우주여행을 한다고 가정해서 상상해 보자. 특수상대성이론은 빛의 속도는 불변의 원리를 바탕으로 상대자에 대해 등속도로 움직이는 두 기준안에서 고전 전자기법칙이 바뀌지 않는 법칙으로 유지되는 새로운 시간과 공간의 개념을 제시한다. 20세기 초 뉴턴의 법칙과 맥스웰의 전자기론 사이의 다른 의견은 물리학의 큰 문제였다. 19세기 초 맥스웰이 전자기이론 사이의 문제를 해결하였다. 상대성원리와 빛의 속도 불변을 사이의 4차원 쌍곡선 공간의 기하학을 수학적 원리로 전개하였다.
특수상대성이론을 확실히 정립했을 뿐만 아니라 그 후에 더 발전한 소립자와 원자핵 연구의 수단으로써도 빠질 수 없는 역할을 했다. 아인슈타인은 이 특수상대성이론을 발전시켜 19세기 초 일반상대서이론을 발표하였다. 모든 관성 기준틀에서 광속이 일정하다고 가정하면, 서로 다른 속도를 가진 틀 안에서의 모든 자연법칙은 동일한 형태로 설명할 수 있다. 특수상대성이론은 빛의 속도는 변하는 않는다는 원리를 바탕으로 상대방에 대해 등속도로 나아가는 두 기준틀에서 고전 전자기법칙이 불변으로 유지되는 새로운 시간과 공간의 개념을 설명했다. 특수상대성이론은 상대성원리와 빛의 속도에 대해 불변한다는 가정을 통해 역학 법칙에만 적용되는 뉴턴의 상대성 원리를 다시 한번 재정립하였으며, 에테르의 존재를 근본적으로 부정하였다.
특수상대성이론은 다음의 두 가지 가설을 근본으로 한다.
첫째. 상대성원리의 모든 물리학의 법칙은 관성 기준틀에서 일정하게 적용된다.
둘째. 빛의 속도의 불변성이다. 빛의 속력은 보는 사람의 속도나 광원의 속도와 관계없이 모든 관성틀에 서서 동일한 값을 가진다.
이 가설을 바탕으로 특수상대성이론이 예측하는 결과를 나타낸다.
첫 번째 가설인 성대성원리에 따르면 전자기, 역학, 광학, 열역학 등의 모든 물리 법칙이 서로에 대해 일정한 속도로 나아가는 모든 기준틀에서 동일한 형태의 결과를 가진다. 이는 뉴턴의 상대성 원리를 나타낸 것으로 모든 관성 기준틀은 실험적으로 일정함을 의미한다.
두 번째 가설은 에테르의 존재를 근본적으로 부정하여 과거 논란이 되었던 에테르의 존재에 의한 광속 측정의 논란을 없앴다. 이것은 아인슈타인의 생각에 의해 세워졌으며, 이후 광속에 가깝게 운동하는 불안정한 입자인 중성 파인온이 방출하는 높은 전자기파인 감마선의 진동수를 속력으로 측정하여 이 가설을 증명했다.
동시성의 상대성은 사건의 동시성은 보는 사람의 운동 상태에 의존한다. 그리고 시간의 지연은 움직이는 기준틀의 시계는 고유시간보다 천천히 간다는 것이다. 길이의 수축은 움직이는 기준틀의 보는 사람이 측정한 물체의 길이는 원래 길이보다 짧다는 것이다. 모든 보는 사람에게 일정하고 보편적이며 절대적인 시간이 존재한다는 뉴턴의 생각과는 달리 특수상대성이론에서의 시간 간격의 측정은 그 측정을 행하는 기준에 따라 다르다. 어떤 기준에서 같은 시간에 일어난 사건이 이 기준 안에서 등속으로 움직이는 다른 기준틀에서는 동시에 발생하지 않는다. 그것은 동시성은 절대 변하지 않는 개념이 아니며 관찰자의 운동 상태에 의존하는 논리인 것이다.
길이도 기준틀에 대해 다르게 측정 결과가 나온다. 물체에 대해 움직이는 기준틀에 있는 실험자가 측정한 물체의 길이는 늘 원래 길이보다 짧다. 이 효과를 길이수축이라고 하는데 물체의 고유길이란 그 물체에 대해 정지한 관측자가 측정한 길이다. 움직이는 기준틀의 시계는 고유시간보다 천천히 흘러간다. 이 효과를 시간지연이라고 하는데 고유시간은 시계에 대해 멈춰있는 관찰자가 측정한 시간이다. 이는 19세기말 제네바의 유럽 핵에너지 협의회 실험실에서 움직이는 수명 측정을 통해 확인되었으며, 비행하는 비행기 안에 설치한 원자시계의 시간과 미국 해군 관측소의 원자시계의 시간 간격을 측정하여 이를 비교한 실험이다. 이를 통하여 이론을 확인했다.
시간지연관 관련하여 19세기 초 아인슈타인은 "한 생명체를 우리가 상자 안에 넣고 그 후 임의의 오랜 비행 후에 생명체가 조건이 거의 바뀌지 않은 채 원래의 위치로 돌아올 수 있도록 정해 놓을 수가 있다면, 이 동안 처음 지점에 남아 있던 생명체들은 새로운 세대에 자라를 이미 넘겨줬을 것이다."라고 하였다.
하지만 이것은 지구를 기준으로 생각한 결과이고 모든 운동은 상대적이므로 우주선을 기준으로 하면 그 반대의 결과가 나올 것이라고 얘기할 수도 있다. 이러한 모순점을 '쌍둥이 역설'이라고 한다. 그러나 특수상대성이론은 등속도로 움직이는 관성계만을 다루고 있는데 우주선은 출발할 때와 되돌아올 때 가속을 하여야 하기 때문에 지구를 떠나 우주선은 왕복운동하여 돌아오며, 우주선의 동생이 젊어지는 것이 옳은 결론이다. 가속의 영향까지 생각하면 일반상대성이론을 적용하여야 한다.
예를 들어보자면, 21세의 일란성쌍둥이가 있다. 그 둘은 같은 시계를 가지고 있다. 형은 지구에 있고, 동생은 지구에 대해 빠른 속력을 내는 우주선을 타고 11광년 떨어진 행성으로 여행을 다녀온다. 동생이 여행을 마치고 지구에 돌아왔을 때, 지구에 남은 형은 61세가 되는 데 비해 동생은 54.7세밖에 되지 않는다.
시간지연에 대한 또 다른 사실로 상대론적 도플러 이동이 이는데, 도플러 효과는 매질 속에서의 음원의 운동과 보는 사람의 운동에 의해 음원의 진동수가 바뀌는 것에 대한 이론이다. 도플로 효과에서는 정지된 기준틀인 매지에 대해 운동하는 음원이나 보는 사람의 절대운동을 예로 하고 있다. 그러나 빛은 매질이 없기 때문에 광원과 관찰자의 운동을 구별할 수 없다. 즉 광원이 관측자에게 가까이 다가오는 것인지, 관측자가 광원을 향해 다가가는 것인지 알 수 없다. 그러므로 소리의 경우와는 다르게 다른 공식을 얻는다.
이는 은하가 우리에게서 멀어지고 있다는 것을 뜻한다. 상대론적 도플러 효과를 통해 천문학상의 물체에서 방출되는 빛의 파장과 진동수를 이해할 수 있다. 미국의 천문학작인 허블은 이 방법을 이용하여 대부분의 은하가 지구로부터 멀어지고 우주가 팽창한다는 사실을 확인했다.
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