[인물로 알아보는 물리]Einstein - 아인슈타인(상대성이론)

 

안녕하세요. 인물로 알아보는 물리 첫번째 이야기입니다.

위 사진은 현대물리 혹은 이과 레전드 사진이라고 불리는 사진입니다.

이 사진을 중심으로 이야기를 풀어나가려고 하는데 가장 먼저 Albert Einstein, 아인슈타인 이야기로 시작하겠습니다.

왜냐하면 아인슈타인을 중심으로 사진의 대부분 학자들이 관련이 있습니다. (보어, 로렌츠, 플랭크, 슈뢰딩거 등등)

 

 출생 : 1879년 3월 14일 사망 : 1955년 4월 18일 

아인슈타인은 특수/일반 상대성 이론 및 브라운 운동, 광전효과 그리고 EPR의 역설로 유명합니다.

보다 아인슈타인의 놀라운 사실은 아인슈타인의 위대한 이론들이 사고실험(생각으로만 실험 하는 것)으로 정리한 것입니다.

 

이 글에서는 특수 상대성이론을 얘기합니다.

먼저 상대성이론 자체가 시간과 공간이 절대적인 것이 아니며 속도를 기준으로 상대적으로 변한다는 이론입니다.

시간과 공간에 새로운 시각을 나타낸 것입니다.

쉽게 얘기하자면  시간과 공간이 존재하는 상황에서 꾸준히 움직이는 사람과 멈춰있는 사람은 시간이 다르게 흐른다는 것이죠.

 

1) 상대성 원리와 광속불변의 원리 2) 동시성의 상대성, 로렌츠 인수 3) 시간팽창과 길이수축

 

 

1) 상대성 원리와 광속불변의 원리

 

아인슈타인은 특수상대성이론에 대하여 전제를 제시합니다.

상대성 원리와 광속불변의 원리입니다.

먼저 상대성 원리는 모든 관성계에서 물리법칙은 동일하다는 것으로

 

상대성 원리 주차된 트럭위에서 공을 위로 던질 때 궤도 등속으로 운전하는 트럭위에서 어떤 사람이 공을 위로 던질 때 트럭밖에서 바라본 공의 궤도 속도와 관계없이 뉴턴의 중력법칙과 운동법칙(관성, 힘과 가속도, 작용/반작용)이  적용된다.

 

그리고 광속불변의 원리는 모든 관성계(정지해있거나 등속운동을 하거나)에서 빛의 속도와 일정하다는 것입니다.

빛과 거의 근사한 속도로 움직이는 제트기에서 바라보는 빛의 속도는 가만히 서 있을 경우와 같은 속도라는 것이죠.

 

2) 동시의 상대성, 로렌츠 속도변환식(로렌츠 인수)

 

방금 두개의 원리를 정리해보면 빛의 속도는 똑같고 속도에 상관없이 어떤 공간에서든 물리법칙이 동일하다는 것인데

그렇다는 것은 동시라는 말은 무조건 절대적인 것이 아니고 어떤 상황에 따라서는 동시라는 것이 상대적이라는 것입니다.

아인슈타인은 달리는 기차의 불빛으로 동시의 상대성을 설명했습니다.

 

동시의 상대성 참조 : http://hkpark.netholdings.co.kr/web/manual/default/manual_view.asp?menu_id=107589&id=2727   우측으로 달리는 기차가 있고 중심을 기준으로(동수와 정수) 왼쪽 오른쪽 동일한 거리에 번개를 맞았다면, 우측 번개에서 나온 빛이 달리는 기차 위에 있는 동수와 먼저 만나게됩니다. 그 이후에는 우측 좌측 번개에서 나온 빛이 동일하게 정수와 만나고 시간이 더 지나면 좌측 번개에서 나온 빛은 기차 위의 동수를 만나게됩니다.

 

로렌츠의 속도변환식(로렌츠 인수)

이 식은 말 그대로 수식입니다. 아인슈타인의 상대속도는

갈릴레이처럼 80을 달리는 내가 100을 달리는 누군가를 보면 그 사람의 속도는 20이다. 이것이 아니고

물체의 속력과 빛의 속력의 비율을 얘기하는 로렌츠 인수를 변환하여 아래와 같은 식을 만들어 냅니다.

속도 v로 달리는 내가 속도 u로 달리는 누군가의 속도 = u'(아인슈타인의 상대속도) 단 u=c(u가 빛의 속도일 경우), u'=c (광속불변의 원리)

 

3) 시간팽창과 길이수축

특수상대성 이론의 핵심내용입니다. 위의 이론으로 인해서 나온 두가지 키워드입니다.

시간팽창 (시간이 늘어남)  참조 : http://yjh-phys.tistory.com/12   운동계(기차 안)의 시간이 정지계(기차 밖)의 시간보다 느리게 흐른다. 기차 안 관찰자가 빛을 쏘아 돌아오는데 1초가 걸렸다면 기차 밖 관찰자는 빛을 쏘아 돌아가는 것을 확인하는데 2.29초가 걸렸습니다. 기차 안에서의 1초가 밖에서는 거의 2.3초가 지난 것이죠.

 

길이수축    운동계와 정지계를 비교했을 때 정지계의 길이보다 운동계의 길이가 짧아진다. 즉 정지한 물체보다 움직이는 물체의 길이가 짧다는 것입니다. 상대성이론은 관찰자를 기준으로 얘기를 해야 이해하기 쉽습니다. 움직이는 것을 서 있는 상태에서 본다면, 그 움직이는 물체는 평소 길이보다 짧다는 것이죠.

 

본 내용말고도 속도가 클수록 질량이 더 커진다는 것,

4차원 시공간(3차원의 공간과 1차원 시간의 결합체로 미래 현재 과거의 diagram으로 나타낼 수 있다)

질량과 에너지 등가원리(에너지는 질량*빛의속도의 제곱)이 있습니다만 해당 내용은 영상을 찾아보시는 것을 추천드립니다.

 

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