이론물리학자인 알베르토 아인슈타인의 상대성이론은 현대 물리학의 기본이 되는 중요한 이론이지만 블랙홀 등 복잡한 현상에 관계하는 것이라고 하는 이미지도 있어서 일상생활에 체감하기 어려울 것이라고 생각하기 쉽습니다. 과학계 미디어의 Live Science가 실생활에서 상대성이론을 실감하는 8가지 방범을 정리했습니다.
8 ways you can see Einstein's theory of relativity in real life | Live Science
https://www.livescience.com/58245-theory-of-relativity-in-real-life.html
8 Ways You Can See Einstein's Theory of Relativity in Real Life
Relativity is one of the most famous scientific theories of the 20th century, but how well does it explain the things we see in our daily lives?
www.livescience.com
상대성이론은 블랙홀의 존재나 중력에 의한 빛의 굴절, 궤도상의 행성의 거동 등을 예측하는데 도움이 됩니다. Live Science는 상대성이론에 대해 “물체의 속도·운동량·시간이라는 것은 절대적이지 않고 관측에 따라 상대적인 것이고 빛의 속도는 누가 측정해도 일정하며 빛보다 빠른 것은 없다는 요소로 이루어져 있다고 설명합니다.
이러한 이론의 요소는 2명의 관찰자가 측정하는 경과시간은 상대적인 속도차와 중력장의 차이에 의해 차이가 생긴다(시간 지연)는 점과 운동하는 물체의 길이가 고정된 물체보다 짧게 측정된다(길이 수축)는 현상을 설명합니다. 예를 들어 고속으로 이동하는 우주선을 타는 관측자의 시간이 지구상과 비교해 짧아지거나 비행 중의 우주선의 사진을 촬영하면 운동방향으로 눌린 것처럼 보이는 현상은 상대성이론으로 설명할 수 있다는 것.
그러나 상대성이론을 실감하기 위해서는 반드시 우주선이나 광속에 가까운 속도로 이동하는 물체를 예로 들 필요는 없고 일상생활이나 주위에 사용되고 있는 기술에서도 상대성이론을 실감할 수 있다고 8가지 사례를 듭니다.
◆1: 전자석
코일을 자석 부근에서 움직이면 코일 내의 하전입자가 자기장의 영향으로 이동하여 전류가 흐르는데, 반대로 코일을 정지시킨 상태에서 자석을 이동시킨 경우에는 코일 내의 하전입자는 움직이지 않아야 하지만 전류가 생성됩니다. 이것은 절대적인 좌표가 존재하지 않고 상대적이라는 것을 시사하고 있다는 것. 미국 캘리포니아주 포모나 칼리지의 물리학 교수인 토마스 무어는 “이것은 변압기나 발전기의 중심적인 원리이기 때문에 전기를 사용하는 사람은 누구나 상대성이론의 영향을 받고 있다”고 말합니다.
또한 자성재료의 심에 코일을 감아 통전시킴으로써 자력이 발생하는 전자석
도 상대성이론에 의해 기능하고 있습니다. 코일에 직류전류를 흘리면 양자와 전자의 수가 균형을 이루고 있기 때문에 코일은 전기적으로 중성으로 보이지만 그 옆에 똑같이 직류전류가 흐르는 코일을 두면 전류의 방향에 따라 코일은 끌어당기거나 반발합니다. 이것은 상대성이론에 기초한 길이의 수축과 관련된 현상으로 상대성이론이 없으면 설명할 수 없습니다.
◆2：GPS 내비게이션
지도앱 등에 사용되는 GPS를 제공하는 인공위성은 광속에는 미치지 않지만 상당히 빠른 속도로 움직이고 있기 때문에 지상국에 신호를 보낼 때 상대성이론을 고려하지 않으면 정확하게 동작하지 않습니다. 인공위성은 고속이동이나 중력에 의한 상대성이론적인 시간의 지연을 고려해 수 나노초 정밀도의 시계를 사용해 약 7마이크로초의 보정을 실시하고 있다고 합니다. 만약 상대성이론이 존재하지 않았다면 오늘의 시점에서는 A지점에서 B지점까지 0.8km 남아있다고 나타내던 GPS가 1일 후에는 A지점으로부터 B지점까지 8km 남아있다고 나타낼 것이라고 Live Science는 설명합니다.
◆3：금의 황색을 띤 광택
금속 대부분에 광택이 존재하는 원리는 금속 내부를 이동하는 자유전자가 외부로부터 들어온 광자의 일부를 흡수·재방출하는 과장에서 비롯됩니다. 금의 노란색 광택은 금속 대부분에서는 반사되어 버리는 청색의 파장까지 흡수·재방출하기 때문으로 금의 자유전자가 광속에 가까운 속도로 이동해 상대성이론에 기초하여 질량이 증가하고 있는 것이 이유라고 합니다.
◆4：부식에 대한 금의 내성
금의 자유전자가 빛에 가까운 속도로 이동하고 있다는 것은 금의 부식 내성에도 영향을 미친다는 것. 상대성이론에 근거하여 고속으로 이동하는 금의 전자는 통상의 전자보다 질량이 증가하고 있기 때문에 원자핵의 가까이로 끌려갑니다. 그 결과로 금은 다른 물질과 반응하기 쉬운 외측에 있는 전자가 적기 때문에 부식하기 어려운 성질을 가지고 있다고 합니다.
◆5：액체 수은
금과 같이 무거운 원자인 수은도 전자의 이동속도와 거기에 따른 질량증가로 인해 전자가 원자핵의 근처에 유지되고 있습니다. 이 영향으로 수은원자 간의 결합이 매우 약하기 때문에 저온에서도 고체에서 액체로 변화한다고 합니다.
◆6：오래된 TV
2000년대 초반까지 제조된 많은 TV나 모니터에 사용되고 있던 브라운관은 큰 자석을 이용하여 전자빔을 형광체에 조사함으로써 발광시키고 있었습니다. 이 때에 조사되는 전자의 스피드는 광속의 최대 30%에 달해 제조자는 상대성이론의 영향을 고려하면서 제조했다고 합니다.
◆7：빛
무어 씨는 “상대성이론에서는 전자기장의 변화는 순간적이지 않고 유한속도로 움직이는 것이 요구된다”며 만약 상대성이론이 존재하지 않으면 전기장의 변화는 전자파를 통하지 않고 순식간에 전해져 버린다고 지적합니다. 그런 경우 자기도 빛도 불필요해져 버리고 빛의 존재를 설명할 수 없다고 주장합니다.
◆8：태양
상대성이론에서는 질량과 에너지는 가환이라고 설명하고 있으며 유명한 'E=mc^2'라는 수식은 이것을 나타내는 것. 태양의 핵융합에서는 4개의 수소의 원자핵이 하나의 헬륨 원자핵이 되고 있으며 반응 후에 남은 질량이 열이나 빛이라는 에너지로 변환되기 때문에 지구까지 열이나 빛이 도착하고 있습니다. 질량과 에너지가 교환 가능하다는 것을 나타내는 상대성이론은 태양이 열과 빛을 발산하는 원리를 설명하는데 있어서도 중요합니다.
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