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相對性理論 (相對性理論, 獨逸語 : Relativitatstheorie , 英語 : theory of relativity ) ^[1] 또는 相對論 (相對論, 獨逸語 : Relativitat , 英語 : relativity , 文化語 : 相對性) ^[2] 은 알베르트 아인슈타인 의 主導로 定立된 時間 과 空間 에 對한 物理 理論이다. 特殊 相對性 理論 과 一般 相對性 理論 으로 나뉜다. 相對性 理論에 따르면, 서로 다른 相對 速度로 움직이는 觀測者들은 같은 事件에 對해 서로 다른 時間과 空間에서 일어난 것으로 測定하며, 그 代身 物理 法則의 內容은 觀測者 모두에 對해 서로 同一하다. ^[3]

相對性 理論은 單純한 自然 法則이 아니고 一種의 思考 體系라고 할 수 있다. 相對性 理論은 認識에 對한 大變革을 일으킨 것이다. 抽象的 數學 槪念과 細密한 觀測이 自然을 理解하는 열쇠가 된다고 알려준 갈릴레오 갈릴레이 와 아이작 뉴턴 이 解決하지 못했던, 測定의 對象이 되는 物體와 測定의 基準이 되는 基準 座標系 의 關係를 理解하기 위한 苦悶에서 相對性 理論이 始作되었다고 할 수 있다.

아인슈타인은 相對性 理論에 對해 다음과 같이 言及한 바 있다.

特殊 相對性 理論 [ 編輯 ]

 이 部分의 本文은 特殊 相對性 理論 입니다.

特殊 相對性 理論은 施工의 構造에 對한 것이다. 아인슈타인은 1905年의 <運動하는 物體의 電氣力學에 對하여( 獨逸語 : Zur Elektrodynamik bewegter Korper , 英語 : On the Electrodynamics of Moving Bodies )〉라는 論文에서 特殊 相對性 理論을 처음으로 선보였다.

特殊 相對性 理論은 맥스웰 의 電磁氣學 이 古典力學 의 갈릴레이 對稱性 을 지키지 않는다는 矛盾을 說明하기 위해 만들어졌다. 電磁氣學을 통해 電磁氣波 의 速度를 計算할 수 있는데, 이렇게 救한 電磁氣波의 速度는 觀測者의 相對 運動과는 關係없이 上水 이며, 이는 갈릴레이 對稱性 을 違反한다. 이 問題를 解決하기 위하여 알베르트 아인슈타인 銀 두 個의 公準을 導入하고, 그 公準에 따르면 自然系는 갈릴레이 對稱性 代身 로런츠 對稱性 을 따른다는 事實을 보였다.

特殊 相對性理論에서는 慣性 座標系 의 觀測者가 自身의 "絶對 運動"을 實驗的으로 測定해 낼 수 다고 생각한다. 또한 眞空에서의 빛의 速度 는 慣性 座標系에 있는 各各의 觀測者 모두에 對해 同一하다고 假定한다.

特殊 相對性 理論은 單 두 個의 공준만을 바탕으로 하며, 이로써 다른 모든 結論을 導出할 수 있다.

1. 眞空 에서의 빛의 速度 는 모든 觀測者에 對하여 同一하다.(광속 不變 原理)
2. 모든 慣性 座標系 에 있는 觀測者에 對해 物理 法則은 同一하다. (여기에는 電磁氣學의 法則도 包含된다.)

첫 番째 公準은 (絶對的 速度를 許容하지 않는) 古典力學의 갈릴레이 對稱 을 否定한다. 두 番째 公準은 力學에서의 相對性 原則을 電磁氣學까지 擴張한 것이다.

이 두 公準으로부터 다음과 같은 現象들을 豫測할 수 있다.

• 時間 膨脹: 움직이는 物體 內(S1)에서의 時間變化는 外部觀察者(S)에게 천천히 時間이 變化하는 것으로 보인다.
• 길이 收縮: 外部觀察者(S)의 눈에 움직이는 物體는 外部觀察者(S)의 눈에 비친 움직이는 方向으로 짧아져 보인다.
• 同時性의 相對性 : 觀察者 A(S1)의 눈에 同時에 일어난 것으로 觀察된 어떤 두 事件은, A에 對해 相對運動을 하는 外部觀察者 B(S)의 눈에는 同時에 일어난 것으로 보이지 않는다. ( 한 慣性系에서 測定할 때 두 事件이 같은 場所에서 同時에 發生했다면, 어떤 慣性系에서 測定해도 두 事件은 같은 場所에서 同時에 發生한 事件이다.)
• 質量-에너지 同等性 : 質量 m을 에너지 E로 換算하면 E=mc²이다. 卽, 質量은 에너지로 變換될 수 있고, 反對로 에너지도 質量으로 變換될 수 있다.

여기서 S는 固定 慣性系이며 S1은 運動하는 慣性系이다.

特殊 相對性 理論이 豫測하는 現象 [ 編輯 ]

• 時間 膨脹

두 事件의 固有 時間이 ${\displaystyle t_{0}}$이면 任意의 慣性系에서 測定한 時間 t는 다음과 같다.

${\displaystyle t=\gamma t_{0}}$${\displaystyle {\Bigl (}\gamma ={1 \over {\sqrt {1-\left({\frac {\upsilon }{c}}\right)^{2}}}}{\Bigr )}}$

빛으로 作動하는 時計를 생각해보자. 이 時計는 한 쪽面에는 에미터에서 빛을 매우 짧은 間隔으로 放出하고 反對쪽으로는 디텍터가 그 빛을 받아 1秒를 計算한다고 한다. 時計가 움직이지 않는다면 (卽 S 慣性系에 있다면) 이 時計는 正確하게 1秒마다 時間이 움직일 것이다. 이제 이 時計를 時計 빛의 進行 方向으로 움직여 보자. 이때 時計를 움직이는 慣性系(S1)에 놓게 되면 S1慣性系에서 時計는 움직이지 않을 것이고(S1관성계는 일정한 速度로 移動하고 있다)이 時計는 아까와 같이 1秒마다 時間을 체크할 것이다. 이제 S慣性系에서 S1慣性系를 바라보도록 하자. 빛의 速度는 일정하지만(특수상대성원리의 家庭) S1慣性系의 에미터에서 放出된 빛이 디텍터에 닿는 동안 디텍터는 조금 더 移動하게 된다. 移動한 距離만큼 빛은 조금 더 移動해야 디텍터에 到達하게 되고 이것은 時間이 1秒보다 더 걸린다는 것을 意味한다. 卽 S慣性系에서 S1을 보는 사람에게 S1의 時間은 느리게 가는 것처럼 보이는 것이다.(주의해야할 點은 S1에서는 恒常 1秒마다 똑딱거리고 있다)

• 同時性의 相對性

이것은 위의 時間 膨脹을 조금 더 應用하면 쉽게 알 수 있다. 汽車의 中央에서 빛이 쏘아지고 이 빛이 汽車의 兩 끝에 닿게되면 汽車 兩끝의 門이 열린다고 생각해보자. S1(움직이는 慣性系- 汽車가 移動한다)에서 觀測을 하게 되면 멈춰있는 汽車에서 兩 끝으로 移動하는 時間은 같게 되므로 汽車의 內部의 觀察者는 汽車의 羊 門이 同時에 열린다고 생각할 것이다. 하지만 S慣性系에서의 觀察者는 汽車의 進行方向의 門이 더 늦게 열리고 그 反對方向의 門이 더 빨리 열린다고 생각하게 된다. 왜냐하면 進行方向으로의 빛은 더 移動해야하므로 더 늦게 열리고 그 反對方向의 門은 더 빨리 接近하므로 더 빨리 열리게 되는 것이다. 卽 同時에 일어난 事件이라고 하더라도 어느 慣性系에서 事件을 보느냐에 따라서 同時에 일어나지 않을 수 있다는 것이다.

• 길이 收縮

觀察者에 對해 運動하고 있는 物體는 觀察者에게 運動하는 方向으로 그 길이가 줄어든 것으로 測定된다. 여기서, 길이 收縮은 運動 方向과 나란한 方向으爐半 發生한다. 卽 x軸으로 進行하는 物體의 길이 收縮은 x軸 方向으로만 일어나며 y, z軸으로의 길이 收縮은 일어나지 않는다. 오로지 한 方向으로만 길이 收縮이 일어난다는 意味이다.

一般 相對性 理論 [ 編輯 ]

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一般 相對性 理論은 1915年에 아인슈타인이 發表하였다. (프로이센 科學 아카데미에서 1915年 11月 25日에 提出) 一般 相對性理論은 特殊 相對性理論의 擴張版이라 하면 理解하기 쉬울 것이다. 이 理論은 뉴턴의 古典 物理學 에 決定打를 날림으로서 새로운 物理學的 理論의 길을 열었다는 點에서 意義가 있다고 할 수 있다.

一般 相對性 理論에 對해 알아보기 前에 먼저 이를 展開하기 위해 必要한 한 가지 家庭을 보도록 하자.

等價原理 -加速 座標系에서 地球로 인해 생기는 重力과 重力 加速度 g와 같은 크기의 加速度 a로 重力의 作用 方向과 反對로 運動하는 것으로 인한 慣性力은 區分할 수 없다는 原理이다. (慣性力은 加速 座標系에서 뉴턴 運動 第2法則을 適用하기 위해 導入한 假想의 힘으로, 慣性力의 方向은 系의 加速度의 方向과 反對 方向이다)

卽, 慣性質量과 重力質量이 같은 測定값을 지닌다는 것이다.

1. 時空間 一般 相對性 理論에서 아인슈타인은 '時空間은 4次元, 卽 時間과 空間이 結合된 形態의 連續體'임을 糾明했다. 뉴턴이 時空間이 時間과 空間으로 分離되어 서로 影響을 주고받지 않는 別個의 空間인 點과, 空間위의 한 點에 位置한 物體에 어떠한 影響도 받지 않을 것이라고 생각한 反面에 아인슈타인의 思考實驗에서 아인슈타인은 時空間이 서로 相互作用을 함과, 空間위에 位置한 어떠한 質量을 가진 物體에 對하여 空間이 휘어짐을 提示하였다.

2. 重力 아인슈타인은 뉴턴의 重力을 加速 座標系에 適用시켰다. 그는 重力 加速度 g 의 크기만큼 加速하는 加速系 內의 物體와, 重力을 받고있는 物體는 서로 區分이 不可能하다는 理論을 내세움으로서 加速系를 慣性系로 解釋可能함을 보였다.

3. 重力으로 인한 時間 膨脹 위에서 加速系 亦是 慣性系로 認識할 수 있다고 하였다. 따라서 加速系의 物體는 慣性系에서 物體의 移動으로 判斷할 수 있고, 特殊 相對性理論에 따라 時間 遲延이 일어남을 알 수 있다. 이로서 重力을 받는 物體는 그 物體에 흐르는 時間이 느려지게 된다.

4. 空間 歪曲으로 일어나는 現象 4-1. 빛의 휘어짐 : 빛의 움직임을 加速 座標系에 適用시켜보면, 그 빛이 휜다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서 重力으로 인하여 빛이 휜다는 것을 알 수 있다

4-2. 重力 렌즈 效果 : 이는 日蝕이 일어날 때 觀測할 수 있는 現象인데, 바로 太陽의 뒤에 位置하여 가려져 있던 天體가 太陽의 重力에 依한 影響으로 그 빛이 휘어져 우리눈에 들어오는 것이다. 흔히 '아인슈타인의 十字架'라는 것이 이로 인한 現象이다.

4-3. 블랙홀  : 質量이 매우 큰 天體는 空間을 甚하게 歪曲하여 빛마저 삼켜버릴 수 있다.

5. 一般 相對性 理論의 證據 ① 에딩턴의 太陽의 日食 觀測 : 太陽 周圍의 時空間이 휘어져 있다면 그 近處를 지나는 빛도 휘어질 것으로 豫測하였는데, 英國의 科學者 에딩턴이 1919年 日蝕이 일어났을 때 太陽 周圍에서 觀測한 별의 位置와 半年 前 觀測한 별의 位置를 比較하여 太陽 近處에서 빛이 휘어짐을 觀察하였다.

② 水星의 歲差運動  : 水星의 近日點은 뉴턴의 理論에 따라 計算하면 100年동안 574´´만큼 移動해야 하지만, 實際 歲差運動 觀測結果 43´´程度 誤差가 났다. 하지만 一般 相對性 理論을 適用해 太陽의 質量에 依한 時空間의 曲率을 考慮하면 誤差를 正確히 說明할 수 있다.

③ 重力 렌즈 效果 : 重力이 렌즈처럼 빛을 휘게 하는 現象이다. 重力 렌즈 役割을 하는 銀河團의 質量 分布, 光源-렌즈-觀察者의 相對的 位置 等에 따라 ' 아인슈타인의 十字架 '와 같은 床이나 ' 아인슈타인의 고리 '와 같은 圓形의 像을 觀察할 수 있다. 代表的으로 퀘이사 가 있다.(퀘이사는 銀河의 重力 때문에 地球에서 4個의 빛나는 雙둥이 別로 誤認했었다.)

④ 重力波 : 天體의 重力 崩壞 나 超新星 爆發 같은 宇宙現象으로 發生하여 質量의 空間的 分布에 變化가 생기게 되면 周圍의 時空間이 일그러져 搖動을 치게 되고, 이 흔들림이 波動으로 퍼져 나가는 것을 말한다.

⑤ GPS  : 人工衛星이 움직이기 때문에 時間差異가 생기는데 速力과 重力의 作用을 考慮하여 補正해 주어야 한다.

⑥ 블랙홀 : 質量이 매우 큰 天體는 空間을 휘게하여 天體를 지나는 빛마저 吸收한다.(아인슈타인이 2次元의 平面에 時間의 曲率을 表記한 그림에서 보면 블랙홀은 質量이 極度로 커 平面 自體가 엄청나게 움푹 들어가있다. 重力이 클수록 時間이 느리게 가며 블랙홀의 어떤 境界에서는 時間이 멈춘 것처럼 보이는데, 이를 事件의 地平線이라고 한다. 이 안쪽 部分은 어떠한것도 빠져나오지 못하므로 검게보인다.)

같이 보기 [ 編輯 ]

• 갈릴레이 不變性
• 一般 相對性理論
• 特殊 相對性理論

參考 資料 [ 編輯 ]

• 본 文書에는 知識乙만드는지식 에서 CC-BY-SA 3.0 으로 配布한 冊 紹介글을 基礎로 作成된 內容이 包含되어 있습니다.

各州 [ 編輯 ]

外部 링크 [ 編輯 ]

• 위키미디어 公用에 相對性理論 關聯 미디어 分類가 있습니다.
• 위키文獻에 :ko:포털:相對性 理論 關聯 資料가 있습니다.
• (英語) 相對性理論 - Curlie
• 사이언스올 科學百科事典 https://www.scienceall.com/brd/board/390/L/menu/317?brdType=R&bbsSn=29484
• 네이버 캐스트 - 時空間은 휘어져 있나? , 相對論과 E=MC² , 雙둥이 逆說 , 一般相對性理論 , 特殊 相對性理論
• YAN Kun(2006). The tendency analytical equations of stable nuclides and the superluminal velocity motion laws of matter in geospace , DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2006.01.007.