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실험결과/물리

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물리학파트 특수 상대성이론(理論)



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설명



물리학 및 實驗(실험) 1
특수 상대성 理論

담당 교수 : 민 병진
담당 조교 : 전 상호
학번 : 0810027
토목工學과 1학년 김 재명
`갈릴레이의 상대성 理論`

상대론이라고 하면 우리는 흔히 아인슈타인의 상대성 理論만을 생각하기가 쉽다. 그러나 원래는 갈릴레이까지 거슬러간다. 갈릴레이는 17세기 전반에 활약한 과학자이다. 그 당시 로마 교황청은 지구중심설을 채용하였다. 이에 대하여 코페르니쿠스는 지동설을 적용하면 모든 천문학적 현상을 간단히 설명(explanation)할 수 있다고 주장하였다. 지구중심설을 옹호하는 학자들은 이 지동설을 비판하는 다음과 같은 논리로 전개하였다.
“탑에서 돌멩이를 곧바로 아래로 떨어뜨리는 實驗(실험)을 생각해 보자. 돌멩이가 손을 떠나 지면에 도달할 때까지는 어느 정도의 시간이 걸린다. 만일 지구가 움직이고 있다면 이 시간 동안에도 지면은 서쪽에서 동쪽으로 이동해 간다. 따라서 돌멩이는 탑의 곧바로 아래가 아니라 탑의 서쪽으로 약간 어긋난 곳에 떨어져야 할 것이 아닌가. 그러나 실제로 돌멩이는 곧바로 아래로 떨어진다. 따라서 지동설은 잘못이다.”
이에 대하여 갈릴레이는 다음처럼 반론을 전개하였다.
“돌멩이의 낙하 實驗(실험)을 배에서 했다고 하자. 이 때 배가 일정한 속도로 움직이고 있을 때나 정지해 있을 때나 그 돌멩이의 낙하지점은 언제나 곧바로 아래쪽이다. 따라서 비록 지구가 움직이고 있어도 돌멩이는 곧바로 아래로 떨어진다. 즉 일정한 속도로 운동하고 있는 곳에서는 정지한 곳에서와 같은 낙하법칙이 적용된다된다.”
물체의 운동을 나타내기 위해서는 좌표계가 필요하다. 좌표계란 운동하는 물체의 위치를 숫자로 나타내기 위해 마련된 틀. 즉 기준이다. 운동은 상대적이므로 운동을 기술하려면 반드시 좌표계를 정해야 한다. 여기서 이 좌표계를 취하는 방식은 단 1종류가 아니다. 이를테면 지면에 고정된 좌표계를 취하거나, 일정한 속도로 움직이고 있는 배에 고정시킨 좌표계를 취해도 무방하다. 물론 사용하는 좌표계를 바꾸면 운동은 달리 보인다…(투비컨티뉴드 ) . 배의 좌표계에서 본다면 지면의 탑은 배에 대하여 운동하는 것이 된다된다. 이에 대해 배의 좌표계에 대한 배 자체는 정지하고 있는 것이다.
그러나 ‘가속도는 힘에 비례한다.’ 는 역학 법칙은 어느 좌표계에서 보아도 같다. 이것은 모든 좌표계는 서로 동등하다는 사실을 입증하는 것이기도 하다. 어떤 좌표계도 상대적이고, 절대로 절대적인 의미를 가진 좌표계는 없다는 것이다. 이러한 생각이 바로 ‘상대성 원리’이다. 물론 여기서는 좌표계로서 관성계만을 생각한다. 관성계란 등속 운동을 하고 있는 좌표계로서, ‘가속도는 힘에 비례한다.’는 법칙이 성립하는 좌표계이다.
‘지면은 움직이지 않고 배는 움직인다.’는 견해도 물체의 운동을 어느 좌표계에서 바라보느냐에 따라 달라지는 것이지, 특별히 절대적인 의미가 있는 것은 아니다. 일반적으로 항상 ‘배가 움직이는 것’ 으로 보이는 것은 우리가 평상시에 물체의 운동을 설명(explanation)할 때 지면을 좌표계로 한다는 무언의 약속을 하고 있기 때문일것이다 그러나 그것은 어디까지나 관습이지, 물리학에서는 지면의 좌표계라고 해서 결코 특별하지 않다. 지구가 움직이고 있다는 지동설은 그러한 실정을 똑똑히 보여주고 있다아
어떠한 좌표계(관성계)도 대등하게 취급되어야 한다는 주장이 바로 상대성 원리이다. ‘가속도는 힘에 비례한다.’는 뉴턴의 역학은 상대성 원리에 꼭 들어맞는다. 이 상대성 원리를 ‘갈릴레이의 상대성 理論’이라 부르기도 한다.

`아인슈타인의 특수 상대성 理論`

과거에도 상대성 理論은 존재했다. 그렇다면 현재 우리가 알고 있는 아인슈타인의 상대성 理論은 왜, 어떻게 출현하게 되었는가 과거의 상대성 理論은 왜 변경이 필요했는가
그 이유는 19세기에 크게 발전한 전기자기빛전파 등을 연구한 결과 이전의 理論으로는 설명(explanation)할 수 없는 새로운 모순이 발견되었기 때문일것이다 그 모순은 당시 큰 문젯거리가 되었는데 아인슈타인이 그 모순에 대한 최종 결론을 내렸다 할 수 있다아 사실 전기자기빛전파 등의 현상을 통일하여 설명(explanation)한 기초 방정식은


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