상대성 이론
특수 상대성 이론
1905년 알베르트 아인슈타인이 발표한 특수 상대성 이론은 빛의 속도가 관측자에 상관없이 일정하다는 사실을 전제로 한다. 이 이론은 고전 물리학으로 설명되지 않던 고속 입자의 운동을 설명하며, 시간과 공간이 절대적인 것이 아니라 상대적이라는 결론에 도달한다. 핵심 공식인 E=mc²은 질량이 에너지로 전환될 수 있다는 사실을 알려주었고, 이는 원자력 발전과 같은 현대 물리학의 토대가 되었다.
시간 지연 효과
상대성 이론에 따르면, 빠르게 움직이는 물체에 탑승한 사람의 시간은 외부에서 관측한 시간보다 느리게 흐른다. 이를 시간 지연(time dilation)이라고 하며, 실제로 인공위성이나 입자 가속기 실험을 통해 확인되었다. GPS 위성의 정밀한 시간 보정을 위해 이 이론이 반영되어 있으며, 이는 실생활에서 상대성 이론이 어떻게 활용되는지를 보여주는 대표적인 사례다.
길이 수축
빠른 속도로 움직이는 물체는 움직이는 방향을 따라 그 길이가 줄어드는 현상이 나타난다. 이 현상은 관측자의 시점에서 일어나는 것으로, 정지한 입장에서는 물체가 수축된 것처럼 보인다. 이는 일상 속에서는 감지할 수 없지만, 고속의 입자를 다루는 실험에서는 명확히 관측된다. 길이 수축은 시간 지연과 마찬가지로, 시간과 공간이 절대적이지 않다는 상대성 이론의 핵심 개념을 구성한다.
일반 상대성 이론
1915년 아인슈타인은 중력까지 포함한 일반 상대성 이론을 발표했다. 이는 뉴턴의 중력 이론을 확장하여, 중력이 단순한 힘이 아니라 시공간의 휘어짐이라는 점을 설명했다. 예를 들어, 태양처럼 무거운 물체는 주변 시공간을 휘게 하여 지구와 같은 행성들이 궤도를 따라 움직이게 만든다. 블랙홀, 중력 렌즈, 중력파 등의 개념이 이 이론에서 파생되었다.
중력파 검출
2015년, 라이고(LIGO) 실험을 통해 처음으로 중력파가 검출되었다. 이는 두 개의 블랙홀이 충돌하면서 생긴 시공간의 파동으로, 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 통해 예측한 현상이 100년 만에 실험적으로 확인된 것이다. 중력파의 존재는 우주의 시작과 거대한 천체 간 상호작용을 이해하는 데 큰 전환점을 가져왔다.