특수상대성이론


현대 우주론

=

상대론적 우주론

=

대폭발 우주론

공간과 그 안에 있는 물질의

시간적 진화 과정을 상대성 이론을 바탕으로 다루는 학문

특수 상대성 이론

일반 상대성 이론

대폭발 우주론

장자의 꿈 이야기

상대론적 나비의 꿈

나비가 되어 날아 다니는 꿈을 꾼 장자의 이야기

장자가 나비를 꿈꾼 것인지 아니면 나비가 장자를 꿈꾸고 있는 것인지 모르겠다는 이야기

나비, 장자 = 관성계

'모르겠다' = 상대성 원칙

갈릴레이의 상대성 원리

지구가 정지하고 있든 운동하고 있든,

지상에서 일어나는 현상을 지배하는 역학 법칙은 불변이다

관성계 (뉴튼)

밖으로부터 힘을 받지 않고

일정한 상대 속도로 일정한 방향으로

움직이고 있는 좌표계

상대적인 운동의 이해: 폭격기 1

Credit:

상대적인 운동의 이해: 폭격기 2

Credit:

마이켈슨과 몰리의 실험

지구 공전에 따른 빛의 속도 변화 측정

빛의 전파 속도는 어디서나 일정

-->

고전역학적 가감법칙이 성립하지 않음

에테르는 정말 존재?

지구는 에테르에 대해 정지?

특수 상대성 이론의 두 원리

광속도 불변의 원리
빛의 속도는 광원의 운동 상태와 관계없이 일정하다

상대성 원칙
관성계에 있어서 모든 물리 법칙이 불변

아인슈타인의 사고 실험

상대성 원칙에 따라

절대 광속에 다다를 수 없다

공간과 시간의 개념

공간과 시간의 상대화

'동시'는 존재하지 않음

예: 우주선간 교신, 기준 시계 부존재

절대 위치(공간)는 존재 않음

예: 떨어지는 공의 진짜 위치(궤적)은?

시간과 공간의 탄력성

질량 증가 현상

운동하는 물체의 길이는 줄고, 시간은 늦어지며, 질량은 증가한다

-->

공간 축지법

진시황의 불로초

기차의 속도

기차 안의 시간 경과

기차 밖의 시간 경과

V=0c

1초

1초

V=0.5c

1초

1.155초

V=0.9c

1초

2.294초

V=0.9999c

1초

3시간 43초

물질과 에너지의 개념

물질은 에너지 덩어리

E=m c2

별빛의 근원

핵폭탄

원자력 에너지

일반상대성 이론; 검은구멍


일반 상대성 이론

뉴튼 역학 (고전 역학)

중력=힘

특수 상대성 이론

시공의 상대화, 4차원 시공의 도입,

시공 자체는 영구불변

일반 상대성 이론

시공 자체가 물리적 대상

중력=시공의 곡률

일반 상대성 이론의 원리

등가성 원칙

관성 질량=중력질량

관성 질량: 가속도에 저항하는 정도

중력 질량: 중력에 반응하는 정도

일반화된 상대성 원칙

밀폐된 방의 관측지는 어느 순간

자신이 느끼는 힘이 방이 가속되어서 생긴 것인지, 아니면 우연히 주변에서 발생한 것인지 판단할 방법이 없다

중력장

중력장은 영원하다

중력장의 크기

총에너지 E=m c2에 의해서 결정된다

중력장에서 빛은 휘어진다

--> 굽은 시공

중력렌즈 효과


1919년의 개기 일식 관측

빛의 휨현상 동영상

빛의 휨 현상 1 (credit)
빛의 휨 현상 2 (credit)
빛의 휨 현상 3 (credit)

삼각형

평면

내각의 합 = 180도

유클리드 기하학

양의 각도로 굽은 곡면

내각의 합 > 180도

리만 기하학

음의 각도로 굽은 곡면

내각의 합 < 180도

로바체프스키 기하학

중력, 중력현상

중력=물체 주위의 시공간의 휨

중력 현상=시공간이 휜 곡면에 물체가 굴러 떨어지는 관성 현상

수성의 근일점 변화 관측 (43초/100년)


휜 시공간과 수성 궤도 (credit)

"지구의 운동이란 태양 질량으로 인해 함몰된 태양 주변의 시공간 곡률면을 따라 지구가 영원히 굴러 떨어지고 있는 관성 현상" (일반 상대론적 해석)

시간과 거리의 탄력성

강한 중력장에 있는 물체의 길이는 그 보다 약한 중력장 속에 놓인 물체보다 짧아 보이고, 시간은 천천히 간다

검은구멍 = 블랙홀

막대한 중력 때문에

빛마저 탈출할 수 없는 천체

시간과 공간 개념 역전

Java Applet 실험: 대포 쏘기

검은구멍의 구조

사건의 지평선

일단 통과하면 빛조차 돌아 올 수 없다고 믿어지는 검은구멍 주위의 구면

특이점

밀도, 시공의 곡률이 무한대인 점

인간의 물리학 X

고전역학적 시각으로 검은구멍을 보면

무거운 검은구멍이 갖는 강한 중력의 영향으로 주위의 물체가 검은구멍 속으로 빨려 들어가는 것처럼 보임

상대론적으로 설명하면

검은구멍의 질량에 의해 함몰된 검은구멍 주위의 시공간 곡률면

(휜 시공간)을 따라서 검은구멍 주위의 물체가 함몰된 중심을 향해 영원히

굴러 떨어지고 있는 현상

검은구멍 주변 1 (credit)
검은구멍 주변 2 (credit)

하얀구멍(화이트홀)과 벌레구멍 (웜홀)
Schwarzschild 웜홀 (credit)

거대 질량인 별의 최후

= 검은구멍

중력 수축

검은구멍 찾기

(1) 쌍성과 X-선


(2) 은하 중심의 거대한 검은구멍

검은구멍의 최후

증발하는 검은구멍

1066년 vs 1010

좀 더 자세히

블랙홀 우주 (뉴턴 하이라이트), 계몽사

나대일 지음,

아인슈타인과의 두뇌 게임, 동아일보사

박석재 지음,

스티븐 호킹의 새로운 블랙홀, 예음