상대성이론, 암흑물질, 자전과 공전

 

상대성이론(相對性理論)

  아인슈타인의 시간과 공간에 대한 상대성 이론에 따르면, 서로 다른 상대 속도로 움직이는 관측자들은 같은 사건에 대해 서로 다른 시간과 공간에서 일어난 것으로 측정하며, 그 대신 물리 법칙의 내용은 관측자 모두에 대해 서로 동일하다고 합니다.

상세한 상대성이론은 매우 어려운 이론으로 이 세상에서 이를 제대로 이해하고 있는 사람은 그리 많지 않다고 하지요.

1. 시공간

  일반 상대성 이론에서 아인슈타인은 '시공간은 4차원, 즉 시간과 공간이 결합된 형태의 연속체'임을 규명했습니다. 뉴턴이 시공간이 시간과 공간으로 분리되어 서로 영향을 주고받지 않는 별개의 공간인 점과, 공간 위의 한 점에 위치한 물체에 어떠한 영향도 받지 않을 것이라고 생각한 반면에 아인슈타인의 사고실험에서 아인슈타인은 시공간이 서로 상호작용함과, 공간 위에 위치한 어떠한 질량을 가진 물체에 대하여 공간이 휘어짐을 제시하였습니다.

2. 중력

  아인슈타인은 뉴턴의 중력을 가속운동계에 적용시켰습니다. 그는 중력가속도g의 크기만큼 가속하는 가속계 내의 물체와, 중력을 받고 있는 물체는 서로 구분이 불가능하다는 이론을 내세움으로써 가속계를 관성계로 해석 가능함을 보였습니다.

3. 중력으로 인한 시간팽창

  위에서 가속계 역시 관성계로 인식할 수 있다고 하였습니다. 따라서 가속계의 물체는 관성계에서 물체의 이동으로 판단할 수 있고, 특수 상대성이론에 따라 시간지연이 일어남을 알 수 있다고 하였습니다. 이로서 중력을 받는 물체는 그 물체에 흐르는 시간이 느려지게 된다고 하였지요.

4. 공간 왜곡으로 일어나는 현상

4-1. 빛의 휘어짐 : 빛의 움직임을 가속운동계에 적용시켜보면, 그 빛이 휜다는 것을 알 수 있을 것입니다. 따라서 중력으로 인하여 빛이 휜다는 것을 알 수 있지요

4-2. 중력렌즈효과 : 이는 일식이 일어날 때 관측할 수 있는 현상인데, 바로 태양의 뒤에 위치하여 가려져 있던 천체가 태양의 중력에 의한 영향으로 그 빛이 휘어져 우리눈에 들어오는 것입니다. 흔히 '아인슈타인의 십자가'라는 것이 이로 인한 현상이지요.

4-3. 블랙홀 : 질량이 매우 큰 천체는 공간을 심하게 왜곡하여 빛마저 삼켜버릴 수 있다고 합니다.

5. 일반상대성이론의 증거

① 에딩턴의 태양의 일식 관측 : 지구에서 별을 관측할 때, 별과 지구 사이에 태양이 있을 때와 없을 때의 별의 관측위치를 비교하여 빛이 휘는 것을 관찰

② 수성의 세차운동 : 뉴턴의 이론에 따라 계산하면 100년 동안 574´´만큼 이동해야 하지만, 실제 세차운동 관측결과 43´´정도 오차가 났다. 하지만 일반상대성 이론에 시공간의 곡률을 고려한 결과 이 차이를 정확히 설명

③ 중력렌즈 : 중력이 렌즈처럼 빛을 휘게 하는 현상이다. 대표적으로 퀘이사가 있습니다.(퀘이사는 은하의 중력 때문에 지구에서 4개의 빛나는 쌍둥이 별로 오인했었다고 합니다.)

④ 중력파 : 천체의 중력붕괴나 초신성 폭발 같은 우주현상으로 발생하여 시공간이 일그러짐이 광속으로 파도처럼 전달되는 것을 말합니다.

⑤ GPS : 인공위성이 움직이기 때문에 시간차이가 생기는데 속력과 중력의 작용을 고려하여 보정해줘야 한다고 합니다.

⑥ 블랙홀 : 질량이 매우 큰 천체는 공간을 휘게 하여 천체를 지나는 빛마저 흡수한다고 합니다.

 [출처: 위키백과], [사진출처: IT & Car - Tistory]

암흑물질(暗黑物質,  Dark Matter)

  우주에 널리 분포하는 물질로써, 전자기파 즉 빛과 상호작용하지 않으면서 질량을 가지는 물질입니다.

  암흑 물질이 분포하는 곳에서는, 그 중력에 의한 일반 상대성 이론의 효과 때문에 주변의 항성이나 은하의 운동이 교란되기도 하고, 빛의 경로가 굽어지기도 하지요.

  암흑 물질의 존재는, 은하 따위의 총 질량을 계산할 때, 광학적 관측을 통해 얻어진 값이, 중력 효과를 통해 계산한 값보다 현저히 작다는 사실로부터 유추할 수 있습니다. 암흑 물질의 존재는 현재 정설로 인정되며, 빅뱅 이론 및 ΛCDM 모형의 핵심 요소입니다.

  아직 암흑 물질이 어떤 입자로 만들어졌는지는 알려지지 않았습니다. 이를 암흑 물질 문제(dark matter problem)라 합니다. 현재, 학계에서는 아직 발견되지 않은 입자 (초짝입자나 액시온 따위)일 것이라는 이론이 주류입니다.

  암흑 물질은 우주의 총 에너지의 대략 26.8%를 차지하며, 나머지는 가시광선으로 관측할 수 있는 물질과 암흑 에너지로 이루어진다는 것이 현재의 이론입니다. 물질만을 고려하면, 암흑 물질은 우주 전체 물질의 84.5%를 차지하며, 가시광선으로 관측할 수 있는 물질보다 훨씬 더 많다고 추측합니다.

  암흑 물질의 존재에 대한 의문은 지구 위에 있는 우리의 존재와는 무관한 듯 보입니다. 그러나 암흑 물질이 실제로 존재하느냐 않느냐는 현대 우주론의 최종 운명을 결정지을 수 있습니다. 우리는 먼 천제들로부터 멀어지는 은하에서 오는 빛의 적색편이를 통해 우주가 현재 팽창하고 있음을 알고 있습니다. 우리가 빛으로 관찰할 수 있는 일반 물질의 양은 이러한 팽창을 멈출 만한 충분한 중력이 없으며, 그래서 그러한 팽창은 암흑 물질이 없다면 영원히 계속될 것입니다. 이론적으로 우주에 암흑 물질이 충분히 있다면 우주는 팽창을 멈추거나 역행(최후에 대붕괴로 이끄는)하게 될 수도 있을 것입니다. 실제로는 우주의 팽창이나 수축 여부는 암흑 물질과는 다른 암흑에너지에 의해 결정될 것이라는 것이 일반적인 생각입니다.

  또한 암흑 물질은 우주의 생성 과정과도 밀접하게 연관되어 있습니다. 우리가 관측적으로 얻어낸 우주의 은하 분포는 어떤 종류의 암흑 물질이 존재해야만 가능하다는 것이 현대 우주론의 결론입니다. 즉, 일반 물질이 중력 붕괴하면서 은하를 만드는 과정에서, 암흑 물질과 같이 빛에 의해 영향 받지 않는 물질이 이미 중력으로 거대 구조를 만들고 있지 않았다면, 현재와 같은 은하의 분포를 보일 수 없다는 것입니다. 이 말은 결국 은하 속의 한 항성인 태양계의 형성에도 암흑 물질의 분포가 궁극적으로 영향을 미친다는 것을 의미합니다.

우주의 구성 물질들의 비율 그래프.

암흑물질 22%, 암흑에너지 74%, 은하계 우주먼지 3.6%, 별 0.4%

[출처: 위키백과]

 

 [사진출처: 한겨레신문]

자전(自轉, Rotation)과 공전(空轉, Revolution)

 

  지구의 자전속도는 위도에 따라 달라집니다.

위도 0°인 적도에서는

Vequator rot = 2π x 지구반지름 6,400km ÷ 24시간/일 = 1,674 km/시간

중심위도 37°인 한반도에서는

Vkorea rot= 2π x 6,400km x cos 37° ÷ 24시간/일 = 1,337 km/시간

반면 위도 90°인 남, 북극에서는

Vpole rot = 0 입니다.

  지구의 공전속도는
Vearth rev = 태양과 지구간 거리 150,000,000km x 2π ÷ 365일/년 ÷ 24시간/일
= 107,600 km/시간
= 1,793 km/분
= 30 km/초 (타원괘도로 인해 실제로는 26 ~ 33km/초)

태양계가 우리 은하를 한 바퀴 도는 데 226,000,000년이 걸리고
태양계 공전속도는
Vsolar system rev = 780,000 km/시간
                     = 225 km/ 초 

  우리 은하의 공전속도는

아직까지 중심체가 발견되지 않아 알 수가 없다고 합니다.

 

☆

우리 은하 > 우리 우주 > 다른 우주 > 전체 우주 대상을 넓혀가며 자전과 공전속도를 확인해 나가다보니,

현재의 인류 기술로는 다 알 수도 없는 것 같고, 속도의 빠름과 느림 자체가 그다지 중요해 보이지도 않습니다.

 

다만, 엄청난 자전과 공전 속도로 암흑의 우주를 날아가는 지구라는 우주선.

새삼 깨닫는 것은 다른 특별한 것만이 기적이 아니요, 살아 숨쉬며 영위하는 일상 그 자체가 기적이라는 생각이 듭니다.