特殊특수 相對性상대성 理論이론

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■ 12物물理리03-06: 모든 慣性系관성계에서 빛의 速力속력이 同一동일하다는 原理원리로부터 時間시간 膨脹팽창, 길이 收縮수축 現象현상이 나타남을 알고, 이러한 知識지식이 社會사회에 미친 影響영향을 調査조사할 수 있다.

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相對性상대성 原理원리

慣性系관성계

運動운동을 記述기술하려면 먼저 '무엇을 基準기준으로' 보는지를 정해야 합니다. 달리는 버스 안에 앉은 사람은 버스 안의 乘客승객에게는 멈춰 있지만, 길가에 선 사람에게는 버스와 함께 움직입니다. 運動운동을 記述기술하는 基準기준을 座標系좌표계 또는 基準系기준계라 합니다.

基準系기준계 가운데 慣性관성 法則법칙이 成立성립하는 것을 慣性系관성계라 합니다. 慣性系관성계에서는 힘을 받지 않는 物體물체가 멈춰 있거나 一定일정한 速度속도로 곧게 움직입니다. 땅 위나 一定일정한 速度속도로 곧게 달리는 기차 안은 近似的근사적으로 慣性系관성계입니다. 反面반면 갑자기 出發출발하는 버스 안에서는 아무 힘도 받지 않은 손잡이가 뒤로 젖혀지므로 慣性관성 法則법칙이 成立성립하지 않습니다. 加速가속하는 基準系기준계는 慣性系관성계가 아닙니다.

갈릴레이의 相對性상대성

갈릴레이는 「두 가지 主要주요 宇宙우주 體系체계에 關관한 對話대화」(1632)에서, 잔잔한 바다를 一定일정한 速度속도로 나아가는 배의 船室선실 안에서는 어떤 實驗실험을 해도 배가 멈춰 있는지 움직이는지 알 수 없다고 論논했습니다. 船室선실 안에서 공을 던지거나 물방울을 떨어뜨리거나 나비를 날려도, 모두 배가 멈춰 있을 때와 똑같이 움직인다는 것입니다. 이처럼 모든 慣性系관성계에서 力學역학 法則법칙이 같은 形態형태로 成立성립한다는 原理원리를 갈릴레이의 相對性상대성 原理원리라 합니다. 어느 慣性系관성계가 '진짜로 멈춰 있는지'를 力學역학 實驗실험으로는 가릴 수 없다는 뜻입니다.

갈릴레이의 相對性상대성에서는 速度속도를 單純단순히 더하고 뺍니다. 速度속도 $v$로 달리는 기차 안에서 進行진행 方向방향으로 速度속도 $u$로 공을 던지면, 땅에 선 사람에게 공의 速度속도는 $u + v$입니다. 이 덧셈은 너무나 當然당연해 보여서, 19世紀세기 末말까지 아무도 疑心의심하지 않았습니다.

빛의 速力속력이라는 問題문제

맥스웰과 에테르

1860秊代년대 맥스웰은 電氣전기와 磁氣자기의 法則법칙을 하나의 方程式방정식 體系체계로 統合통합했고(오늘날에는 네 개의 式식으로 整理정리합니다), 그 方程式방정식에서 電磁氣波전자기파가 空間공간을 퍼져 나간다는 것과 그 速力속력이 約약 30萬만 km/s라는 것을 이끌어 냈습니다. 이 값이 當時당시 測定측정된 빛의 速力속력과 一致일치하자, 맥스웰은 빛이 電磁氣波전자기파라고 結論결론지었습니다.

問題문제는 이 速力속력이 '무엇에 對대한' 速力속력이냐는 것이었습니다. 소리가 空氣공기를 通통해 傳전해지듯 빛도 무언가를 通통해 傳전해져야 한다고 생각한 物理學者물리학자들은, 宇宙우주 空間공간을 가득 채운 보이지 않는 媒質매질인 에테르를 想定상정했습니다. 맥스웰 方程式방정식의 빛의 速力속력은 에테르에 對대해 멈춰 있는 基準系기준계에서의 값이고, 에테르 속을 움직이는 觀測者관측자에게는 빛이 그만큼 빠르거나 느리게 보여야 했습니다.

마이컬슨-몰리 實驗실험

地球지구는 太陽태양 周圍주위를 秒速초속 約약 30 km로 公轉공전하므로, 에테르가 있다면 地球지구 위에서는 '에테르 바람'이 불어야 하고, 빛의 速力속력도 方向방향에 따라 조금씩 달라야 합니다. 1887秊년 마이컬슨과 몰리는 빛을 서로 直角직각인 두 經路경로로 나누었다가 다시 합쳐 干涉간섭 무늬를 만드는 裝置장치로 이 差異차이를 재려 했습니다. 두 經路경로에서 빛의 速力속력이 다르면 裝置장치를 돌릴 때 干涉간섭 무늬가 움직여야 합니다. 그러나 豫想예상한 크기의 移動이동은 나타나지 않았습니다. 뒤에 여러 사람이 季節계절을 바꾸어 地球지구의 運動운동 方向방향이 달라진 때에 되풀이한 實驗실험에서도 마찬가지였습니다. 빛의 速力속력은 地球지구의 運動운동과 關係관계없이 모든 方向방향에서 같았습니다.

物理學者물리학자들은 에테르를 지키기 위해 여러 說明설명을 내놓았습니다. 로렌츠와 피츠제럴드는 에테르 속을 움직이는 物體물체가 運動운동 方向방향으로 줄어든다고 假定가정하면 結果결과를 說明설명할 수 있음을 보였는데, 이 收縮수축의 式식은 뒤에 볼 相對性상대성 理論이론의 길이 收縮수축과 같았습니다. 그러나 왜 그런 收縮수축이 일어나는지에 對대한 說明설명은 없었습니다.

아인슈타인의 두 假定가정

1905秊년 아인슈타인은 論文논문 「움직이는 物體물체의 電氣전기 力學역학에 對대하여」에서 問題문제를 거꾸로 뒤집었습니다. 에테르를 지키려고 假說가설을 덧붙이는 대신, 實驗실험이 보여 주는 事實사실 自體자체를 出發點출발점으로 삼은 것입니다.

… 力學역학 方程式방정식이 成立성립하는 모든 基準系기준계에서 電氣전기 力學역학과 光學광학의 法則법칙도 똑같이 成立성립할 것이다. 우리는 이 推測추측(以下이하 '相對性상대성 原理원리'라 부른다)을 假定가정의 地位지위로 높이고, 이와 겉보기에만 兩立양립할 수 없어 보이는 또 하나의 假定가정, 곧 빛은 빈 空間공간에서 언제나 光源광원의 運動운동 狀態상태와 無關무관한 一定일정한 速度속도 $c$로 傳播전파된다는 假定가정을 導入도입할 것이다.
— 아인슈타인, 「움직이는 物體물체의 電氣전기 力學역학에 對대하여」(1905)

두 假定가정은 각각 그럴듯해 보이지만 함께 놓으면 常識상식과 正面정면으로 부딪칩니다. 秒速초속 20萬만 km로 달리는 宇宙船우주선에서 앞쪽으로 빛을 쏘면, 宇宙船우주선 안의 사람에게 빛의 速力속력은 $c$입니다. 그런데 光速광속 不變불변 原理원리에 따르면 밖에 멈춰 있는 사람에게도 이 빛의 速力속력은 $c + 20$萬만 km/s가 아니라 그냥 $c$입니다. 速度속도를 더한다는 當然당연한 規則규칙이 빛에서는 成立성립하지 않는 것입니다. 아인슈타인은 이 矛盾모순을 풀려면 時間시간과 空間공간에 對대한 우리의 생각을 바꾸어야 한다는 것을 보였습니다. 이 理論이론은 加速가속하지 않는 慣性系관성계만 다루므로 特殊특수 相對性상대성 理論이론이라 하며, 加速가속과 重力중력까지 다루는 一般일반 相對性상대성 理論이론(1915)과 區別구별합니다.

에테르는 이 理論이론에서 必要필요가 없어졌습니다. 모든 慣性系관성계가 同等동등하다면 '에테르에 對대해 멈춰 있는' 特別특별한 基準系기준계도 없기 때문입니다.

同時性동시성의 相對性상대성

빛의 速力속력이 모든 慣性系관성계에서 같다는 것의 첫 번째 結果결과는, 두 事件사건이 '同時동시에' 일어났는지가 觀測者관측자에 따라 달라진다는 것입니다.

一定일정한 速度속도로 달리는 기차 칸의 한가운데에서 電球전구를 켰다고 해 봅시다. 기차 안의 사람에게는 빛이 앞뒤로 같은 速力속력 $c$로 같은 距離거리를 가므로 앞벽과 뒷벽에 同時동시에 닿습니다. 그런데 땅에 선 사람이 보면, 빛이 퍼지는 동안 기차가 앞으로 움직이므로 뒷벽은 빛을 마중 나오고 앞벽은 빛에서 달아납니다. 땅에서 보아도 빛의 速力속력은 앞뒤 모두 $c$이므로, 빛은 뒷벽에 먼저 닿고 앞벽에 나중에 닿습니다.

기차 안에서는 同時동시였던 두 事件사건이 땅에서는 同時동시가 아닙니다. 누가 옳은 것이 아니라 둘 다 옳습니다. 모든 觀測者관측자에게 共通공통인 하나의 '只今지금'은 없으며, 同時性동시성은 基準系기준계에 따라 相對的상대적입니다. 뉴턴 力學역학에서 時間시간은 宇宙우주 어디서나 똑같이 흐르는 絶對的절대적인 量양이었지만, 特殊특수 相對性상대성 理論이론에서는 그렇지 않습니다.

時間시간 膨脹팽창

빛 時計시계

時間시간이 基準系기준계에 따라 다르게 흐른다는 것은 '빛 時計시계'라는 思考사고 實驗실험으로 보일 수 있습니다. 두 거울을 높이 $L$만큼 떨어뜨려 마주 세우고, 그 사이를 빛이 위아래로 오가게 합니다. 빛이 한 番번 往復왕복하는 時間시간을 時計시계의 '한 째깍'으로 삼습니다.

이 時計시계를 速度속도 $v$로 움직이는 宇宙船우주선에 싣습니다. 宇宙船우주선 안의 사람에게 빛은 그냥 위아래로 오가므로, 한 째깍은 $\Delta t_0 = 2L/c$입니다. 그런데 밖에 멈춰 있는 사람이 보면, 빛이 올라가는 동안 거울이 옆으로 움직이므로 빛은 비스듬한 經路경로를 따라갑니다. 비스듬한 經路경로는 垂直수직 經路경로보다 길고, 光速광속 不變불변 原理원리에 따라 빛의 速力속력은 그대로 $c$이므로, 밖에서 잰 한 째깍 $\Delta t$는 더 깁니다. 피타고라스 定理정리로 두 時間시간을 比較비교하면 다음 關係관계를 얻습니다.

여기서 $\gamma = 1/\sqrt{1 - v^2/c^2}$는 언제나 1보다 크거나 같으므로, 밖에서 보면 움직이는 時計시계는 느리게 갑니다. 이를 時間시간 膨脹팽창이라 합니다. 時計시계와 함께 움직이는 觀測者관측자가 잰 時間시간 $\Delta t_0$를 固有고유 時間시간이라 하며, 固有고유 時間시간이 가장 짧습니다.

빛 時計시계만의 特性특성이 아닙니다. 相對性상대성 原理원리에 따라 宇宙船우주선 안의 모든 物理물리 現象현상, 곧 機械기계 時計시계의 톱니, 原子원자의 振動진동, 生物생물의 心臟심장 搏動박동이 빛 時計시계와 똑같이 느려집니다. 그렇지 않다면 宇宙船우주선 안의 사람이 두 時計시계를 比較비교해 自身자신이 움직이는지 알아낼 수 있게 되어 相對性상대성 原理원리에 어긋나기 때문입니다. 느려지는 것은 時計시계가 아니라 時間시간 自體자체입니다.

얼마나 느려지는가

日常일상의 速力속력에서는 $v/c$가 매우 작아 $\gamma$가 1과 事實上사실상 같으므로 時間시간 膨脹팽창을 느낄 수 없습니다. 速力속력이 빛에 가까워질수록 $\gamma$는 急激급격히 커지고, $v = c$에서는 無限大무한대가 됩니다. 質量질량을 가진 物體물체를 빛의 速力속력까지 加速가속할 수 없다는 것도 이 式식에서 드러납니다.

뮤온

時間시간 膨脹팽창은 自然자연에서 直接직접 確認확인됩니다. 宇宙우주에서 날아온 高고에너지 粒子입자가 地上지상 10~15 km 높이의 大氣대기와 부딪히면 뮤온이라는 粒子입자가 만들어집니다. 뮤온은 멈춰 있을 때 平均평균 2.2 μs(마이크로秒초) 만에 다른 粒子입자로 崩壞붕괴합니다. 빛의 速力속력으로 달려도 2.2 μs 동안 갈 수 있는 距離거리는 660 m 남짓이므로, 뮤온의 大部分대부분은 地表지표에 닿기 前전에 사라져야 합니다. 그런데 實際실제로는 많은 뮤온이 地表지표에서 檢出검출됩니다.

뮤온이 빛의 速力속력의 99.9% 안팎으로 움직이면 $\gamma$는 20 程度정도가 됩니다. 地上지상에서 보면 뮤온의 時間시간이 20倍배 느리게 흐르므로, 뮤온은 平均평균 44 μs 남짓 살아남아 10 km 以上이상을 날아올 수 있습니다. 1941秊년 로시와 홀은 높이가 다른 山산 위와 아래에서 뮤온의 數수를 比較비교해 이 效果효과를 確認확인했습니다. 粒子입자 加速器가속기에서도 빠르게 움직이는 不安定불안정 粒子입자의 壽命수명이 $\gamma$倍배로 늘어나는 것이 精密정밀하게 測定측정됩니다.

1971秊년 하펠과 키팅은 精密정밀한 原子時計원자시계를 旅客機여객기에 싣고 地球지구를 東동쪽과 西서쪽으로 한 바퀴씩 돌게 한 뒤 地上지상의 時計시계와 比較비교했습니다. 그 差異차이는 수십~수백 나노秒초(10億分억분의 1秒초)였고, 相對性상대성 理論이론의 豫測예측과 誤差오차 範圍범위 안에서 一致일치했습니다. 이 實驗실험에는 速力속력에 따른 特殊특수 相對性상대성 效果효과와 높이에 따른 一般일반 相對性상대성 效果효과가 함께 들어 있었습니다.

길이 收縮수축

뮤온의 例예를 뮤온과 함께 움직이는 觀測者관측자의 立場입장에서 보면 어떨까요. 이 觀測者관측자에게 뮤온은 멈춰 있으므로 뮤온의 壽命수명은 그대로 2.2 μs입니다. 그런데도 뮤온이 地表지표에 닿는 것은, 뮤온의 立場입장에서는 다가오는 大氣層대기층의 두께가 짧아져 있기 때문입니다. 10 km가 넘던 大氣대기의 두께가 $\gamma$分분의 1로 줄어 수백 m가 되는 것입니다.

物體물체와 함께 움직이는 觀測者관측자가 잰 길이 $L_0$를 固有고유 길이라 하며, 다른 慣性系관성계에서 보면 物體물체의 길이는 運動운동 方向방향으로 固有고유 길이보다 짧게 測定측정됩니다. 이를 길이 收縮수축이라 합니다. 運動운동 方向방향에 垂直수직인 方向방향의 길이는 變변하지 않습니다.

이 式식은 時間시간 膨脹팽창에서 바로 끌어낼 수 있습니다. 地上지상에 固有고유 길이가 $L_0$인 막대가 놓여 있고, 時計시계 하나가 速力속력 $v$로 막대 옆을 지나간다고 합시다. 地上지상의 觀測者관측자가 보기에 時計시계가 막대의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 가는 데 걸리는 時間시간은 $\Delta t = L_0/v$입니다. 한便편 時計시계의 立場입장에서는 時計시계가 멈춰 있고 막대가 速力속력 $v$로 지나갑니다. '막대의 앞 끝이 時計시계를 지남'과 '뒤 끝이 時計시계를 지남'이라는 두 事件사건이 모두 時計시계가 있는 같은 곳에서 일어나므로, 時計시계가 잰 時間시간은 固有고유 時間시간 $\Delta t_0 = \Delta t/\gamma$입니다. 時計시계의 立場입장에서 막대의 길이는 速力속력과 이 時間시간의 곱이므로

가 됩니다. 두 觀測者관측자가 서로의 相對상대 速力속력 $v$에는 同意동의하지만 두 事件사건 사이의 時間시간에 同意동의하지 않기 때문에, 길이에도 同意동의하지 않게 되는 것입니다.

길이 收縮수축은 對稱的대칭적입니다. 地上지상의 觀測者관측자에게는 지나가는 宇宙船우주선이 짧아 보이고, 宇宙船우주선의 觀測者관측자에게는 地上지상의 막대가 짧아 보입니다. 어느 쪽 막대가 '진짜로' 줄어든 것인지 묻는 것은 意味의미가 없습니다. 길이를 잰다는 것은 막대의 두 끝의 位置위치를 같은 時刻시각에 읽는다는 뜻인데, 앞에서 본 同時性동시성의 相對性상대성 때문에 두 觀測者관측자가 생각하는 '같은 時刻시각'이 서로 다르기 때문입니다.

時間시간 膨脹팽창과 길이 收縮수축은 같은 現象현상을 서로 다른 基準系기준계에서 본 두 얼굴입니다. 地上지상의 觀測者관측자는 '뮤온의 時間시간이 느리게 가서' 뮤온이 地表지표에 닿는다고 說明설명하고, 뮤온의 觀測者관측자는 '大氣대기가 짧아져서' 地表지표에 닿는다고 說明설명합니다. 두 說明설명은 '뮤온이 地表지표에 닿는다'는 같은 結果결과에 이릅니다. 物理的물리적 事件사건 自體자체는 모든 觀測者관측자에게 같고, 그 事件사건을 記述기술하는 時間시간과 길이의 값이 基準系기준계에 따라 다를 뿐입니다.

로렌츠 變換변환과 時空시공 間隔간격

時間시간 膨脹팽창과 길이 收縮수축은 더 一般的일반적인 規則규칙의 特殊특수한 境遇경우입니다. 한 慣性系관성계에서 잰 事件사건의 位置위치와 時刻시각 $(x, t)$를, 그에 對대해 $x$ 方向방향으로 速度속도 $v$로 움직이는 慣性系관성계의 값 $(x', t')$으로 바꾸는 式식을 로렌츠 變換변환이라 합니다.

$v$가 $c$보다 훨씬 작으면 $\gamma \approx 1$이고 $vx/c^2$도 無視무시할 수 있으므로, 이 式식은 갈릴레이의 變換변환 $x' = x - vt$, $t' = t$로 돌아갑니다. 뉴턴 力學역학은 相對性상대성 理論이론의 낮은 速力속력 近似근사인 셈입니다. 時刻시각의 式식에 位置위치 $x$가 들어 있다는 것이 同時性동시성의 相對性상대성을 나타냅니다. 한 慣性系관성계에서 $t$가 같은 두 事件사건도 $x$가 다르면 다른 慣性系관성계에서는 $t'$이 달라지기 때문입니다.

로렌츠 變換변환에서 速度속도의 덧셈 規則규칙도 바뀝니다. 速度속도 $v$로 움직이는 基準系기준계 안에서 物體물체가 같은 方向방향으로 速度속도 $u'$으로 움직이면, 바깥에서 잰 速度속도 $u$는 다음과 같습니다.

$u' = c$를 넣으면 $u = c$가 되어, 빛의 速力속력은 어느 基準系기준계에서나 $c$로 남습니다. $0.5c$로 달리는 宇宙船우주선에서 앞으로 $0.5c$로 쏜 物體물체도 밖에서 보면 $c$가 아니라 $0.8c$입니다.

基準系기준계에 따라 時間시간과 길이는 달라지지만, 두 事件사건 사이에서 모든 慣性系관성계가 같은 값을 얻는 量양이 있습니다. 두 事件사건의 時間시간 差차 $\Delta t$와 距離거리 $\Delta x$로 만든 다음의 量양입니다.

이를 時空시공 間隔간격이라 합니다. 3次元차원 空間공간에서 座標軸좌표축을 돌려도 두 點점 사이의 距離거리는 變변하지 않듯, 慣性系관성계를 바꾸어도 時空시공 間隔간격은 變변하지 않습니다. 時間시간과 空間공간을 따로 보면 觀測者관측자마다 다르지만, 둘을 묶은 4次元차원 時空시공에서는 觀測者관측자와 無關무관한 '距離거리'가 있는 것입니다. 1908秊년 민코프스키는 이 構造구조를 보이며 時間시간과 空間공간이 하나의 時空시공으로 統合통합되어야 한다고 主張주장했고, 이 時空시공의 幾何學기하학이 뒤에 一般일반 相對性상대성 理論이론의 言語언어가 되었습니다.

雙쌍둥이 逆說역설

時間시간 膨脹팽창은 有名유명한 逆說역설을 낳았습니다. 雙쌍둥이 가운데 한 사람이 빛에 가까운 速力속력의 宇宙船우주선을 타고 먼 별에 다녀오면, 地球지구에 남은 雙쌍둥이가 보기에 旅行者여행자의 時間시간이 느리게 갔으므로 旅行者여행자가 더 젊어야 합니다. 그런데 運動운동이 相對的상대적이라면, 旅行者여행자의 立場입장에서는 地球지구가 멀어졌다가 돌아온 것이므로 地球지구의 雙쌍둥이가 더 젊어야 하지 않을까요?

이 逆說역설은 두 雙쌍둥이의 立場입장이 對稱대칭이 아니라는 데서 풀립니다. 地球지구의 雙쌍둥이는 처음부터 끝까지 하나의 慣性系관성계에 머물렀지만, 旅行者여행자는 별에서 方向방향을 바꾸어 돌아오기 위해 加速가속을 겪었고, 가는 길과 오는 길에 서로 다른 두 慣性系관성계를 거쳤습니다. 이 非對稱비대칭 때문에 두 사람의 經驗경험은 同等동등하지 않으며, 計算계산해 보면 實際실제로 旅行者여행자가 더 젊습니다. 0.8$c$로 10光年광년 떨어진 별에 다녀오면, 地球지구에서는 25秊년이 흐르지만 旅行者여행자에게는 15秊년만 흐릅니다. 앞에서 본 하펠-키팅 實驗실험과 粒子입자 加速器가속기 속을 圓원을 그리며 돌다 제자리로 돌아오는 粒子입자의 壽命수명 測定측정은, 이 豫測예측이 思考사고 實驗실험에만 머무르지 않음을 보여 줍니다.

質量질량과 에너지

特殊특수 相對性상대성 理論이론은 時間시간과 空間공간뿐 아니라 質量질량과 에너지의 關係관계도 바꾸었습니다. 아인슈타인은 1905秊년 같은 해에 發表발표한 짧은 論文논문에서, 物體물체가 에너지 $E$를 내보내면 質量질량이 $E/c^2$만큼 줄어든다는 것을 보였습니다. 이것이 널리 알려진 다음 式식입니다.

$c^2$이 매우 크므로, 아주 작은 質量질량도 엄청난 에너지에 該當해당합니다. 1 g의 質量질량이 모두 에너지로 바뀌면 約약 $9 \times 10^{13}$ J, TNT 2萬만 톤 程度정도의 爆藥폭약이 내는 에너지가 됩니다. 太陽태양이 水素수소 核融合핵융합으로 質量질량 一部일부를 에너지로 바꾸어 빛나는 過程과정은 「太陽 에너지와 에너지 轉換」에서 다루었습니다. 原子力원자력 發電발전도 우라늄 原子核원자핵이 分裂분열할 때 줄어드는 質量질량을 에너지로 쓰는 것입니다.

社會사회에 미친 影響영향

衛星위성 航法항법 시스템

相對性상대성 理論이론이 日常일상에 쓰이는 代表的대표적인 例예는 GPS 같은 衛星위성 航法항법 시스템입니다. GPS 衛星위성은 高度고도 約약 2萬만 km에서 秒速초속 約약 3.9 km로 地球지구를 돌며 精密정밀한 原子時計원자시계의 時刻시각을 담은 信號신호를 보내고, 受信機수신기는 여러 衛星위성의 信號신호가 도착한 時間시간 差차로 自身자신의 位置위치를 計算계산합니다. 빛은 1 나노秒초에 30 cm를 가므로, 時刻시각이 조금만 어긋나도 位置위치가 크게 틀어집니다.

衛星위성의 時計시계는 빠르게 움직이므로 特殊특수 相對性상대성 效果효과로 地上지상보다 하루에 約약 7 μs 느려지고, 地上지상보다 重力중력이 弱약한 높은 곳에 있으므로 一般일반 相對性상대성 效果효과로 하루에 約약 45 μs 빨라집니다. 합하면 衛星위성의 時計시계는 하루에 約약 38 μs 빨리 갑니다. 이를 補正보정하지 않으면 位置위치 誤差오차가 하루에 10 km 안팎씩 쌓이게 됩니다. 그래서 GPS 衛星위성의 時計시계는 發射발사 前전부터 이 差異차이를 考慮고려해 調整조정됩니다. 스마트폰 地圖지도가 우리의 位置위치를 몇 m 안으로 찾아내는 데에는 相對性상대성 理論이론이 들어 있는 것입니다.

科學과학 技術기술과 産業산업

粒子입자 加速器가속기는 相對性상대성 理論이론 없이는 設計설계할 수 없습니다. 빛의 速力속력에 가까워진 粒子입자는 에너지를 더 넣어도 速力속력이 거의 늘지 않고 에너지와 運動量운동량만 커지는데, 加速器가속기의 磁石자석과 電場전장은 이 相對論的상대론적 關係관계에 맞추어 設計설계됩니다. 유럽 粒子입자 物理물리 硏究所연구소(CERN)의 大型대형 强粒子강입자 衝突器충돌기(LHC)에서 陽性子양성자는 빛의 速力속력의 99.9999% 以上이상으로 달립니다. 加速器가속기 技術기술은 基礎기초 硏究연구를 넘어 癌암 治療用치료용 放射線방사선 裝置장치와 醫療用의료용 同位元素동위원소 生産생산, 半導體반도체 工程공정에도 쓰입니다.

質量질량-에너지 等價등가는 原子力원자력 發電발전과 함께 核武器핵무기의 理論的이론적 바탕이 되기도 했습니다. 1939秊년 아인슈타인은 物理學者물리학자 실라르드 等등이 作成작성한, 美國미국 大統領대통령 루스벨트에게 原子爆彈원자폭탄 開發개발의 可能性가능성을 警告경고하는 便紙편지에 署名서명했고, 이는 美國미국이 原子爆彈원자폭탄 開發개발에 나서는 契機계기 가운데 하나가 되었습니다. 그는 戰後전후 核武器핵무기 廢絶폐절과 平和평화 運動운동에 힘을 쏟았습니다. 科學과학 知識지식이 그 自體자체로는 中立的중립적이지만 그 쓰임은 社會사회의 選擇선택에 달려 있다는 問題문제가 相對性상대성 理論이론의 歷史역사에도 새겨져 있습니다.

世界觀세계관의 變化변화

相對性상대성 理論이론은 時間시간과 空間공간이 모든 것의 背景배경으로 固定고정되어 있다는 뉴턴 以來이래의 생각을 바꾸었습니다. 時間시간과 空間공간은 觀測者관측자의 運動운동에 따라 달라지는 하나의 4次元차원 時空시공으로 묶였고, 이 생각은 뒤에 重力중력과 宇宙우주의 構造구조를 다루는 一般일반 相對性상대성 理論이론과 現代현대 宇宙論우주론으로 이어졌습니다.

다만 '相對性상대성'이라는 이름 때문에 이 理論이론이 '모든 것은 相對的상대적'이라는 主張주장처럼 誤解오해되기도 했습니다. 實際실제로는 正反對정반대입니다. 相對性상대성 理論이론의 出發點출발점은 모든 慣性系관성계에서 物理물리 法則법칙과 빛의 速力속력이 똑같다는, 곧 變변하지 않는 것에 對대한 主張주장입니다. 時間시간과 길이가 基準系기준계에 따라 달라지는 것은 그 變변하지 않는 것을 지키기 위한 結果결과입니다. 아인슈타인 自身자신도 이 理論이론을 '不變性불변성 理論이론'이라 부르는 것이 더 낫겠다고 생각했다고 傳전해집니다.

整理정리

特殊특수 相對性상대성 理論이론은 '빛의 速力속력은 누구에게나 같다'는 實驗실험 事實사실을 끝까지 받아들인 結果결과입니다. 그 代價대가로 우리는 모두에게 똑같이 흐르는 時間시간과 누구에게나 같은 길이라는 常識상식을 내려놓아야 했습니다. 日常일상의 速力속력에서는 그 差異차이가 너무 작아 뉴턴 力學역학이 그대로 通통하지만, 빛의 速力속력에 가까운 粒子입자의 世界세계와 나노秒초를 다투는 精密정밀 技術기술에서는 相對性상대성 理論이론이 없으면 아무것도 맞지 않습니다.