아인슈타인의 늘었다 줄었다 하는 <상대시간>

아인슈타인의 늘었다 줄었다 하는 <상대시간>

 

 

 

1, 아인슈타인의 <특수상대성이론>

 

   19세기에 들어서 오스트리아의 물리학자 마흐가 우주의 모든 물질이 없어진다면 아무런 변화도 일어나지 않으므로 시간 그 자체가 존재하지 않게 된다. 따라서 시간은 절대적인 것이 아니라 물질과의 상대적 관계로 존재한다는 개념 <상대시간>을 주장하였다.

===*에른스트 마흐(Ernst Waldfried Josef Wenzel Mach、1838-1916)=오스티리아의 물리학자, 과학사가, 철학자. ===

이것이 독일 물리학자 알버트 아인슈타인의 상대성이론에 크게 영향을 끼쳤다.

아인슈타인은 1905년에 발표한 특수상대성이론에서 <시간의 진행 방법은 관측자끼리의 엇갈림의 속도(상대속도)가 작을 때는 눈에 보이는 시간의 차가 되지 않으나 상대속도가 아속도(亞速度=광속에 가까운 속도)가 되면 눈에 보이는 시간의 차가 나타나므로 어떤 때라도 일정하지 않고 관측자에 따라 다르다.>고 주장하였다.

이것은 <시간은 관측자마다에 존재한다.>는 것이 되고 또 그 때까지의 물리이론에서는 개념상 떨어져 있던 시간과 공간을 연결하여 시간과 공간이 일체가 된 <시공>이라는 개념을 만들고 그 <시공은 관측자의 운동 상태에 따라 느리거나 왜곡되어 변화한다.>고 하는 충격적인 이론이었다.

출처=museum.seiko.co.jp

 

2, 어째서 시간은 늘었다 줄었다하는가

 

   그의 이론을 알기 쉽게 말하면 <멈추어 있는 사람이 보면 광속으로 움직이고 있는 사람의 시계가 나타내는 시간은 늘어난다.>고 하는 것이다.

광속은 <광속도 불변의 원리>에 따라 멈추어 있는 사람이 보아도 광속에 가까운 우주선에 타고 있는 사람이 보아도 같은 30만 Km/초로 이동하고 있다. 여기서는 가령 밑바닥과 뚜껑의 위아래에 거울이 있는 광시계가 지상에 멈추어 있는 사람 측에도 우주선에 타고 있는 사람 측에도 하나씩 있어서 각각의 광시계의 밑바닥의 광원의 거울에서 나온 빛이 뚜껑의 거울에 도달하기까지 어느 쪽도 1초가 걸린다고 하자 우주선에 타고 있는 사람이 우주선 안에서 시간을 잰다고 한다. 멈추어 있을 때와 같은 1초의 시간이 같게 경과한다. 이것은 <상대성원리>에 의하여 우주선도 그 안의 시계도 같은 속도로 움직이고 있으므로 멈추어 있는 때와 같은 물리현상이 일어나는 것이 된다.한편 지상에 멈추어 있는 사람이 지상에서 광속에 가까운 속도로 움직이고 있는 우주선의 시계를 본다고 가정하면 지상에 멈추어 있는 시계보다 우주선은 엽 방향으로 아득히 긴 거리를 나가고 있으므로 지상의 광시계로 1초가 경과하여도 우주선 안의 광시계는 아직 1초가 경과하지 않은 현상이 나타난다. 이래서 <멈추어 있는 사람이 보면 움직이고 있는 사람의 시간은 느리다.>고 하는 것이 증명된다.

<우라시마 효과>라는 말이 있는데, 우주선을 타서 광속에 가까운 속도로 우주여행을 하여 수년 후에 지구에 돌아오면 아광속(광속에 가까운 속도)의 우주여행 중에는 시간의 진행이 느리므로 거기는 아득한 미래의 지구였다.이 광속에 가까워지면 일어나는 시간의 줄어듦에 시간만이 아니라 사물, 혹은 공간자체도 줄어들어 그 때 질량과 에너지가 늘어난다고 하는 사실을 더한 것이 소위 <특수상대성이론>이다.

출처=museum.seiko.co.jp

 

3, 중력의 영향을 가미한 <일반상대성이론>

 

   다시 이것에 중력의 영향이나 가속, 감속을 가미한 중력이론이 <일반상대성이론>이다.

간단히 말하면 중력도 시간이 느려지게 하는 원인이 된다는 셈이다. 중력은 지구의 중심에서 떨어질수록 약해지므로 에베레스트 산정에 있는 시계에 비해서 지상에 있는 시계는 극히 약간이지만 느리게 나간다는 것이다. 또 중력은 시간이 느려지게 함과 동시에 공간(광)을 꾸부리는 원인이 되어서 중력이 커지면 커질수록 꾸부러짐의 정도도 커져서 일정 이상 중력이 커지면 광(빛)마저도 빨아들이는 공간의 꾸부러짐 소위 <블랙홀>이 된다.

강력한 중력을 가진 블랙홀의 경계면에 있는 우주선이나 그 안에 있는 시계는 그 당사자로서는 언제나와 같이 움직이고 있지만 그것을 충분히 떨어진 장소에서 관찰하면 우주선도 그 안의 시계도 멈추어있는 듯이 보인다. 시간의 진행 방법이 느리고 빠름이라는 것은 어디까지나 장소의 비교에 따라 상대적으로 인식된다는 것이다.

출처=museum.seiko.co.jp

 

4, <시간의 화살의 방향>과 엔트로피의 증대

 

시간이 과거에서 미래로 흐르는 것을 생각할 때 시간의 방향성이 미래에서 과거로 되돌아오는 가역현상인지 결코 되돌아오지 못하는 비가역현상인지를 <시간의 화살의 방향>을 써서 잘 고찰한다.

예로서는 열이 시간과 함께 고온부에서 저온부로 흐르는 <열역학적인 시간의 화살>, 연못에 돌을 던졌을 때에 혹은 방송국의 전파가 그 중심에서 주위로 넓혀져 가는 <파동의 시간의 화살>, 그리고 동물의 <진화 시간의 화살>은 어느 것이나 되돌아오지 않으므로 비가역현상이다.

이런 현상을 물리학적으로 말하면 질서 있는 구조, 상태가 시간의 경과에 따라 무질서한 구조, 상태로 향하고 있으므로 <무질서의 정도=엔트로피>가 증가하고 있는 상태라고 하여 이것을 <엔트로피 증대의 법칙>이라 한다.

이처럼 엔트로피 증대의 법칙이란 물리적으로는 당연한 말로서 실현될 확률이 낮은 상태를 최초로 준비하면 시간이 경과함에 따라 실현 확률이 높은 상태로 낙착함을 말한다. 따라서 시간의 화살이란 우리들의 둘레에서 관찰하는 현상으로 무수한 입자가 평균적으로 활동함으로써 나타나는 것을 나타내고 있는 것이다.

출처=museum.seiko.co.jp