아인슈타인의 상대성 이론을 실생활에서 볼 수 있는 8가지 방법
아인슈타인의 상대성 이론을 실생활에서 볼 수 있는 8가지 방법
알버트 아인슈타인은 1905년 우주와 시간에서 물체의 행동을 설명하기 위해
상대성 이론을 공식화하기 시작했으며, 이 획기적인 연구를 통해 블랙홀의 존재,
중력으로 인한 빛의 굽힘, 궤도에 있는 행성의 행동 등을 예측할 수 있습니다.
이론은 믿을 수 없을 정도로 간단합니다. 첫째, '절대적인' 기준 프레임은 없습니다:
물체의 속도, 운동량 또는 물체가 시간을 경험하는 방식을 측정할 때마다
물체는 항상 다른 물체와 관련이 있습니다.
둘째, 빛의 속도는 누가 측정하든, 측정하는 사람이 얼마나 빨리 가든 동일합니다.
셋째, 빛보다 더 빨리 갈 수 있는 것은 없습니다.
아인슈타인의 가장 유명한 이론은 깊은 의미를 지니고 있습니다.
빛의 속도가 항상 동일하다면, 지구를 상대로 매우 빠르게 이동하는 우주비행사가 지구로 향하는 관찰자보다
더 느리게 똑딱거리는 초를 측정한다는 뜻입니다.
우주비행사의 시간은 본질적으로 느려지는데, 이를 시간 확장이라고 합니다.
큰 중력장에 있는 모든 물체는 가속하므로 시간 확장도 경험합니다.
한편 우주비행사의 우주선은 길이 수축을 경험하기 때문에
우주선이 지나갈 때 사진을 찍는다면 우주선이 움직이는 방향으로 "짜부"된 것처럼 보일 것입니다.
하지만 탑승한 우주비행사에게는 모든 것이 정상처럼 보일 수 있습니다.
또한 지구인의 관점에서 볼 때 우주선의 질량은 증가하는 것처럼 보일 것입니다.
하지만 상대론적 효과를 보기 위해 우주선이 반드시 근광속을 확대할 필요는 없습니다.
아인슈타인의 말이 옳았다는 것을 보여주는 몇 가지 상대성 사례와
오늘날 우리가 사용하는 기술이 일상 생활에서 볼 수 있습니다.
다음은 행동 중인 상대성 이론의 몇 가지 일반적인 예입니다.
상대성이론 - 전자석
자기는 상대론적 효과이며, 발전기에서 이를 입증하는 것을 볼 수 있습니다. 전선 고리를 가져다가 자기장을 통과시키면 전류가 생성됩니다. 전선의 하전 입자는 변화하는 자기장의 영향을 받아 일부 입자가 움직이게 되고 전류가 생성됩니다.
하지만 이제 정지된 전선을 상상하고 자석이 움직이는 것을 상상해 보세요. 이 경우 전선의 하전 입자(전자와 양성자)는 더 이상 움직이지 않으므로 자기장이 영향을 미치지 않아야 합니다. 하지만 여전히 전류가 흐르고 있습니다. 이는 권한 있는 참조 프레임이 없음을 보여줍니다.
캘리포니아 클레어몬트에 있는 포모나 칼리지의 물리학 교수인 토마스 무어는 상대성 이론을 사용하여 자기장이 변화하면 전류가 발생한다는 패러데이의 법칙을 증명합니다.
무어는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "이것이 변압기와 발전기의 핵심 원리이기 때문에 전기를 사용하는 사람이라면 누구나 상대성 이론의 영향을 경험하고 있습니다."라고 말했습니다.
전자석은 상대성 이론을 통해서도 작동합니다. 전선에 전하의 직류 전류가 흐르면 전자가 물질을 통해 이동합니다. 일반적으로 전선은 양성자(양전하)와 전자(음전하)의 수가 거의 같기 때문에 순 양전하나 음전하가 없는 전기적으로 중성인 것처럼 보입니다. 하지만 일리노이 대학교 어바나-샴페인의 물리학자들에 따르면 직류 전류가 흐르는 다른 전선을 옆에 놓으면 전류가 움직이는 방향에 따라 전선이 서로 끌어당기거나 밀어냅니다.
전류가 같은 방향으로 움직인다고 가정하면, 두 번째 전선의 전자는 첫 번째 전선의 전자에 비해 움직이지 않습니다. (이는 전류의 세기가 거의 같다고 가정합니다.) 한편, 두 전선의 양성자는 두 전선의 전자에 비해 움직이고 있습니다. 상대론적 길이 수축으로 인해 와이어 길이당 음전하보다 더 가까운 간격으로 보이기 때문에 양전하가 더 많이 발생합니다. 전하가 반발하는 것처럼 두 전선도 반발하기 때문입니다.
일리노이 대학교 어바나-샴페인에 따르면 반대 방향의 전류는 첫 번째 전선에 비해 다른 전선의 전자가 더 붐벼서 순 음전하를 생성하기 때문에 인력을 유발합니다. 한편, 첫 번째 와이어의 양성자는 순 양전하를 생성하고 있으며 반대 전하는 끌어당깁니다.
상대성이론 - GPS 내비게이션
PhysicsCentral에 따르면 자동차의 GPS 내비게이션이 정확하게 작동하려면 위성이 상대론적 효과를 고려해야 합니다. 위성이 빛의 속도에 가까운 곳으로 움직이지는 않지만 여전히 꽤 빠르게 움직이고 있기 때문입니다. 위성은 지구의 지상국에도 신호를 보내고 있습니다. 이러한 스테이션(그리고 자동차나 스마트폰의 GPS 기술)은 모두 궤도에 있는 위성보다 중력으로 인해 더 높은 가속도를 경험하고 있습니다.
정확한 정확도를 얻기 위해 위성은 몇 나노초(10억 분의 1초)까지 정확한 클럭을 사용합니다. 각 위성은 지구 상공 12,600마일(20,300킬로미터)에 있으며 시속 약 6,000마일(시속 10,000킬로미터)로 이동하기 때문에 매일 약 4마이크로초 동안 상대론적 시간 확장이 이루어집니다. 중력의 영향을 더하면 시간 확장 효과가 약 7마이크로초(백만 분의 1초)까지 증가합니다.
그 차이는 매우 현실적입니다: Physics Central에 따르면 상대론적 효과가 설명되지 않는다면 다음 주유소까지 0.5마일(0.8km) 떨어진 곳에 있다는 GPS 장치는 단 하루 만에 5마일(8km) 떨어져 있을 것입니다.
상대성이론 - 의 노란색
대부분의 금속은 원자의 전자가 서로 다른 에너지 준위, 즉 "궤도"에서 뛰어내리기 때문에 반짝반짝 빛납니다. 금속에 부딪힌 일부 광자는 파장이 길면 흡수되어 다시 방출됩니다. 그러나 대부분의 가시광선은 반사됩니다.
독일 하이델베르크 대학교의 성명에 따르면 금은 무거운 원소이기 때문에 내부 전자는 상대론적 질량 증가와 길이 수축이 상당할 정도로 빠르게 움직입니다. 그 결과 전자는 더 짧은 경로로 핵 주위를 회전하며 더 많은 운동량을 갖게 됩니다. 내부 궤도의 전자는 외부 전자의 에너지에 더 가까운 에너지를 전달하며, 흡수되고 반사되는 파장은 더 깁니다. 빛의 파장이 길다는 것은 일반적으로 반사되는 가시광선 중 일부가 흡수되어 스펙트럼의 파란색 끝에 빛이 있음을 의미합니다. 백색광은 무지개의 모든 색을 혼합한 것이지만, 금의 경우 빛이 흡수되어 재방출되면 일반적으로 파장이 더 길어집니다. 즉, 우리가 보는 광파의 혼합은 파란색과 보라색이 적은 경향이 있습니다. BBC에 따르면 노란색, 주황색, 빨간색 빛은 파란색 빛보다 파장이 길기 때문에 금은 노란색으로 보입니다.
상대성이론 - 금의 부식 저항성
1998년 골드 게시판 저널에 실린 논문에 따르면 금의 전자에 대한 상대론적 효과는 금이 다른 어떤 것과도 쉽게 부식되거나 반응하지 않는 이유 중 하나이기도 합니다.
금은 겉껍질에 전자가 하나밖에 없지만 여전히 칼슘이나 리튬만큼 반응성이 높지 않습니다. 대신 금의 전자는 원래보다 "더 무겁다"고 생각하기 때문에 빛의 속도 근처에서 움직이고 질량을 증가시키기 때문에 원자핵에 더 가깝게 고정됩니다. 즉, 가장 바깥쪽 전자는 어떤 것과도 반응할 수 있는 곳이 아니라 핵에 가까운 전자 중 하나일 가능성이 높다는 뜻입니다.
상대성이론 - 액체 수은
수은은 또한 전자가 속도와 그에 따른 질량 증가로 인해 핵에 가까이 고정되어 있는 무거운 원자이기도 합니다. 케미스트리 월드에 따르면 수은 원자 간의 결합은 약하기 때문에 수은은 낮은 온도에서 녹으며 일반적으로 수은을 볼 때 액체입니다.
상대성이론 - 이전 TV
2000년대 초반까지만 해도 대부분의 TV와 모니터에는 브라운관 스크린이 있었습니다. 음극선 튜브는 큰 자석으로 형광체 표면에 전자를 발사하여 작동합니다. 각 전자는 화면 뒷면에 닿으면 빛이 들어오는 픽셀을 만들고, 전자는 빛의 최대 30% 속도로 사진을 움직이게 합니다. PBS 뉴스 아워에 따르면 상대론적 효과가 눈에 띄는데, 제조업체가 자석을 성형할 때 이러한 효과를 고려해야 했습니다.
상대성이론 - 빛
아이작 뉴턴은 절대 휴식 프레임 또는 다른 모든 기준 프레임과 비교할 수 있는 외부 완전 기준 프레임이 있다고 가정했습니다. 그가 옳았다면 빛에 대한 다른 설명을 내놓아야 했을 텐데, 그 이유는 전혀 일어나지 않았기 때문입니다.
무어는 "상대성 이론에 따르면 전자기장의 변화가 즉각적이 아닌 유한한 속도로 움직여야 하기 때문에 자성이 존재하지 않을 뿐만 아니라 빛도 존재하지 않을 것입니다."라고 말했습니다. "상대성 이론이 이 요구 사항을 시행하지 않는다면 ... 전기장의 변화는 전자기파가 아닌 즉각적으로 전달될 것이며, 자성과 빛은 모두 불필요할 것입니다."
상대성이론 - 태
아인슈타인의 가장 유명한 방정식인 E = mc^2가 없었다면 태양과 나머지 별들은 빛을 발하지 못했을 것입니다. 오하이오 주립대학교에 따르면 우리 부모 별의 중심부에는 격렬한 온도와 압력으로 인해 네 개의 개별 수소 원자가 하나의 헬륨 원자로 끊임없이 압축됩니다. 헬륨 원자 한 개의 질량은 수소 원자 네 개의 질량보다 약간 적습니다. 여분의 질량은 어떻게 되나요? 이는 직접 에너지로 변환되어 지구에 햇빛으로 나타납니다.
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