(알기 쉬운 과학) 일상 생활속의 상대성이론 - 황금의 노란색, 인공위성과 GPS

과학자하면 바로 아인슈타인, 아인슈타인하면 상대성이론입니다.

상대성이론은 위대한 발견입니다. 하지만 상대성이론이 우리의 일상 속에서도 체험하고 있다는 사실이 흥미롭습니다.

아인슈타인의 저서

특수상대성이론과 일반상대성이론의 서문(1916년 12월)

RELATIVITY THE SPECIAL AND GENERAL THEORY, ALBERT EINSTEIN

PREFACE

THE present book is intended, as far as pos- sible, to give an exact insight into the theory of Relativity to those readers who, from a general scientific and philosophical point of view, are interested in the theory, but who are not conversant with the mathematical apparatus 1 of theoretical physics.

The work presumes a standard of education corresponding to that of a university matriculation examination, and, despite the shortness of the book, a fair amount of patience and force of will on the part of the reader.

The author has spared himself no pains in his endeavour to present the main ideas in the simplest and most intelligible form, and on the whole, in the sequence and connection in which they actually originated. In the interest of clearness, it appeared to me inevitable that I should repeat myself frequently, without paying the slightest attention to the elegance of the presentation.

I adhered scrupulously to the precept of that brilliant theoretical physicist, L. Boltzmann, according to whom matters of elegance ought to be left to the tailor and to the cobbler. I make no pretence of having withheld from the reader difficulties which are inherent to the subject. On the other hand, I have purposely treated the empirical physical foundations of the theory in a “step-motherly” fashion, so that readers unfamiliar with physics may not feel like the wanderer who was unable to see the forest for trees. May the book bring some one a few happy hours of suggestive thought!

A. EINSTEIN December, 1916

이 책은, 일반적인 과학적, 철학적인 관점에서 상대성 이론에 관심이 있지만 이론 물리학의 수학적 표현에 익숙하지 않은 독자들에게, 가능한 한 상대성 이론에 대한 정확한 통찰력을 주기 위한 것이다.

이 책은 대학 입학시험을 볼 수 있을 교육을 받았을 것이라는 점과, 책의 부족함에도 불구하고 상당한 인내심과 독자의 의지력을 지니고 있다는 것을 가정하고 있다.

나는 가장 단순하고 알기 쉬운 형태로 주요 사상을 제시하기 위한 노력 하였고, 실제로 생겨난 순서와 연관성에 대한 노력을 아끼지 않았다. 명확성을 위해 표현의 우아함에 전혀 신경 쓰지 않고 자주 반복해야 할 수밖에 없다는 점도 밝혀둔다.

나는 훌륭한 이론 물리학자 볼쯔만(L. Boltzmann)의 가르침을 꼼꼼히 지켰다. 볼쯔만의 말에 따르면, 우아함의 문제는 재단사와 재봉사에게 맡겨야 한다. 나는 이 주제가 갖고 있는 (내재된) 어려움을 독자들로부터 모른 체 하지 않는다. 반면, 물리학에 익숙하지 않은 독자들이 숲을 보고 나무를 보지 못하는 방랑자처럼 느껴지지 않도록 이론의 경험적인 물리학 기초를 "새어머니처럼" 의도적으로 다루었다. 이 책이 누군가에게 행복한 몇 시간 동안의 도발적인 생각을 가져다 주기를 바라며!

A. 아인슈타인 1916년 12월

책 서문이 인상적이다. 아인슈타인이 집필한 책을 읽어 보고 싶게 한다.

[특수 상대성 이론] 빛의 속도는 항상 일정한가? constancy of the speed of light

황금은 노란색, 그 깊은 속에는 상대성이론이 작동하는 세상

대부분의 금속은 광택을 띄고 있습니다.

그 이유는 금속 원자의 전자가 다른 에너지 수준 또는 궤도로 점프 때문에 반짝입니다. 금속에 부딪힌 일부 광자들은 더 긴 파장에서 흡수되었다가 다시 방출됩니다. 하지만 대부분의 가시광선은 반사되고 말지요.
금은 무거운 원자에 속하기 때문에 상대성이론에 따라 질량 증가 뿐만 아니라 길이 수축도 상당히 일어날 정도로 전자는 핵 주위를 빠르게 움직이고 있습니다. 결과적으로, 전자들은 더 큰 운동량으로 원자 핵 주위를 돌고 있지요.
내부 궤도에 있는 전자는 외곽 궤도에 있는 전자에게 에너지를 전달하며 흡수되고, 빛의 파장이 더 길어지면 반사될 가시광선 일부가 흡수됩니다.

@대만 황금 박물관에 있는 220.3Kg 금괴

더 긴 파장의 빛은 가시광선의 일부가 흡수되고, 남은 빛은 스펙트럼의 푸른 끝단에 있게됩니다. 백색광은 무지개의 모든 색으로 혼합되어 있지만, 금의 경우 빛이 흡수되고 다시 방출되면서 파장이 더 긴 것이 남게 됩니다. 이렇게 되면서 우리가 보는 빛은 파란색과 보라색의 파장은 약해지고, 노란색, 주황색, 빨간색 등이 파란색보다 파장이 길기 때문에 금은 노란색으로 보이게 됩니다.

특수상대성이론에 따르면 빠르게 움직이는 물체는 시간이 천천히 가고 길이는 수축되고 질량이 커지는 효과를 보입니다. 빛의 속도에 근접할수록 이 효과는 크게 나타납니다.

금의 전자가 갖는 상대성 이론의 결과에 따라 잘 부식되지 않고, 다른 물질과도 쉽게 반응하지 않는 특성을 갖게 됩니다.
금은 외곽 궤도에는 단 하나의 전자만 있지만, 칼슘이나 리튬만큼 반응성을 보이지 않습니다. 그 대신, 금의 전자는 질량 증가로 더 무거운체 원자핵에 더 가까운 궤도로 돌고 있습니다. 이것은 가장 바깥 쪽의 전자가 다른 물질과 반응할 수 있는 위치에 있을 가능성이 거의 없다는 것을 의미합니다. 그것은 핵에 가까운 전자들 사이에 있을 가능성이 높습니다.


인공위성과 GPS에는 상대성이론이 작동하는 또 다른 세상

차량의 GPS 내비게이션이 정확하게 작동하려면 인공위성의 상대성 이론의 수학적 계산을 고려해야합니다. 인공위성은 빛의 속도에 가깝게 움직이지 않지만 꽤 빠르게 움직이기 때문입니다. 위성은 또한 지구상의 지상국에 신호를 보내고 있습니다. 차량의 GPS 장치는 정확한 위치 정보를 얻기 위해 인공위성에 수십억 분의 1 초 (나노초)까지 정확한 시계를 탑재하였습니다.

각 위성은 지구 상공 12,600 마일 (20,300km)에 있으며 시속 6,000 마일 (10,000km / h)로 이동하기 때문에 매일 약 4 마이크로 초에 달하는 상대론적 시간 지연(time dilation)이 발생합니다. 여기에 중력의 효과를 더하면 수치는 약 7 마이크로 초까지 올라갑니다. 7,000 나노초가됩니다.

그 차이는 매우 현실적인 문제를 야기합니다. 상대성이론을 산정하지 않았다면 다음 주유소까지는 0.8km 떨어져 있다는 것을 알려주던 GPS 장치는 하루 뒤에는 8km 떨어져 있다고 알려 줄 것입니다.

따라서 인공위성에는 상대성이론의 계산에 따른 보정을 해 두고 있어 우리가 사용하는 GPS는 늘 정확한 위치 정보를 제공할 수 있답니다.

납축전지에도 상대성이론이 작동하는 다른 세상

일반적인 자동차에 들어 있는 배터리는 상대성 원리에 의하여 2.1V의 전압을 내는 납축전지의 동력 중 약 80~98%인 1.7~1.9V의 전압은 상대성 효과에 의해 발생한다는 점이 밝혀졌습니다.

납축전지를 주로 구성하는 물질인 납입니다. 납은 금과 같이 무거운 원자로 내부에선 상대성 원리가 작동하는 세상입니다. 앞서 금의 경우와 같이 상대성 효과는 빛과 같이 빠른 속도에 근접해야 나타나기 때문에 일반적인 물질들에서는 찾아볼 수 없습니다. 하지만 금이나 납과 같은 무거운 원자라면 원자핵이 전자에 강한 인력을 미치게 되고, 전자는 더욱 빠른 속도로 운동하게 됩니다. 이 때 전자의 속도가 빛의 속도에 가까워지며 상대성 효과가 발생하게 되는 것입니다.