상대성 이론의 쉬운 설명

상대성이론은 특수상대성 이론과 일반 상대성이론이 있습니다
특수 상대성이론은 중력이 없는 특수한 상황 (일반적인 경우 중력이 없는 곳은 없죠)을 설명하는 이론입니다

빛은 파동입니다. 파동은 예를들면 물위에 돌을 던지면 일렁임이 생기는데 그것이 파동입니다. 그런데 물위에 일렁임이 움직이는 속도는 일정합니다. 돌을 세게 던지든 약하게 던지든 속도는 일정합니다. 경험적으로 알 수 있는 사실입니다. 여기서 속도는 물을 기준으로 한 속도 입니다. 그리고 물을 매질이라고 합니다. 파동을 매개하는 물질을 말합니다.

이렇듯 파동은 매질에 대해 일정한 속도로 움직입니다. 빛도 파동입니다. 그런데 실험에 의해 빛에는 매질이 없음이 밝혀졌습니다. 파동은 매질을 기준으로 속도가 일정해야 하는데 빛은 그러면 무엇을 기준으로 속도가 일정해야 할까요? 정답은 관찰자를 기준으로 입니다. 그리고 여기서 관찰자는 누구든지 될 수 있습니다. 관찰자라 함은 사람을 떠올리게 되지만 등속도로 움직이는 어떤 물체를 기준으로 그 물체에 대한 빛의 속도가 얼마인가를 측정하는 것을 생각하시면 됩니다. 달리는 자동차 날아다니는 비행기 등을 기준으로 빛의 속도를 측정 할때 그것들을 관찰자라 보면 됩니다. 기준이 되는 물체.

여기서 파동의 속도가 일정해야 하는데 관찰자들은 서로 속도가 다를 수 있겠죠? 그런데 빛의 속도는 일정해야 합니다. 그래서 관찰자 마다 빛의 속도가 일정한 대신 시간과 공간이 달라지는 것입니다.

정리하면 파동은 매질에 속도가 일정한데 빛은 매질이 없어서 관찰자를 기준으로 속도가 일정(즉 관찰자의 계가 매질에 대응됩니다) 그러면 모든 관찰자는 빛의 속도를 같게 측정해야 하는데 관찰자간 속도가 다르면서 빛의 속도를 같게 측정하는 것은 말이 안되므로 시공간이 서로 달라져야 한다는 개념입니다.

일반상대성 이론은 중력이 있는 상황까지 포괄하는 일반적인 경우를 다루는 것으로 가속에 의한 관성력과 중력이 구분할 수 없음으로 부터 시작됩니다.

자동차가 가속하거나 브레이크를 밟으면 몸이 쏠리는 힘이 받죠? 그게 관성력입니다. 엘레베이터가 움직일때도 몸이 무거워지거나 가벼워 지는 것을 느끼는데 이것은 엘레비이터가 가속운동 (속도가 변하는운동)을 하기 때문입니다. 엘레베이터 안에서 밑으로 당겨지는 힘을 받으면 우린 그것이 지구가 중력을 작용하는 것인지 아니면 엘레베이터가 위로 가속하는 것인지 구분하지 못합니다.

회전하는 원판의 중심과 둘레부분에 사람이 있으면 둘레에 있는 사람은 원심력 (관성력)을 느낍니다. 중심에 있는 사람에 대해 둘레에 있은 사람은 움직이므로 특수상대성 이론에 의해 서로 시공간이 달라집니다.

그런데 중심에 있는 사람은 둘레에 있는 사람과 마주보며 중심에서 회전하게 되면 둘레에 있는 사람이 정지한것으로 보이고 단지 관성력만 느끼는 것으로 보입니다. 이것은 관성력이 시공간을 바꾸게 됨을 의미합니다.

그런데 이전에 말했듯이 관성력과 중력은 구분할 수 없으므로 중력이 시공간을 변형시킨다는 결론에 이르게 됩니다.