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아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기

저자
#{for:author::2}, 아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기#{/for:author} 지음
출판사
자음과모음 | 2010-09-01 출간
카테고리
과학
책소개
아인슈타인을 꿈꾸는 미래의 과학도를 위한 상대성 이론 여행!상대...
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 이 책은 아인슈타인이 주장한 상대성이론에 대해 아인슈타인이 직접 강의를 하는 형식으로, 기초부터 어려운 내용인 상대성원리와 블랙홀에 대한 전반적인 이론을 가르쳐 주는 책이다. 진짜 선생님이 설명해 주시듯, 이론에 대한 예시가 풍부해 이해하는데 도움이 많이 되었다.

 

 일단, 초등학생때 배운 속력 공식을 한번더 짚은 뒤, 아인슈타인의 속도 불변의 법칙에 대한 이론을 설명하였다. 아인슈타인의 빛의 속도 불변의 법칙은 움직이는 차에서 나온 빛의 속력은 원래 빛의 속력과 같다는 내용으로, 뉴턴이 제시한 속력 덧셈 공식의 틀린점을 지적하며, 아인슈타인의 새로운 공식을 제시하였다.

 '속력 U로 움직이는 버스에서 속력 V로 던진 물체의 속력은 버스 밖에 서 있는 관찰자에게는 속력 U*V로 측정된다. 이때, U*V는 이다.'


 아인슈타인은 자신이 새로 만든 속력 덧셈 공식을 이용하여 타임머신에 관한 생각을 하였다. 이 생각의 기초는 움직으는 사람의 시간이 정지해 있는 사람의 시간보다 더 천천히 흐른다는 것이다. 이것을 수식화하여 구체적으로 나타내면, '속력 V로 움직이는 기차에서 시간이 1초 흐를 때 기차 밖의 시간은 초 흐른다.' 이다.

 

 상대성윈리에 의해 움직이는 사람의 시간이 더 빠르게 흐른다는 것을 알 수 있다. 이것을 통해, 움직이는 관찰자에게는 두 지점 사이의 거리가 정지한 관찰자에 비해 짧아진다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, A는 자신이 뛰고 있는 상태에서 자신의 손목 시계를 통해 뛴 시간을 측정하고, B는 정지한 상태로 A가 뛴 시간을 측정한다. 이때, 움직이는 사람의 시간이 더욱 빨리 흐르기에 A는 자신이 B가 생각한 것보다 짧은 거리를 뛰었다고 생각하게 된다. 이것을 아인슈타인은 수식으로 정리하였는데, 이는 '정지해있는 사람이 볼 때 1Km의 거리는 속력 V로 움직이는 사람에게는 가 된다.

 

 아인슈타인은 속도와 무게의 관계를 설명하기 전에, 상대성원리에서 가장 중요한 점은 어떤 속력으로 움직이면서 빛을 쏘아도 빛의 속력은 더 이상 커지지 않고 그대로라는 것을 강조하였다. 이것을 다르게 말하면, 속력이 빛의 속력보다 커질 수 없다는 것이다. 또한, 아인슈타인은 관성에 대해서도 설명하였는데, 관성은 물체가 자신의 운동상태를 유지하려는 성질이며, 질량이 클수록 관성이 커서 운동상태가 잘 변하지 않는다. 따라서 질량은 관성을 나타내는 양이다. 아인슈타인은 이 사실을 기반으로 속력이 0일 때에는 속력을 많이 증가시킬 수 있지만, 빛의 속력에 가까워 질수록 속력을 올리기 힘들어 진다는 점을 알아냈고, 새로 알아낸 점을 토대로 물체의 속력이 커질수록 관성이 커진다는 것을 알아냈다. 이때, 관성과 질량은 비례하므로, 속력이 커질수록 질량이 커진다고 할 수 있다. 이것을 수식으로 표현하면, '정지해 있을 때 1Kg인 물체가 속력 V로 움직이면 그때 물체의 질량은 이 된다. 원래 이 식을 이용하면, 물체의 무게는 무한대가 되어야 하지만, 빛의 질량은 0이다. 따라서 아인슈타인의 상대성 원리를 이용한 공식인 가 만들어졌다.

 

 아인슈타인은 우주가 4차원이라고 주장했으며, 우주는 중력에 의해 휘어져 있다. 이것은 상대성 원리로 밝혀낼 수 있으며, 이것을 이용해 중력에 의한 시간 늦음을 설명할 수 있다. 중력은 빛을 휘게하며, 빛은 중력이 큰 곳에서 더 많이 휜다. 하지만, 행성의 바깥쪽으로 행성을 돈 빛의 속력과 안쪽으로 돈 빛의 속력이 같아야 하므로, 안쪽을 갈 때 걸린 시간이 바깥쪽을 갈 때 걸린 시간보다 짧게 된다. 시간이 짧다는 것은 그곳에서의 시간이 더 천천히 흐른다는 것을 말한다. 이것을 통해, 중력이 큰 곳에서는 시간이 느리게 흐른다고 할 수 있다.

 

 아인슈타인은 블랙홀에 관해서도 설명했는데, 블랙홀의 생성 원인은 중력이 엄청 큰 물체가 우주에 있다는 것이다. 중력이 엄청 큰 물체가 우주에 있으면, 우주가 많이 휘어지게 되고, 이것이 우주 공간에 가느다란 터널을 만든다. 블랙홀은 중력이 너무 커 주위에 있는 모든 물체를 빨아들이게 되지만, 지구가 블랙홀에 빨려 들어가지는 않았다. 이 이유는 시간의 지평선이라는 곳에 있다. 블랙홀은 진공청소기와 마찬가지로 일정거리 안에 있는 물체만 빨아들일 수 있다. 이것이 지구가 블랙홀에 빨려들어가지 않은 이유이다. 블랙홀이 있다면, 물체를 밀어내는 화이트홀도 있다. 그리고 우주상에는 블랙홀로 인해 생성된 윔홀도 있다. 윔홀은 블랙홀이 우리 우주부터 시작하여 다른 곳으로 만든 터널이다.



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