일반 상대성이론의 가정과 물리응용

네 번째 가정

아인슈타인의 네 번째 가설은그 제1의 가설의 확산입니다. 자연의 법칙은 모든 계에서 동일하다고 표현할 수 있습니다.
모든 학과를 선포하는 것은 부인할 수 없습니다. 갈릴레이 계열에서만 자연이 같은 것으로 들리는 것보다 자연이 더 '자연'적으로 들리는 법입니다. 이 원리는 "넓은 의미"에서 상대론적 원리라고 불립니다.

아인슈타인 엘리베이터

마천을 가상해 봅시다. 건물 내부에서 자유롭게 내려오는 엘리베이터, 안에는 미련한 사람이 있습니다. 이 사람은 그의 시계와 손수건을 동시에 떨어뜨렸습니다. 어떤 일이 일어날까요? 엘리베이터 밖에서 지구를 기준으로 하는 사람에게는 시계, 손수건, 사람과 엘리베이터가 정확히 일치하는 속도로 떨어지고 있습니다.(등동성 원리에 따르면 중력장에서 물체의 운동은 그것에 의존하지 않습니다. 그래서 시계와 바닥, 손수건과 바닥사람과 시계, 사람과 손수건의 거리는 일정합니다. 이 때문에 엘리베이터에 타고 있는 사람에게는 그가 방금 던진 곳에 시계와 손수건이 머물게 됩니다.

이 사람이 준 시계라면그의 손수건은 일정한 속도로 직선을 따라 움직입니다. 엘리베이터는 갈릴레이 계열처럼 행동합니다. 하지만 언제까지나 계속되지는 않습니다. 조만간 엘리베이터가 모두 부서질 것으로 예상돼 엘리베이터 밖 관찰자가 불의의 사고에 따른 장례식에 참석할 예정입니다.

두 번째 이상화를 해보도록 하겠습니다. 시험: 우리 엘리베이터는 질량이 큰 어떤 물체로부터도 멀리 떨어져 있습니다. 예를 들면, 우주 깊숙한 곳에 있습니다. 우리의 미련한 놈은 지난번 사고에서 탈출했습니다. 몇 년 동안 병원에 있다가 다시 엘리베이터로 돌아가기로 했습니다. 갑자기 한 생물이 이 엘리베이터를 끌기 시작했습니다. 고전역학은 항력이 일정한 가속도를 발생시킨다는 것을 알려줍니다.(한 물체의 질량은 속도에 따라 증가하기 때문에 더하면 더 커지기 때문에 일정한 가속도를 내기 위해서질량의 증대에 따라 증가해야 합니다. 물체의 속도가 빛의 속도에 가까워질 때 물체의 질량은 무한대로 커질 것입니다.) 이에 따라 갈릴레오 계열에서 엘리베이터가 가속운동을 하게 됩니다.

우리의 천재 바바는 전기에 틀어박혀 있습니다. 사다리는 그의 손수건과 시계를 떨어뜨렸습니다. 엘리베이터 밖 갈릴레이계 사람들은 시계와 손수건이 바닥에 부딪힐 것이라고 생각했습니다. 가속도 때문에 바닥이 이들(손수건 시계)에 부딪혔기 때문입니다. 실제로 엘리베이터 밖에서는 시계와 바닥, 손수건과 바닥 사이의 거리가 같은 속도로 줄어들고 있습니다. 다른 한편, 엘리베이터 안의 사람들은 비고를 할 줄 압니다. 그의 손목시계와 손수건이 같은 가속도를 낸다는 것을 알았습니다. 그는 이것을 중력장으로 돌릴 것입니다.

이 두 가지 해석은 보기에 마치 같습니다. 하나:한쪽은 가속도 운동, 다른 한쪽은 운동과 중력장이 일치합니다.
우리 다시 한 가지 실험을 해보겠습니다. 중력장의 존재를 증명합니다. 한줄기 빛이 창문을 통해 맞은편 벽에 비쳤습니다. 우리의 두 관찰자는 다음과 같이 설명합니다.
엘리베이터 밖에 있는 사람이 우리에게 말했습니다. 창문을 통해서만 일정한 속도로 (물론!)일직선으로 엘리베이터를 쏘아 맞은편 벽에 비춥니다. 그러나 엘리베이터가 위로 움직이기 때문에 빛의 조사점은 이 입사지점이 조금 떨어진 곳에 있어야 합니다.
엘리베이터 안에 있던 사람이 우리 곳이라고 말했습니다. 중력장에서 빛이 질량이 없기 때문에 중력장의 영향을 받지 않습니다. 입사점이 맞는 지점에 정확히 떨어집니다.

 

문제가 생겼습니다. 두 관찰자의 의견이 일치하지 않습니다. 그런데 엘리베이터 안에 있던 사람이 실수를 저질렀습니다. 빛은 질량이 없지만, 빛은 에너지가 있다고 그는 말했습니다. 질량(메모그램 에너지의 질량을 기억하면 M=E) 때문에 빛은 바깥 관찰자가 말하는 것처럼 바닥을 향해 구부러지는 궤적을 갖게 됩니다.

에너지의 질량이 극히 작기 때문에(에너지의 질량이 매우 작기 때문에)C^2=300,000,000×300,000,000) 이런 현상은 매우 강한 중력장에서만 붙을 수 있습니다. 가까이서 관찰되었습니다. 이는 태양의 거대한 질량 때문에 태양에 가까워지면 빛이 휘어지는 것으로 확인되었습니다. 이 실험은 아인슈타인 이론(광의의 상대성 이론)의 첫 실증입니다.

결론

이 모든 실험에서 우리는 중력장을 도입함으로써 가속계 하나를 갈릴레오계로 볼 수 있다는 결론에 도달했습니다. 그것을 끌어당겨, 우리는 그것이 모든 것에 맞다고 생각합니다. 회전(구심력이 중력장으로 해석됨)이든 불균일가속운동(리만 Riemann) 조건을 만족시키지 못하는 중력장에 대해 수학적 방법으로 변환)이든 모두 해당됩니다. 넓은 의미의 상대성 이론과 실천은 곳곳에서 일치합니다.

 

 

물리 응용

 

중력렌즈

아인슈타인 십자: 동일천체는 중력렌즈효과하의 4개의 이미징을 합니다.
같은 천체가 중력렌즈에 있습니다.
같은 천체가 중력렌즈에 있습니다. 
중력장에서의 빛의 편절효과 새로운 천문 현상의 원인이 되어야 합니다. 관측자와 먼 관측 천체 사이에 여전히 큰 질량의 천체가 존재할 때, 관측 천체가 존재할 때질량과 상대 거리가 알맞을 때 관측자는 여러 개의 뒤틀린 천체를 보게 되는데, 이를 중력렌즈라고 합니다. 시스템 구조, 사이즈, 품질 분포의 영향을 받아, 이미지는 여러 개, 심지어는 가능아인슈타인 링이라고 불리는 링을 형성하거나 원환의 일부 호입니다.  최초의 중력 렌즈 효과는 1979년에 발견되었고, 이미 백 개가 넘는 중력 렌즈가 발견되었다.이러한 이미지는 서로 매우 가까워 구별할 수 없다 하더라도-이러한 것을 미인력 렌즈라고 합니다

중력파

아티스트의 구상도: 레이저공간 간섭 중력파 검출기 LISA의 펄스 쌍성 관측은 중력파의 존재를 간접적으로 입증하는 유력한 증거입니다. 이미 상당한 수의 지상 중력파 검출기가 가동되고 있으며, 가장 유명한 것은 GEO600, LIGO (레이저 간섭 중력파 검출기 3대 포함), TAMA300, VIRGO 미국-유럽 협력 공간 격렬광간섭탐지기 LISA는 개발단계이며 선행시험 계획인 LISAPathfinder는 2009년 말까지 발사됩니다.

미국의 과학 연구자들은 레이저 간섭 중력파 천문대(LIGO)를 이용해 2015년 9월 중력을 최초로 탐지했다고 11일 발표했습니다. 연구자들은 두 블랙홀이 약 13억 년 전에 충돌했을 때, 두 개의 거대 질량 결합으로 전달된 교란은 2015년 9월 14일에 지구에 도착하여, 지구상의 정밀 기구에 의해 탐지되었다고 발표했습니다. 아인슈타인이 100년 전에 한 예가 확인되었습니다.

 
중력파에 대한 탐지가 매우 많을 것입니다. 전자파 관측에 기초한 전통적인 관측 천문학의 시야를 크게 넓혀, 사람들은 탐지된 중력파 신호를 통해 그것을 알 수 있습니다. 제대로 알려지지 않은 이 정보는 블랙홀, 중성자별, 백색 왜성 등의 치밀성체에서 비롯될 수 있습니다. 일부 초신성 폭발에서 비롯될 수 있습니다. 심지어는 우주 탄생 초기의 급등에서도 올 수 있습니다. 시대의 어떤 낙인들, 예를 들면 가상의 우주현입니다.

 

블랙홀과 기타
넓은 의미의 상대성 이론에 기초한컴퓨터는 항성이 블랙홀로 붕괴되어 중력파를 방출하는 과정을 시뮬레이션하였습니다. 충분히 치밀할 때 그 중력은 시공간 속의 한 영역을 극도로 뒤틀리게 하여 빛이 빠져나가지 못하게 합니다. 현재 널리 받아들여지고 있는 항성 진화 모형에서 일반적으로 대질량 항성 진화의 최종 단계라고 생각되는 상황태양 질량의 1.4배 정도를 포함하는 항성 진화중성자별이며, 태양 질량의 수 배에서 수십 배에 이르는 항성은 항성 질량의 블랙홀로 진화합니다. 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 이르는 초대질량 블랙홀은 각 은하의 중심에 법칙적으로 존재한다고 여겨지며, 일반적으로 이들의 존재는 은하 및 더 큰 우주 척도 구조의 형성에 중요한 역할을 한다고 여겨집니다.

천문학적으로 밀성체의가장 중요한 속성 중 하나는 중력 에너지를 전자기 복사로 극히 효율적으로 변환할 수 있다는 점입니다. 항성질량블랙홀 또는 초대질량 블랙홀 쌍성간 가스와 먼지의 흡적 과정은 매우 밝은 천체의 형성 메커니즘으로 여겨집니다. 저명하고 다양한 예로는 은하 척도의 활동 은하 핵과 항성 척도의 미세 은하체를 포함합니다. 어떤 특정한 상황에서 흡적 과정은 이 천체들에서 상대방을 자극할 수 있습니다. 분류에 관해서는, 분사 속도가 광속에 근접할 수 있고 방향성이 강한 고에너지 플라즈마 빔입니다. 이러한 현상을 모델링하는 데는 광의상대성이론이 핵심적인 역할을 했고, 실험관측도 블랙홀의 존재와 일반상대성이론을 뒷받침하는 여러 예언을 뒷받침했습니다.

블랙홀도 중력파가 탐지하는중요한 목표 중 하나입니다. 블랙홀 쌍성의 합병 과정은 지구상의 탐사선에 의해 수신될 수 있는 어떤 가장 강력한 중력파를 복사할 수 있습니다. 신호, 그리고 쌍성(雙星)이 합쳐지기 전의 지저귀는 일종의 '표준 촛불'로 간주해 합쳐질 때의 거리를 추정할 수 있고, 나아가 큰 척도에서 우주 팽창을 탐지하는 수단이 될 수 있습니다. 그러나 항성 질량 블랙홀과 같은 소질량 치밀성체는 초대질량 블랙에 떨어집니다. 홀의 이 과정에서 방사되는 중력파는 초대질량 블랙홀 주변의 시공간 기하학적 정보를 직접적이고 완벽하게 복원할 수 있습니다.

우주학
윌킨슨 마이크로파 이방성탐사선(WMAP)이 촬영한 하루 종일 마이크로파 배경에서 방사되는 온도 등락 현대의 우주 모델은 우주 상수를 가진 아인에 기반합니다. 스텐장 방정식이 세운 우주상수의 값은 큰 척도의 우주역학에 중요한 영향을 끼칩니다.
이 수정된 아인슈타인은필드 방정식은 하나의 동성을 가지며 균일한 해입니다. 프리드먼-러메트-로버슨-볼커 게이지를 가지고, 이 해의 기초 위에 있습니다. 물리학자는 140억 년 전 뜨거운 대폭발에서 진화한 우주 모델을 세웠습니다. 이 모형에서 몇 안 되는 몇 개의 파라미터(예를 들면 우주의 물질 평균 밀도)를 천문관에 통과시킬 수 있다면측정을 하여 확정하면, 사람들은 진일보한 것에서 얻을 수 있습니다. 실험 데이터는 이 모형의 정확성을 검사합니다. 이 모델은 태초 핵합성 시기에 만들어진 화학 원소의 초기 풍도, 우주의 큰 척도 구조, 그리고 초기의 우주 온도가 남긴 '메아리'를 포함한 많은 예언들이 성공했습니다.

한없이 정적인 민코프.스키우주의 펜로스도
천문학적 관측에서 얻은 우우주 팽창 속도는 우주에 존재하는 물질의 총량을 한층 더 추산할 수 있지만, 우주에 존재하는 물질의 본성에 관해서는 아직 해결해야 할 문제가 있습니다. 대략 90% 이상의 물질이 암흑물질에 속한다고 추정됩니다. 이들은 질량(즉, 중력 상호작용에 관여함)을 가지고 있지만 전자기 상호작용에 관여하지 않으면 (전자파를 통해) 직성이 불가능합니다. 알려진 입자물리학이나 기타의 모든 것들이러한 물질에 대해 만족스러운 묘사를 할 수 있는 방법은 아직 없습니다. 또 멀리 떨어진 초신성의 적색 이동 관측과 우주 마이크로파 배경 복사에 대한 측정에 따르면 우리의 우주의 진화 과정은 우주상수값에 크게 좌우되며, 우주상수의 값이 우주의 가속팽창을 좌우합니다. 다시 말해, 우주의 가속팽창은 비통상적인 의미의 상태방정식을 갖는 어떤 에너지 형태로 결정되는데, 이 에너지를 암흑에너지라고 하며, 그 본성은 여전히 알려져 있지 않습니다.

이른바 급등 모델에서 우제주는 탄생 초기(~10~33초)에 급격한 가속팽창 과정을 거쳤습니다. 이것은 1980년대에 꺼낸 것입니다. 출제된 가설은 혼란스럽고 고전적인 우주학으로 설명할 수 없는 관측 결과 때문에 제시된 것입니다. 예를 들면, 우주 마이크로파 배경 복사의 고도는 동성이며, 마이크로파 배경 복사의 이방성에 대한 관측 매듭과(果)는 급등 모델을 지지하는 증거 중 하나입니다. 그러나 급등할 수 있는 쪽은식도 다양해 아직 관측을 통제할 수 없습니다. 더 큰 과제는 극초기 우주에 관한 물리학인데, 이는 폭발 직전에 일어났던 고전적 우주학 모형이 예언한 대폭발의 진기한 점에 관한 것입니다. 이 문제는 완전한 양자 중력 이론으로 풀어야 하는데, 이 이론은 아직 정립되지 않았습니다.