상대성 이론

특수상대성이론을 보면 관성 좌표계에서 물리 법칙은 동인 한 원칙으로 적용되며, 보는 사람이나 광원의 속도에 상관없이 진공 중에서 진행하는 빛의 속도는 동일하며 빛보다 빠른 건 없다. 그리하여 시간과 공간은 속도에 따라 상대적이다. 또 일반상대성이론에 보면 가속 좌표계에서 중력과 관성력은 근본적으로 같은 것이고 강한 중력은 시간과 공간을 휘게 하며 정지한 쪽의 시간이 더 길게 간다. 

상대성 이론은 아인슈타인이 주장한 생물, 이 나간, 행성, 항성, 은하 크기 이상의 큰 세계를 다루는 이론이다. 양자역학과 함께 우주에 근본적으로 작용하는 법칙을 설명하는 이론이자 현대 물리학에서 우주를 이해하기 위해 사용하는 두 개의 기본적인 이론이다. 시공간을 물질과 에너지를 합하는 데에 성공해 빛과 어둠을 인류에게 가져다주었다. 이것이 바로 특수 상대성 이론에서 제시된 질량과 에너지 등가 방정식이다. 

빛의 속도와 멕스웰이 예견한 전자기파 속도가 일치했으므로 곧 빛이 전자기파라는 이론이 퍼져 있었는데 양쪽의 거울이 같은 방향으로 등속 운동할 때 외부에서 보는 사람이 봤을 때는 거울 사이의 빛의 이동 속도가 더 빨라야 했다는 아이러니한 상황을 발생시켰다. 멕스웰 이론에 보면 전자기파속도는 매질의 투자율과 유전율을 곱한 것의 제곱근 반비례하므로 동일하다는 매질의 속도는 일정해야 되겠다. 상대성 이론을 보면 시간 지연, 길이 수축 등 역학과 관련된 현상을 많이 생각한다. 이런 것들은 광속 불변의 원리에서 나오게 되며, 상대성 이론의 출발점은 광속과 관련한 문제였다. 광속의 단서는 맥스웰 방정식에 있었던 것이었다. 뉴턴 역학의 제2법칙과 갈릴레이의 상대성 원리에서는 광속과 관련한 내용을 찾아볼 수 없다. 

하지만 맥스웰 방정식은 자기장과 전기장의 파동 방정식을 도출할 수 있는데, 전자기장의 지겹 영 속력이 보는 사람에 상관없이 언제나 빛의 속도로 나오는 것이었다. 빛의 속도 불변 외에도 자기 현상의 유무가 보는 사람마다 다르게 나타나는 문제도 있었다. 만약에 점전하가 멈춰 있다고 할 때, 보는 사람은 전기장만을 관측하지 자기장은 나타나지 않는다. 하지만 움직이는 관측자가 볼 때에는 전하가 움직이고 있어서 자기장이 발생한다. 전기장은 전하 분포에 따라 생겨나고, 자기장은 전하가 움직일 때 형성된다. 그렇듯 여러 가지 전자기 현상에서 예상하지 못한 결론이 많이 나왔다. 당시 과학자들은 뉴턴 역학을 버릴 수는 없었고, 맥스웰 방정식에 논리적 차이가 있을 거라고 생각했다. 

이 실험이 바로 마이컬슨 몰리 실험인데 이 실험은 에테르의 존재를 밝혀내기 위해 만들어졌다. 이 실험을 통해 광속이 좌표계에 따라 달라지는지 여부를 알 수 있다. 지구의 공전 방향에 따라 빛의 상대적 속도가 미묘하게 달라질 것이고, 간섭계에는 작은 다른 간섭무늬가 나타날 것이라고 생각하였다. 그러나 실험의 결과는 에테르는 없고, 광속은 일정했다. 맥스웰 방정식은 언제나 옳다는 결론이 나와버렸다. 

뉴턴 역학과 맥스웰 방정식에 모두 같은 변환식으로 갈릴레이 변환 대신 로런츠 변환이 나오기도 하였다. 로런츠 자신은 그 변환식의 물리적 의미를 풀어내지 못하였다. 아인슈타인이 상대성 이론을 정립하면서 이것을 해결하게 된다.  

특수 상대성 이론은 등속으로 운동하는 시스템에만 적용할 수 있다. 보통 적용을 위하여 중력을 재해석한 것이 일반 상대성 이론이다. 그 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다. 

첫 번째로 강한 중력은 시공간을 휘게 한다. 두 번째는 정지한 쪽의 시간이 더 길게 간다. 세 번째는 중력과 가속도는 구별할 수 없는, 본질적으로 같은 것이다. 

시간 지연은 단순히 운동계의 시간이 더 빨리 간다는 의미를 가지고 있다. 그래서 뒤에 나오는 쌍둥이의 패러독스와는 의미가 많이 다르다. 쌍둥이의 패러독스는 단순히 쌍둥이 둘 중 한 명이 늙는다는 것이 아니다. 운동 속도에 따라 각자 시공간을 상대적으로 느낀다는 것이 상대성이론의 결론 중 하나이다. 그래서, 어떤 속도로 이동하더라도 자기 자신이 체험하기에는 언제나 정상적인 속도로 시간이 흐른다. 질량이 큰 물체는 큰 중력을 발생시키고 그 주변공간은 휘어진다. 

예를 들어 철로를 따라 달리는 기차를 생각하면 된다. 기차는 그저 직진만 할 뿐이다. 철로를 따라 그저 직진을 해도 철로가 휘어져 있으면 결국 최어진 길을 따라 이동하기 때문에 멀리서 기차를 보면 마치 핸들을 움직이는 것처럼 보일 것이다. 

빛도 그와 같이 빛 스스로는 그냥 직진을 할 뿐이지만, 빛이 이동하는 공간이 휘어져있을 경우 그 공간을 따라 빛이 이동하는 것이 멀리서 보면 휘어지는 것처럼 보인다. 아인슈타인이 이런 주장을 한 후 빛이 중력을 가진 물체 옆에서 휘어지는 것이 확인되었다. 

패러다임 이론을 주장한 토마스 쿤이라는 과학철학자는 과학혁명의 구조에서 상대성 이론에서 말하는 시간, 위치, 지량 등의 개념과 뉴턴 역학에서의 시간, 위치, 질량 등의 개념이 다르기 때문에 뉴턴 역학이 상대성이론에서 유추되지 않는다고 주장했다. 수학적인 과정을 거치면 비슷한 이론일지 몰라도, 기본 아이디어의 개념이 전혀 다른 이론이라는 것, 바로 상대성이론이 등장하면서 패러다임의 변화가 일어나 예전의 정상과학이었던 뉴턴역학을 뒤로하고 상대성이론이 새로운 과학의 자리에 나타난 것이다. 

상대성이론은 뉴턴의 물리학을 끝내고 새로운 물리학을 제시했다. 그리고 뉴턴 역학의 가장 중요한 것은 뉴턴의 운동법칙은 옳은 측정값을 내놓는다. 하지만 뉴턴 역학의 기본 가정 중 하나는 절대적인 시공간은 현실과 맞지 않았기에 상대성 이론이 뉴턴 역학을 부정한 것이 된다.