정확히 100년 전, 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 자신의 일반 상대성 이론의 올바른 버전을 제시했습니다. 그 이론에 대한 증거는 지난 세기에 걸쳐 쌓여왔다. 일식부터 날아다니는 원자시계까지, 과학자들은 아인슈타인의 이론을 반증하기 위해 가능한 모든 수단을 동원했습니다. 성공하지 못했습니다.
일식은 드물고 환상적인 광경이지만 1919년 5월 29일의 일식은 설렘을 더했습니다. 특히 영국 과학자 Arthur Eddington의 경우. 그는 두 거인 사이의 과학적 분쟁을 해결하기 위한 계획을 고안했습니다. 아이작 뉴턴과 알베르트 아인슈타인이 실제로 서로 몇 세기 떨어져 살았다는 주장을 한 것은 아니지만, 그들의 이론에서는 중력이 광선을 얼마나 강하게 편향시키는가에 대해 서로 다른 예측을 했습니다.
일반 상대성 이론은 수성 궤도의 이상한 이상 현상에 대해 좋은 예측을 내렸지만, 그 이론은 보편적으로 받아들여지지는 않았습니다. 많은 과학자들은 그 점에 있어서 여전히 뉴턴의 17세기 법칙을 고수했습니다.
Eddington은 완벽한 실험을 염두에 두었습니다. 그는 태양계에서 가장 무거운 물체인 태양이 배경에 있는 별의 빛을 어떻게 굴절시키는지 테스트하고 싶었습니다. 태양 바로 옆에 있는 별은 중력으로 인해 약간씩 이동합니다. 그리고 아인슈타인의 이론은 뉴턴의 이론보다 두 배나 큰 이동을 예측했기 때문에 정확한 측정이 결정적인 요인이 될 것입니다.
일식은 완벽한 기회였습니다. 일반적으로 태양의 밝기로 인해 그러한 측정이 불가능합니다. 하지만 달이 태양 앞으로 움직이는 순간 그 문제는 사라진다. 그리고 그 일이 1919년 5월 29일에 일어날 예정이었습니다.
그의 실험에서 Eddington은 Hyades의 밝은 성단에서 나오는 별빛에 태양의 중력 영향을 관찰하고 싶었습니다. 일반상대론에서는 약 1.75초(거의 40m 떨어진 머리카락 굵기)의 미세한 이동을 예측했습니다. 그러나 뉴턴의 법칙은 훨씬 더 작은 효과를 예측했습니다.
두 과학팀이 일식을 보기 위해 출발했습니다. 한 팀은 브라질의 소브랄(Sobral)로 갔고, 다른 팀은 서아프리카 해안의 프린시페(Principe) 섬으로 떠났습니다. 궁극적으로 원정대는 1.6 및 거의 2각초의 이동을 기록했습니다. 에딩턴은 그해 11월 6일에 자신의 결과를 발표했고, 그 결과는 많은 과학자들에게 아인슈타인이 옳았다는 것을 증명했습니다. 그 소식은 전 세계 신문의 첫 페이지를 장식하기도 했습니다. 일반 상대성 이론은 아인슈타인을 유명인사로 만들었습니다.
수성의 미친 궤도
1919년의 일식이 일반 상대성 이론에 대한 최초의 실제 테스트로 간주되지만 이미 아인슈타인이 해결할 수 있는 오래된 문제가 있었습니다. 1859년 프랑스 수학자 우르뱅 르 베리에(Urbain Le Verrier)는 책에서 수성이 고전역학의 법칙에 따라 해야 할 일, 즉 깔끔한 타원 궤도를 그리며 태양을 공전하고 있다고 주장했습니다.
르 베리에는 지난 150년 동안 수성의 통과 시간(행성이 태양 앞을 지나갈 때)을 연구한 결과 전환이 예상보다 조금 더 빠르게 시작된다는 사실을 발견했습니다. 이러한 이상 현상 중 일부는 다른 행성의 중력 섭동으로 설명될 수 있지만 결국 완전한 해결책을 제시한 것은 일반 상대성 이론이었습니다. 아인슈타인은 태양에 가까운 곡선 공간으로 인해 '고전적인' 행성 궤도에서 편차가 발생한다고 말했습니다. 이를 통해 그는 자신의 출판물이 1세기에 100분의 1도씩 차이가 나는 것을 설명할 수 있었습니다.
거대한 계산기
그런데 아인슈타인은 정확히 무엇을 생각해 냈습니까? 이를 설명하기 위해 우리는 물리학에 대한 작은 교훈을 피할 수 없습니다. 이제 정확히 100년 된 일반 상대성 이론은 실제로 10년 전인 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 기반으로 합니다. 그 책에서 그는 관찰자가 얼마나 빨리 움직이는지는 중요하지 않으며 자연의 법칙은 항상 동일하다고 말했습니다.
거의 빛의 속도로 이동하는 기차에서는 크게 다른 것이 없습니다. 시계는 (관찰자에게) 그만큼 빨리 똑딱거리고 눈금도 같은 것을 나타냅니다. 그것은 논리적인 것처럼 보이지만 훨씬 더 이상한 것은 그 자체가 거의 빛의 속도에 달하는 차량에서도 변함없는 빛의 속도는 여전히 빛의 속도라는 것입니다. 따라서 이 이론은 시간에 대해 이상한 의미를 갖고 있으며, 관찰자는 서로 다른 속도로 더 빠르게 또는 더 느리게 움직입니다.
아인슈타인의 우아한 특수 상대성 이론을 사용하면 많은 것이 갑자기 제자리를 찾는 것처럼 보였지만 문제가 있었습니다:가속화 관찰자. Radboud University Nijmegen 천체 물리학과의 천문학자 Gijs Nelemans는 "그들은 실제로 특수 상대성 이론을 완전히 망쳤습니다."라고 말합니다. 그러나 아인슈타인은 해결책을 찾았습니다. 그는 가속도와 중력이 매우 유사하다는 것을 깨달았습니다. 사실, 그들은 구별할 수 없습니다. 예를 들어, 닫힌 엘리베이터에서는 중력을 느끼는지 가속도를 느끼는지 판단할 수 없습니다.
아인슈타인은 이것이 중력에 광범위한 영향을 미친다고 주장했습니다. 예를 들어 전자기력과 같은 고전적인 힘은 아닙니다. 오히려 공간이 왜곡된 결과이다. 일반적으로 직선으로 움직이는 물체는 단순히 공간의 곡률을 따라 휘어집니다. 태양 주위를 원운동하는 지구는 아인슈타인이 보기에 태양에 의해 휘어진 공간에서 직선을 그리는 행성이다. Nelemans는 “이러한 접근 방식은 가속된 관찰자가 상대성 이론에 부합하도록 보장했습니다.”라고 말합니다. “이것을 종이에 수학적으로 정확하게 적는 데는 매우 오랜 시간이 걸렸습니다. 엄청난 계산이었죠.”
아인슈타인의 파동
Nelemans 자신은 일반 상대성 이론을 다시 시험할 연구에 참여하고 있습니다. 그와 동료들은 중력파를 찾고 있습니다. 아인슈타인의 이론은 중성자별이나 블랙홀과 같은 매우 작고 무거운 두 물체가 서로 공전할 때 공간을 왜곡할 뿐만 아니라 소위 중력파라는 파동을 생성한다고 예측합니다.
그러한 중력파가 (빛의 속도로) 지구를 통과할 때 이론에 따르면 물체 사이의 거리가 잠시 동안 변경되지만 이는 미미한 영향입니다. 1미터는 10 -20 이 됩니다. 미터 더 길거나 더 짧습니다. 그러면 그러한 변화를 어떻게 측정할 수 있습니까? "한 가지 문제는 그러한 파동이 공간의 변화를 측정하려는 '물리적 눈금자'를 포함하여 모든 물질에 영향을 미친다는 것입니다."라고 Nelemans는 말합니다. “실제로 아무것도 측정하지 않습니다!”
이것은 공간에 따라 변하지 않는 자, 즉 빛의자를 사용하여 해결할 수 있습니다. 그것 역시 실제로 아인슈타인의 '발명품'입니다. Nelemans는 “그의 특수 상대성 이론은 빛의 속도가 항상 같다고 말합니다.”라고 말합니다. “중력파가 통과하는 순간 잠시 동안은 빛의 주파수만 변하게 된다.”
LIGO(레이저 간섭계 중력파 관측소 등의 중력파 검출기 그러한 변화를 찾고 있습니다). ) 미국에서는 처녀자리는 이탈리아에서. 탐지기는 정확히 중앙에서 서로를 소멸시키는 강력한 레이저를 갖춘 2km 길이의 수직 팔로 구성됩니다. 레이저 샘플 중 하나의 주파수가 아주 조금이라도 변하는 순간, 광선이 서로 닿는 지점에서 광선이 더 이상 잠시 동안 서로 꺼지지 않는다는 것을 알 수 있습니다.
두 관측소 모두 이미 수년 동안 측정 캠페인을 진행해 왔지만 단 하나의 중력파도 감지하지 못했습니다. 그러나 관련된 과학자들은 거기서 멈추지 않을 것입니다. Nelemans는 “올해에는 개선된 LIGO가 이미 측정을 시작할 것이며 1년 후에는 Virgo 업그레이드도 준비될 것입니다.”라고 말했습니다. “2019년에는 최대 감도를 갖습니다. 그런 다음 실제로 측정을 시작해야 합니다. 더 민감한 감지기가 필요할 가능성은 거의 없기 때문입니다.”
여행을 갈 땐 원자시계를 가지고 갑니다
아마도 아인슈타인의 연구에서 가장 이상한 의미는 시간의 연장일 것입니다. 그것이 정말 사실일까요? Joseph Hafele과 Richard Keating은 40여년 전에 궁금해했을 것입니다. 그들은 1971년에 함께 상대성 이론에 대한 가장 실용적인 실험을 했습니다. 당시에는 상대성 이론이 과학자들 사이에서 오랫동안 널리 받아들여졌던 시절입니다.
특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론 모두 소위 시간 팽창을 예측합니다. 첫 번째 이론은 우주를 빠른 속도로 여행하는 사람에게는 시간이 느려질 것이라고 말합니다.
그 사람이 아무것도 알아차린 것은 아닙니다. 우주선에 탑승한 모든 것과 모든 사람은 시간의 연장을 받습니다. 선상의 시계는 느리게 똑딱거리고, 컴퓨터도 느려지고, 자연적인 과정은 시간 팽창을 피할 수 없기 때문에 관찰자의 인식도 느려집니다. 일반 상대성 이론에 따르면 누군가가 강한 중력장에 있을 때에도 똑같은 일이 일어납니다.
Hafele과 Keating은 실험을 통해 두 이론을 모두 테스트하고 싶었습니다. 그들은 지구를 두 바퀴 도는 비행기 여행에 4개의 매우 정확한 원자시계를 가져갈 것입니다. 이는 항공기의 속도와 고도에서 약간 더 작은 지구 중력을 경험한다는 사실로 인해 이미 측정 가능한 시간 팽창을 산출해야 합니다. 물론 과학자들은 검증을 위해 워싱턴에 있는 연구실에 원자시계도 남겨두었습니다. 오후 7시 30분 10월 4일, 첫 번째 원자시계 선적은 지구의 자전과 함께 동쪽으로 출발했습니다. 이중 세계 여행에는 65시간이 조금 넘게 걸렸습니다. 일주일 남짓 뒤인 10월 13일에 동일한 종의 선적물이 서쪽으로 보내졌습니다. 80시간이 넘는 여행으로 지구를 두 바퀴나 돌았습니다.
그들은 워싱턴으로 돌아왔을 때 원자시계를 땅에 남겨진 시계와 비교했습니다. 그리고 결과는 무엇입니까? 동쪽으로 이동한 시계는 평균 59나노초 늦었습니다. 서쪽으로 갔던 시계는 273나노초 앞섰습니다. 수십억분의 1초에 불과했지만 그 효과는 틀림없었고, 더욱이 이론에 부합했습니다. 세계에서 가장 정확한 시계도 그렇게 빨리 움직이지 않았습니다. 이는 아인슈타인에게 큰 힘이 되었습니다.
대규모 상대성
이러한 실험은 아인슈타인의 이론에 대한 중요한 증거를 제공했지만 상대론적 효과가 지구상의 우리 삶에서 거의 역할을 하지 않는다는 사실도 보여주었습니다. 그러나 우주 규모나 극단적인 물체를 보면 상황이 달라집니다. 예를 들어 빛이 태양에 의해 구부러지는 것이 아니라 수천억 개의 별이 있는 은하계 전체에 의해 구부러지는 경우입니다. 이는 아인슈타인 반지와 같은 특수 효과를 만들어 낼 수 있습니다.
두 은하가 지구에서 본 것과 정확히 일치할 때 선두 천체는 가장 먼 은하의 빛을 구부려 선두 천체 주위에 고리처럼 나타날 수 있습니다. 아인슈타인은 1936년 출판물에서 다음과 같이 썼습니다. "물론 우리가 이 현상을 직접 관찰할 수 있다는 희망은 없습니다." 그는 별에 대해서만 이 효과를 고려했기 때문에 틀렸다는 것이 입증되었습니다. 그러나 요즘에는 (은하단) 은하들에 의해 생성된 12개의 (부분) 아인슈타인 고리가 알려져 있습니다.
일반 상대성 이론은 먼 은하의 '색상'에서도 눈에 띕니다. 빛이 강한 중력 환경에서 낮은 중력장으로 이동함에 따라 빛의 파장이 증가합니다. 빛은 말하자면 빨간색으로 약간 이동하므로 중력 적색편이라는 이름이 붙습니다. 따라서 우리는 은하단의 무거운 중심에서 나오는 빛을 그러한 은하단의 가장자리에서 나오는 빛보다 다소 '붉게' 봅니다.
상대성이 없는 쓸모없는 GPS
상대성 이론은 극도로 빠르고 무거운 물체에 대한 예측을 하기 때문에 실용성이 거의 없다고 생각할 수도 있습니다.
그러나 상대성을 고려하지 않으면 작동하지 않는 시스템이 하나 있습니다. 바로 미국의 GPS(Global Positioning System)와 같은 위성 항법입니다. (GPS).
항법 시스템은 약 20,000km의 고도에서 약 14,000km/h의 속도로 지구 주위를 공전하는 위성에 탑재된 원자 시계를 사용합니다. 속도와 그 고도에서 지구의 중력이 거의 절반으로 줄어든다는 사실은 위성에 탑재된 시계가 지구 시계보다 하루에 약 38 마이크로초 더 빠르다는 것을 의미합니다. 엔지니어가 이 점을 고려하지 않았다면 시스템은 하루에 약 10km의 위치를 찾는 데 오류가 발생했을 것입니다!
일반 상대성 이론은 지난 수백 년 동안 수많은 테스트를 통과했으며, 아인슈타인도 몇 번이고 성공적으로 통과했습니다. 그러나 LIGO 및 VIRGO와 같은 검출기는 다시 한번 이론을 조사하고 있습니다. Nelemans는 이전에 테스트된 적이 없는 영역에서 이론을 테스트할 것이라고 말했습니다.
“기본적으로 지금까지의 모든 테스트는 빛의 속도의 1% 미만으로 이동하는 물체를 대상으로 수행되었습니다.”라고 그는 말합니다. “아인슈타인은 물체가 빛의 속도로 움직일 때 그 효과가 훨씬 더 커지기 때문에 흥미로워진다고 말합니다. 상대성 이론의 진정한 특성은 빠르게 움직이는 중성자별이나 블랙홀과 같은 극한 물체를 사용하여 측정할 수 있는 높은 에너지에서 나타납니다. 아마도 이러한 측정은 이론이 무너지기 시작하는 영역에 대한 힌트를 줄 것입니다.”
