론은 등가 원리에서 시작하는데, 간단히 말해 가속 운동 상태와 중력장(예: 지구 표면에 서 있을 때)에서 정지해 있는 상태는 물리적으로 동일하다는 것이다.

아인슈타인은 아인슈타인 장 방정식을 고안했는데, 이 방정식은 시공간의 곡률과 그 안의 질량, 에너지, 운동량의 관계를 나타낸다. 일반 상대성 이론은 중력 이론이며, 아인슈타인 장 방정식을 사용한다. 장 방정식의 해는 메트릭 텐서이며, 이는 시공간의 위상과 물체가 관성적으로 움직이는 방식을 정의한다.

일반 상대성 이론에서는 등가원리, 즉 "속도의 변화에 의해 생기는 중력과 질량이 가져오는 중력은 구별되지 않는다"는 원리에 따라 비관성계를 포함한 모든 좌표계에서의 역학 현상을 설명한다. 중력을 좌표계의 계량(시공간의 왜곡)으로 이해함으로써, 우주와 거대 천체의 구조와 역학적 거동에 대한 새로운 이해를 제시했다.

중력 이외의 다른 힘(전자기력, 강한 상호작용, 약한 상호작용)은 상대성이론 체계에 부가적으로 통합할 수 있지만, 상대성이론의 근본적인 양자화를 포함하여 이들 다른 힘과의 통합적 이해는 현대 물리학의 과제로 남아있다.

4. 1. 기본 원리

등가 원리: 가속 좌표계에서 지구로 인해 생기는 중력과 중력 가속도 g와 같은 크기의 가속도 a로 중력의 작용 방향과 반대로 운동하는 것으로 인한 관성력은 구분할 수 없다는 원리이다. (관성력은 가속 좌표계에서 뉴턴 운동 제2법칙을 적용하기 위해 도입한 가상의 힘으로, 관성력의 방향은 계의 가속도의 방향과 반대 방향이다)^[9] 즉, 관성질량과 중력질량이 같은 측정값을 지닌다는 것이다.

일반 상대성 원리: 모든 좌표계(관성 좌표계와 비관성 좌표계)에서 물리 법칙은 동일하게 성립한다.

4. 2. 주요 내용

일반 상대성 이론은 등가원리에서 시작되었는데, 가속 운동 상태와 중력장에서 정지해 있는 상태는 물리적으로 동일하다는 원리이다. 이 원리에 따르면, 자유 낙하는 관성 운동이다. 즉, 자유 낙하하는 물체는 힘이 작용하지 않을 때 물체가 움직이는 방식대로 떨어지는 것이며, 고전 역학에서처럼 중력의 힘 때문이 아니다.^[9]

일반 상대성 이론의 주요 내용은 다음과 같다.

시공간: 아인슈타인은 '시공간은 4차원, 즉 시간과 공간이 결합된 형태의 연속체'임을 규명했다. 시공간은 서로 상호작용을 하며, 질량을 가진 물체에 의해 공간이 휘어진다.
중력: 아인슈타인은 중력 가속도 g의 크기만큼 가속하는 가속계 내의 물체와, 중력을 받고 있는 물체는 서로 구분이 불가능하다는 이론을 통해 가속계를 관성계로 해석 가능하다는 것을 보였다.
중력으로 인한 시간 팽창: 가속계는 관성계로 인식될 수 있으므로, 가속계의 물체는 관성계에서 물체의 이동으로 판단할 수 있고, 특수 상대성이론에 따라 시간 지연이 일어난다. 따라서 중력을 받는 물체는 그 물체에 흐르는 시간이 느려지게 된다.^[10]
공간 왜곡으로 일어나는 현상:
빛의 휘어짐: 빛의 움직임을 가속 좌표계에 적용시켜보면, 빛이 휜다는 것을 알 수 있다. 따라서 중력으로 인해 빛이 휘어진다.
중력 렌즈 효과: 태양 뒤에 위치하여 가려져 있던 천체가 태양의 중력에 의한 영향으로 빛이 휘어져 우리 눈에 들어오는 현상이다. '아인슈타인 십자가'가 대표적인 예시이다. 퀘이사는 은하의 중력 때문에 지구에서 4개의 빛나는 쌍둥이 별로 오인되기도 했다.
블랙홀: 질량이 매우 큰 천체는 공간을 심하게 왜곡하여 빛마저 삼켜버릴 수 있다.
일반 상대성 이론의 증거:
에딩턴의 태양 일식 관측: 영국의 과학자 에딩턴이 1919년 일식이 일어났을 때 태양 주위에서 관측한 별의 위치와 반년 전 관측한 별의 위치를 비교하여 태양 근처에서 빛이 휘어짐을 관찰하였다.
수성의 세차운동: 수성의 근일점은 뉴턴의 이론에 따라 계산하면 100년 동안 574´´만큼 이동해야 하지만, 실제 관측 결과 43´´ 정도 오차가 발생했다. 하지만 일반 상대성 이론을 적용해 태양의 질량에 의한 시공간의 곡률을 고려하면 오차를 정확히 설명할 수 있다.
중력파: 천체의 중력 붕괴나 초신성 폭발 같은 우주 현상으로 발생하여 질량의 공간적 분포에 변화가 생기면 주위의 시공간이 일그러져 요동을 치게 되고, 이 흔들림이 파동으로 퍼져 나가는 것을 말한다.
GPS: 인공위성이 움직이기 때문에 시간 차이가 발생하는데, 속력과 중력의 작용을 고려하여 보정해 주어야 한다.

5. 상대성 이론의 검증

상대성 이론은 "원리 이론"의 한 종류로, 가설이 아닌 경험적 발견에 기반하여 자연 과정을 설명하고 수학적 모델을 통해 분석한다. 따라서 개별 사건의 측정을 통해 이론의 결론을 검증할 수 있다.^[11]

5. 1. 특수 상대성 이론의 검증

상대성 이론은 반증 가능한 이론으로, 실험으로 검증할 수 있는 예측을 한다. 특수 상대성 이론의 경우, 상대성 원리, 광속 불변의 원리, 시간 지연 등이 이에 해당한다.^[12] 1905년 아인슈타인의 논문 발표 이후, 특수 상대성 이론의 예측은 수많은 실험에서 확인되었다. 특히 1881년부터 1938년 사이에 수행된 마이켈슨-몰리 실험, 케네디-쏜다이크 실험, 아이브스-스틸웰 실험은 그 타당성을 입증하는 데 중요한 역할을 했다. 아인슈타인은 1905년에 로렌츠 변환을 유도했지만, 이 세 가지 실험을 통해 실험적 증거로부터 변환을 유도할 수도 있다.

맥스웰 방정식—고전 전자기학의 기초—은 빛을 특징적인 속도로 움직이는 파동으로 설명한다. 현대에는 빛이 전파 매질을 필요로 하지 않는다고 보지만, 맥스웰과 그의 동시대 사람들은 빛 파동이 공기 중 소리나 연못 표면의 파문처럼 특정 매질을 통해 전파된다고 확신했다. 이 가상의 매질은 "고정된 별"에 대해 정지해 있고 지구가 통과하는 광속 에테르라고 불렸다. 프레넬의 부분 에테르 끌림 가설은 1차 (v/c) 효과 측정을 배제했고, 2차 효과 (v²/c²) 관측은 원칙적으로 가능했지만, 맥스웰은 당시 기술로는 감지하기 어렵다고 생각했다.^[13]^[14]

마이켈슨-몰리 실험은 "에테르 바람"—지구에 대한 에테르의 운동—의 2차 효과를 감지하기 위해 설계되었다. 마이켈슨은 마이켈슨 간섭계를 설계하여 실험을 진행했다. 이 장치는 예상되는 효과를 감지할 만큼 정확했지만, 1881년^[15]과 1887년^[16]의 실험에서 영(零) 결과를 얻었다. 에테르 바람을 감지하지 못한 것은 실망스러웠지만, 과학계는 이 결과를 받아들였다.^[14] 에테르 패러다임을 유지하기 위해, 피츠제럴드와 로렌츠는 물질체의 길이가 에테르를 통한 운동에 따라 변한다는 ''임시 가설''을 독립적으로 만들었다.^[17] 이것이 피츠제럴드-로렌츠 수축의 기원이며, 이 가설은 이론적 근거가 없었다. 마이켈슨-몰리 실험의 영 결과는 빛의 왕복 여행 시간이 등방성(방향에 무관함)임을 보여주지만, 이것만으로는 에테르 이론을 배제하거나 특수 상대성 이론을 검증하기에 충분하지 않다.^[18]^[19]

마이켈슨-몰리 실험이 빛의 속도가 등방성임을 보여주었다면, 케네디-쏜다이크 실험은 서로 다른 관성계에서 속도의 크기가 어떻게 변하는지(혹은 변하는지) 확인하기 위해 설계되었다. 1932년 로이 케네디와 에드워드 쏜다이크가 실험을 수행하여 영 결과를 얻었다.^[20] 그들은 "태양계의 우주 속도가 지구 궤도 속도의 절반 이하가 아닌 한... 아무런 효과가 없다"고 결론지었다.^[19]^[21] 이러한 가능성은 우연으로 치부하기에는 너무 컸으므로, 실험 결과로부터 모든 관성 기준틀에서 빛의 왕복 시간이 같다는 결론을 내렸다.^[18]^[19]

아이브스-스틸웰 실험은 허버트 아이브스와 G.R. 스틸웰이 1938년^[22]에 처음 수행하고, 1941년에 더 높은 정확도로 다시 수행했다.^[23] 이 실험은 움직이는 광원의 속도에 수직인 방향으로 움직이는 광원에서 나오는 빛의 적색편이, 즉 횡 도플러 효과(1905년 아인슈타인 예측)를 검증하기 위해 설계되었다. 관측된 도플러 편이를 고전 이론의 예측과 비교하여 로렌츠 인자 보정을 찾는 것이 실험 전략이었다. 보정이 관측되었고, 움직이는 원자 시계의 주파수가 특수 상대성 이론에 따라 변경된다는 결론을 얻었다.^[18]^[19]

이러한 고전적인 실험들은 이후 더 높은 정밀도로 여러 번 반복되었다. 다른 실험으로는 고속에서의 상대론적 에너지와 운동량 증가, 시간 지연의 실험적 검증, 로렌츠 위반에 대한 현대적 탐색 등이 있다.

5. 2. 일반 상대성 이론의 검증

일반 상대성 이론은 여러 차례 확인되었으며, 고전적인 실험으로는 수성 궤도의 근일점 이동, 빛의 굴절(태양에 의한), 그리고 중력 적색 편이가 있다. 다른 검증들은 등가 원리와 틀끌림을 확인했다.

특수상대성이론은 원칙적으로 관성계만을 다룬다. 반면에 일반상대성이론은 “관측자가 느끼는 힘”은 “좌표계의 가속운동”과 등가라는 원리를 출발점으로 하여, 역학 현상을 좌표계의 계량(시공간의 왜곡)으로 파악하고 이를 공식화하고 있다. 이러한 시도는 아인슈타인 방정식으로 완성되어, 특히 중력과 물질의 분포·운동에 대한 통일적인 이론이 되었다.^[1]

6. 상대성 이론의 응용

상대성이론은 현대 물리학의 핵심 체계 중 하나로, 많은 실험 사실이 이를 뒷받침하며, 그 성과는 다양한 기술 분야에 응용되고 있다. 광속에 비해 매우 느린 속도로 움직이는 일상생활에서는 상대성이론의 개념, 특히 절대 시간의 부정 등을 직관적으로 이해하기 어렵지만, 특수상대성이론과 일반상대성이론은 이미 여러 기술적 응용에 도입되어 활용되고 있다.

6. 1. GPS 시스템

GPS는 원자시계를 사용하지만, 인공위성에 탑재된 시계는 지상과 시간의 흐름에 미세한 차이가 발생한다. 이는 중력에 의한 시공간 왜곡 때문에 발생하는데, 일반 상대성 이론을 통해 보정하여 정확한 위치 정보를 제공한다.^[31]^[32]^[33]

6. 2. 입자 가속기

입자 가속기는 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 상대론적 효과를 연구하는 데 사용된다.^[26]

6. 3. 핵물리학 및 천체물리학

상대성이론은 핵반응, 블랙홀, 중성자별 등 고에너지 천체 현상을 이해하는 데 필수적이다.

6. 4. 우주론

일반 상대성 이론은 "관측자가 느끼는 힘"은 "좌표계의 가속 운동"과 등가라는 원리를 출발점으로 하여, 역학 현상을 좌표계의 계량(시공간의 왜곡)으로 파악하고 이를 공식화한다. 이러한 시도는 아인슈타인 방정식으로 완성되어, 특히 중력과 물질의 분포·운동에 대한 통일적인 이론이 되었다. 일반 상대성 이론은 우주와 거대 천체의 구조와 역학적 거동에 대한 새로운 이해를 가져왔다.

7. 상대성 이론에 대한 비판과 논쟁 (한국의 관점)

상대성 이론은 물리학을 넘어 사회 현상으로도 널리 받아들여졌지만, 그 결론에 동의하지 않는 견해도 있었다. 이러한 반론은 과학적인 반박보다는 일종의 사회적 운동으로 나타났다. 특히, 아인슈타인이 유대계 출신이자 평화주의자였다는 점은 국가주의자들의 반감을 샀다. 제1차 세계 대전에서 독일이 패전한 후에는 파울 바이란트의 상대성 이론 반대 캠페인이 벌어지기도 했다.^[28]

물리학계에서도 필립 레나르트와 요하네스 슈타르크 등은 유대인이라는 이유로 아인슈타인의 업적을 인정하지 않았다. 이들은 "독일 물리학" 학파를 형성하여 상대성 이론의 결과는 인정했지만, '''E=mc²'''의 발견은 프리드리히 하제뇌어의 업적이라고 주장하며 아인슈타인을 "유대 물리학"으로 공격했다.^[29]

1921년 아인슈타인은 광전효과 발견으로 노벨 물리학상을 수상했지만, 상대성 이론은 수상 대상이 아니었다. 그 이유는 다음과 같다. 첫째, 노벨 물리학상은 인류에게 큰 이용 가치를 주는 최근의 물리학적 발견에 수여되어야 하는데, 상대성 이론은 새로운 현상을 주장한 것이 아니라 기존 현상을 통합적으로 설명하는 원리를 제시한 것이었기에 "발견"으로 보기 어려웠다. 둘째, 상대성 이론은 순수 물리학 이론임에도 정치적 논쟁의 대상이 되어 있었고, 스웨덴 과학 아카데미가 상대성 이론에 노벨상을 수여하면 논쟁에 휘말릴 위험이 있었다.^[30]

독일 물리학 학파는 나치 정권에 동조했지만, 정권 붕괴와 함께 세력을 잃었다.

참조

_[1] 서적 Relativity: The Special and General Theory H. Holt and Company 1916
_[2] 백과사전 Relativity http://gme.grolier.c[...] 2010-08-01
_[3] 백과사전 Space-Time Continuum http://gme.grolier.c[...] 2010-08-01
_[4] 백과사전 Fitzgerald–Lorentz contraction http://gme.grolier.c[...] 2010-08-01
_[5] 논문 Die Kaufmannschen Messungen der Ablenkbarkeit der β-Strahlen in ihrer Bedeutung für die Dynamik der Elektronen (The Measurements of Kaufmann on the Deflectability of β-Rays in their Importance for the Dynamics of the Electrons) 1906
_[6] 서적 Albert Einstein's special theory of relativity. Emergence (1905) and early interpretation (1905–1911) Addison–Wesley 1981
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_[15] 논문 The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether 1881
_[16] 논문 On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether 1887
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_[22] 논문 An experimental study of the rate of a moving atomic clock 1938
_[23] 논문 An experimental study of the rate of a moving atomic clock. II 1941
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_[27] 논문 Die Kaufmannschen Messungen der Ablenkbarkeit der β-Strahlen in ihrer Bedeutung für die Dynamik der Elektronen 1906
_[28] 문서 矢野
_[29] 문서 矢野
_[30] 문서 矢野
_[31] 웹사이트 【半導体】カーナビはアインシュタインのおかげ！！ https://www.staffser[...] 2021-06-17
_[32] 웹사이트 GPSと物理 http://maya.phys.kyu[...] 2021-06-17
_[33] 웹사이트 身近に潜む相対論 https://www.tus.ac.j[...] 2021-06-17
_[34] 서적 천문학용어집 한국천문학회
_[35] 서적 한국천문학회
_[36] Youtube 상대성이론 https://www.youtube.[...] 지식보관소
_[37] 서적 The Evolution of Physics http://archive.org/d[...] Simon and Schuster 1961