아인슈타인 상대성 이론, 중력은 가속도로 설명할 수 있고 중력장 안에서는 공간 휘어짐이 발생한다?

아인슈타인 중력을 설명하기 위해 상대성 이론을 만들다?

특수 상대성 이론에 중력을 넣고 싶었던 아인 슈타인, 그러나 중력을 넣을 수 없었다.

특수 상대성 이론은 등속의 세계인데 반해 중력은 가속의 세계이기 때문이다.

 

*가속도 운동은 방향이나 속도가 변하는 운동을 말한다.

예전에 속도가 변하는 건 말 그대로 가속도 운동이 맞는데 왜? 방향만 바뀌는 등속 원운동도 가속도 운동이라 하지 그냥 이해 못 하고 그냥 외웠는데 오늘 영상 보면서 궁금중이 풀린 것 같기도 하다.

 

가속도에서 속도가 아닌 공간의 움직임에 초점을 맞추니 이해가 됐다.

무중력 우주선 안

보면 가속도 운동은 공간의 움직임이다. 쉽게 설명해 우주선이 있고 그 안에 사람이 있다면 우주선에 엔진을 켜고 가속도 운동을 하게 되면 사람은 반대 방향으로 쏠리는 현상, 중력과 같은 힘을 느끼게 된다. 아인슈타인이 그래서 가속도가 중력과 같은 거라고 결론 내리고 가속도 안에서 발생하는 현상에 주목했다.

 

 

 

우주선에 속도를 높임(가속도 상태)

 

그런데 자세히 관찰해 보면 사람은 움직이지 않았다. 우주선이라는 공간이 움직인 것 뿐이다. 그러니 속도에 초점을 맞추는 것이 아니라 공간의 움직임으로 가속도를 이해해야 한다. 그전에 가속도라는 속도 단어 자체에 너무 집착했던 것 같다.

 

 

 

몸이 가속도 반대 방향을 쏠림

 

가속도 상태에서 발을 디디고 보니 지구에서 서 있는 것과 같음, 가속도=중력

가속도가 계속 발생하면 몸은 반대방향으로 계속 쏠리는데(중력), 마찬가지로 원운동을 한다고 가정해 보자 방향이 계속 바뀌면서 반대방향으로 계속 쏠릴 것이다. 물체의 특정 방향으로 힘이 계속 작용하는 것과 같다. 공간 안의 물체는 가만히 있는데 공간은 한쪽 방향으로 계속 움직이고 쏠림현상이 계속 발생한다. 맞나? 이렇게 이해하면 원운동도 가속도 운동이 되는 게 맞는 거 같은데 잘 이해한 건가?

 

 

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암튼 아인슈타인이 중력을 어떻게 설명하는지 보자.

보이는 것은 태양 달 지구 순서대로 놓인 개기 일식이다. 평상시는 태양 뒤쪽 별이 있어도 태양 빛이 별빛을 가려 보이지 않겠지?

 

 

그런데 개기 일식에서는 별빛이 보인다. 왜지? 빛은 일직선으로 움직이다 보니 앞에 태양에 가려서 보이지 않을 텐데... 그런데 보인다. 왜? 빛은 태양 주위(중력장)에서 휘어지기 때문이다. 애딩턴이 이 실험으로 아인슈타인의 상대성이론 중력장 안에서 공간은 휘어진다는 이론을 증명하려 했다.

 

개기 일식 달이 태양을 가렸다. 그랬더니 평소 태양 빛으로 보이지 않던 태양 반대편 별빛이 보이기 시작했다. 

 

 

원운동에서 공간의 휘어짐 문제

원운동(가속도 운동)

원의 둘레를 기차라고 하고 기차가 빨리 돌고 있다고 생각해 보자. 

 

 

특수 상대성 이론에 의하면 빠르게 움직이는 것은 길이가 짧아짐 빠르면 빠를 수록 짧아짐 지름도 바뀌지 않았고 파이값도 변하지 않았는데 왜 둘레는 줄어들까?

 

지구로 보는 공간 휘어짐

워싱턴에 있는 이슬람 사원 절을 할 때 북동쪽으로 절을 한다.

 

 

절의 방향이 메카가 아니라 세계지도로 살펴보니 프랑스를 지나 러시아 쪽으로 향한다.

 

 

 

 

이는 지구는 둥글다는 것을 무시한 것이고 실제로 워싱턴에서 메카를 향해 가장 빠른 직선을 그어보니,

 

 

워싱턴에서 보니 북동쪽을 향한 게 맞다.

 

 

다시 지구본을 평면으로 펴보니 선은 북동쪽에서 남동쪽으로 향했다. 원래 북동쪽을 향한 게 메카 방향이 맞다는 걸 증명

 

 

 

여기서 원운동의 문제에 리만의 수학을 적용해 원운동을 하는 열차가  점점 짧아져 선로를 벗어나는 것은 바로 공간이 휘어져 있기 때문이었음. 이렇게 휜 공간에서 파이 값은 달라짐  휘어짐의 크기는 기차 속도에 따라 변함 기차 속도의 크기는 중력의 크기?

 

 

중력을 자유낙하로 보는 무중력 상태에서 특정 방향으로 가속도를 발생했을때 현상으로 설명 

자유 낙하 상태에서는 무게를 느낄 수 없다. 즉 무중력 상태와 같음 아래 우주선 실험으로 보면 더 이해하기 쉬움

 

다시 자유 낙하 운동, 선을 메단 우주선

 

 

가위로 선을 끊었더니 지구로 떨어지면서 우주선 안은 사람은 무게를 느낄 수 없는 무중력과 같은 상태가 된다.

 

 

 

 

사람이 우주선 안에서 붕 떠있다.

 

 

이때 사과를 옆으로 밀면 사과는 밑으로 떨어지지 않고 옆으로만 간다. 이역시 무중력 상태임을 설명하는 것이다.

 

자유 낙하 상태와 같은게 우주 상태 , 즉 우주에서 우주선에 엔진을 켜서 가속도 발생시킴

자유 낙하는 중력이 없는 우주 상태와 같은데, 같은 상태인 우주에서 우주선에 엔진을 가동해 보자. 이때 가속도가 발생하고 사람 몸은 아래로 떨어지고 가속도가 클수록 무게를 크게 느낀다. 이는 중력과 같은 현상이다. 즉 중력은 가속도로 설명할 수 있다.

 

그런데 엄밀히 말해 사람이 움직인 것이 아닌 우주선 안의 공간이 움직인 것이다. 정리하면 중력은 가속도로 설명할 수 있고 가속도는 공간의 움직임이다라는 단계까지 발전함.

 

가속도 공간에서 일직선으로 움직이던 물체와 빛이 휘어져 밑으로 떨어지는 것을 설명

가속도 즉 중력이 발생한 우주선 안에서 다시 사과를 옆으로 밀어보자.

 

 

 

우주선이 위로 가속하면서 무가속일 때 마치 일직선으로 가던 물체와 빛이 휘어지면서 밑으로 떨어지는 것 같이 느껴짐.

 

 

 

빛은 일직선으로 가고있지만, 우주선의 가속도 움직임에 의해 곡선 형태로 밑으로 떨어지는 것과 같은 현상을 관찰할 수 있음.. 다시 정리하면 중력은 가속도고 가속도는 공간의 움직임인데, 빛이나 물체의 일직선 움직임이 휘어지는 걸 발견함 즉 가속도 공간이 휘어졌다고 볼 수 있음. 결국 중력장 안은 휘어져 있다는 결론에 이름.

 

 

 

고로 질량을 가진 태양이나 지구 등 행성의 중력장 안에서는 주위 공간의 휘어짐이 발생한다.

 

 

다시 개기 일식을 보자.

 

 

 

 

태양 뒤에 별 빛이 일직선을 움직이다.

 

 

 

태양의 중력장의 휘어진 공간을 따라 움직인다.

 

 

 

휘어진 공간을 따라 움직이며 지구에 도달할 수 있는 것이다.

 

 

애딩턴은 이런 아인슈타인의 상대성 이론인 중력은 가속도고 그 가속도 공간을 관찰했더니 공간이 휘어지더라 즉 중력장 안에서는 공간이 휘어진다는 이론을 통해,

 

 

 

멀리 떨어진 별빛은 태양의 중력장 때문에 휘어질 것이다라는 예측을 

 

 

 

에딩턴은 개기 일식 때 사진을 찍어 증명하려 결심하고, 그것을 통해 태양의 굴절률도 측정한다는 계획을 세움.

 

 

결국 1919년 에딩턴은 아프리카 작은 섬으로 찾아가 개기 일식을 촬영하면서

 

 

 

아인 슈타인의 상대성 이론 중력장 안에서 공간을 휘어졌다는 이론을 개기 일식을 통한 별을 관찰해 냄으로써 증명함.

 

 

* 아인슈타인의 상대성 이론이 가지는 의미

 

뉴턴의 만유인력 즉 중력은 서로 끌어당긴다는 개념에서 중력은 가속도이고 가속도 공간에서는 공간의 휘어짐이 발생한다 결국 중력은 공간의 휘어짐이다라고 생각의 패러다임을 바꿈.