아인슈타인의 상대성이론과 뉴턴의 법칙: 과학의 본질과 검증 가능성

상대성이론에 따르면, 강한 중력에서는 시간이 느리게 흘러갑니다.

### 중력, 시간 그리고 과학의 본질: 뉴턴에서 아인슈타인까지
* 🍎 **중력**은 거리의 제곱에 반비례하여, 사람의 머리, 심장, 발에서 시간이 다르게 흘러간다는 점을 설명.
* ⏰ 빛의 속도가 유한하기 때문에, 천체의 거리에 따라 관측 시간 차이가 발생하며, 이를 통해 과학자들은 빛의 속도를 측정.
* 🪐 **뉴턴의 법칙**은 천왕성 궤도의 오차를 설명하지 못했으나, 이를 통해 해왕성의 존재를 예측하고 발견하는 계기가 됨.
* 🔄 수성의 근일점 이동 현상은 뉴턴 역학으로는 설명할 수 없었던 **43초의 오차**를 발생시켰음.
* 🌌 아인슈타인의 **일반 상대성이론**은 공간의 휘어짐으로 수성 근일점 이동 현상을 설명하며, 빛의 휨 현상을 예측.
* ☀️ 에딩턴의 일식 관측을 통해 아인슈타인의 예측이 증명됨으로써, 일반 상대성이론은 과학적 검증을 거친 이론으로 자리매김.
* ⚖️ **과학의 본질**은 반증 가능성과 예측 및 검증 가능성에 있으며, 뉴턴의 법칙조차 틀릴 수 있다는 점을 강조.
* 🔬 **중력 질량**과 **관성 질량**의 동일성은 BBC 다큐멘터리의 진공 실험을 통해 증명되었고, 과학자들의 엄격한 검증 과정을 거침.

### 중력과 시간의 상대성: 아인슈타인의 일반상대성이론
* 🍎 **관성 질량**과 **중력 질량**의 동일성을 확인하기 위한 실험에서 1조 분의 1의 정확도로 두 질량이 같다는 결과를 얻었다.
* ⚖️  이 결과에 대해 아인슈타인은 두 질량이 **완전히 같다**고 가정하고, 그 결과 발생하는 현상을 탐구했다.
* 🚀  **관성력**과 **중력**을 구분할 수 없다는 **등가원리**를 통해, 중력이 작용할 때 **빛이 휘어진다**는 결론을 도출했다.
* 🔭 에딩턴의 일식 관측을 통해 빛의 휨 현상이 실제로 관측됨으로써 아인슈타인의 이론이 검증되었다.
* 💡  뉴턴의 만유인력 법칙과 달리, 아인슈타인은 **시공간의 휘어짐**으로 중력을 설명하며, 빛은 질량이 없어도 휘는 이유를 설명했다.
* ⏱️  **페르마의 원리**에 따라 빛은 항상 최단 시간 경로를 이동하며, 중력에 의해 시공간이 휘어지면 빛의 경로가 휘어지고 시간도 다르게 흘러간다.
* 📏  **GPS** 시스템은 **상대성이론**의 효과를 고려하여 정확한 위치 정보를 제공한다.  450m 높이에서는 시간이 1초당 4나노초 빨리 흐르는 것이 실험적으로 증명되었다.
* 👨‍🏫  결론적으로, **중력은 시공간의 휘어짐**이며, **중력이 강한 곳에서는 시간이 느리게 흐른다**.  이는 고층 건물 거주자의 시간이 1층 거주자보다 빠르게 흐른다는 것을 의미한다.

중력이라는 게 거리의 제곱에 반비례한다고 아까 얘기했잖아요. 그러면 지구

중심에서 나를 생각해 보면, 내 발까지 거리랑 내 심장까지 거리랑 내

머리까지 거리가 다르잖아요. 내 몸에서

시간이 다르게 흘러요. 내 머리랑 내

심장이랑 내 발이 인사할 시간도 많습니다. 여러분의

시간을 낭비해 드리겠습니다. 느리지만 찬란한 랩

미팅입니다. 반갑습니다, 교수님들. 반갑습니다. 뉴턴의 법칙은 틀리지 않다

그 왜 시간이 왜 바뀌지? 하면 빛의 속도가 무한이 아니라서 그렇다라고

얘기하는 거예요. 무슨 말이냐 하면, 이 부분이 목성에서 이쪽으로 이렇게 딱

나왔잖아요. 근데 이걸 우리가 보려면

빛이 지구까지 와야 되잖아요. 지구가

점점 점점 멀어지고 있으면 오는 시간이 더 걸리잖아요. 근데 반대로

가까워질 때, 지구가 저 목표로 가고 있으면 오는 시간이 더 빨라질 거 아니에요?

그만큼 차이로, 그만큼 차이로. 그래서 저 레용 하는 사람이 한 게 뭐냐 하면,

이걸 가지고 빛의 속도를 구했어요.

저때는 컴퓨터도 없었잖아요. 그냥 초시계

같은 걸로 눈으로 보면서 했잖아요. 테플러 이전에 데이터를 눈으로 관측한

데이터를 가지고 계산을 한 거거든요. 이때 사람들은 진짜 대단했던 거

대단한 것 같아요.  호가 한 바퀴 도는데 42시간 동안 지구가 얼만큼

이동하지? 이렇게 계산해 보면 대충 빛의 속도 나와요. 레모르 사람은

관측을 했는데, 뉴턴이 틀렸다는 게

아니고 뉴턴의 법칙은 맞다. 그러면 우리가 빛의 속도를 구할 수 있다라는

결론을 이제 내리는 겁니다. 위기는 이제 해결되죠. 오히려 뉴턴의 법칙은

진짜 맞는가보다. 근데 또 위기가

닥칩니다. 그 위기가 뭐냐 하면요. 수금지화목토천… 그때까지만 해도

이제 천왕성까지 사람들이 이제 봤단

말이죠. 천왕성이 돌고 있는 궤도를

이제 계산을 해야 되는데, 뭐 태양이 당기니까 이렇게 되겠지. 근데 목성

중간에 있으니까 목성이 당길 거고, 이렇게 딱 계산을 했더니 이상하게

천왕성의 궤도가 안 맞다는 거예요. 궤도가

틀어진다. 그 르베리에를 아는 사람과 저

애덤스는 사람이, 애덤스는 사람이면

며칠 늦었다. 그래요. 저 보고가 그래서

사람들이 다 르베리에만 말하고 있는데, 좀

억울할 것 같아서 제가 둘 다 들고 왔습니다. 그래서 저 두 명이

얘기한 게 뭐냐면, 천왕성의 궤도가 왜

틀어지나 하면, 천왕성 밖에서 뭔가

천왕성을 당기고 있을 거야. 그것 때문에 틀어질 거고, 그럼 그 위치를

계산할 수 있잖아요. 지금 저기에 망원경으로 보면 저기에 뭐가 있을

거야. 그래서 거기 망원경을 봤더니 해왕성이 거기서 나왔죠. 요게 이제

해왕성 발견한 스토리입니다. 결국은 뉴턴 법칙이 위대하죠. 그니까 결국은

해왕성까지 찾아내 버리잖아요. 흘린 것

같아서 자세히 봤더니 보너스로 뭔가

계속 나와. 빛의 속도도 나오고… 태왕성

발견이 돼. 근데 세 번째 위기가 닥칩니다. 수성이 태양에서 제일

가까운 거잖아요. 그래서 태양 주위를 이렇게

도는데, 이게 정확히 말하면 타원

운동이죠. 타원 이렇게 하면 태양에서 제일 가까울 때가 있고, 좀 멀어질 때가

있잖아요. 제일 가까울 때를 우리가 근일점이라고 얘기해요. 근일점의 위치가

계속 바뀌어요. 각도가 틀어지니까요. 그

1도에 3600초가 있죠. 1도에 3600분의 1이 1초입니다. 1도에 3600분의

1이 1초인데, 저게 얼마나 틀어지면

5,600초 틀어져요. 사람들이 계산했죠. '와, 이거 왜 틀어지지?' 근데

알고 보니까 지구가 세차 운동을 하고 있어서 그렇다는 걸

계산했어요. 그랬더니 답이 얼마

나오냐면 5,557초가 나와요. 근데

정확히 그렇죠. 근데 문제는 뭐냐면

43초 틀려요. 이게 문제입니다. 1도에 3600분의 43초는 아주 작은 값이긴

한데, 이게 설명이 안 되는 거예요. 저게 사실은 100년에 43초

틀어집니다. 자, 이제 설명이 안 된다. 어떻게 해야 되지?  리베리아 사람이

다시 등장합니다. 수성이 지금 그 궤도가 틀어지죠. 그 왜 틀어지나 하면 수성의

안쪽에 우리가 발견하지 못한 게 뭔가

하나 더 있어요. 그리고 그 이름을 벌컨이라고 이름을 짓습니다. 거기에다

사람들이 '마경' 딱 됐죠. 안 나왔어요. 저

벌컨이 발견이 안 됩니다. 이 문제죠. 뉴턴의 법칙은 그렇게 위대한 법칙인데

저걸 설명을 못 해요. 저걸 해결한 사람이

누구냐? 아인슈타인이 나오면서 아인슈타인이 얘기한 게 저건 안에 뭔가

행성이 있는 게 아니고 그냥 공간이 휘어서 그런 거야라고 일반 상대론으로

이제 얘기를 합니다. 그 결국은 뭐냐면 뉴턴의 법칙이 틀렸다는 이게 과학의

본질입니다. 그렇게 위대한 법칙도 틀릴

수 있다는 겁니다. 반증 가능성. 아인슈타인이 일반 상대론을 정확히

공간이 휘어 있다고 얘기를 하면서 계산해서 43초를 딱 발견을 했죠.

저걸 계산하고 그렇게 기뻤다 그래요.

드디어 설명을 했다. 근데 잘 생각해

보시면 여기까지 아인슈타인이 얘기한

거는 그냥 설명할 수 있는 방법을 하나 얘기했을 뿐이에요. 아직은 과학이

안 됩니다. 과학이 되려면 예측을 해야

됩니다. 그래서 단지 여기서 그냥 뉴턴이 틀렸어, 이게 맞아. 그러면 그냥

가능한 가설을 하나 얘기한 것뿐이고, 되려면 자, 이게 맞으면 어떤 일이

발생할 거야? 어떻게 얘기했냐면,

공간이 휘어 있으니까 빛이 이렇게

오다가 태양 주위를 오다가 슉 휘어

버릴 거다라고 얘기를 합니다. 이렇게 오다가 이렇게 슉 휘어 버리니까,

실제로 우리가 보면 그 다른 데 있는 것처럼 보이는 거죠. 그러면 저거를

확인을 해야 되잖아요. 태양을 돌아서 들어오는 걸 봐야 되기 때문에 낮에

봐야 되잖아요. 예, 근데 낮에는 밝아서

너무 밝아서 볼 수가 없잖아요. 그래서

일식이 일어날 때 보일 거야라고 슈단 예측을 합니다. 일식이 일어날 때 저

여기 있는 별의 위치가 달라질 거다라는 걸 예측을 하고, 저 에딩턴이라는 사람이 일식 때를 찾아가서 실제로 그 관측을 하죠. 관측을 해서 그다음에

이제 뉴스에 나온 게 저겁니다. 그래서 대서특필되죠. 예측을 했고

그게 맞았다는 겁니다. 제가 설명드리고 싶은 것은 과학의 본질이 있고요,

그래서 뭐 일반 상대론 이렇게 설명할 수 있지만, 그게 맞으면 어떤 예측을

해야 되고, 그 예측을 반드시 검증을 해 줘야 된다. 그게 이제 과학의

본질이 되겠다는 겁니다. 어, 고전 역학을 얘기하면 제가 뉴턴에서 시작을

했잖아요. 과학 조건이요, 세 가지. 이게

과학의 조건이고. 근데 물리는 사실

하나가 더 있어요. 물리학자들이 되게

좋아하는 게 뭐냐면요, 이거예요. 보편성.

이거 되게 좋아해요. 그래, 누구에게나 다 적용되는, 그냥 법칙 하나로 자연

모든 걸 설명하고 싶은 거예요. 꿈이죠.

중력과 시간이란 무엇인가?  고전역학 2편 (KAIST 김갑진 교수의 물리학 특강 2/8)

과학의 대중화를 위해 박사급 아재들이 직접 만든, 
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※ 협업 및 비즈니스 문의 : MoreScience2018@gmail.com


안될과학 Unrealscience

중력은 거리의 제곱에 반비례하며, 지구 중심에서 머리, 심장, 발까지의 거리가 다르므로 몸의 각 부분에서 시간이 다르게 흐른다.

시간이 변하는 이유는 빛의 속도가 무한하지 않기 때문이다. 목성에서 나온 빛이 지구까지 오는 시간은 지구의 위치에 따라 달라진다.

레옹 사람은 이러한 시간 차이를 이용하여 빛의 속도를 계산했다.

레모르 사람의 관측 결과 뉴턴의 법칙은 옳고, 빛의 속도를 구할 수 있다는 결론이 나왔다.

천왕성 궤도의 이상 현상과 해왕성 발견

천왕성의 궤도가 계산과 맞지 않아 이상 현상이 발생했다.

르베리에와 애덤스는 천왕성 밖에 미지의 행성이 천왕성을 끌어당기고 있다고 예측했다.

망원경 관측을 통해 해왕성이 발견되었고, 뉴턴의 법칙이 다시 한번 위대함을 증명했다.

수성의 근일점 이동과 아인슈타인의 일반 상대성이론

수성의 근일점 위치가 계산과 43초 차이가 나서 뉴턴의 법칙으로 설명할 수 없었다.

르베리에는 수성 안쪽에 미지의 행성 ‘벌컨’이 존재한다고 가정했지만 발견되지 않았다.

아인슈타인은 일반 상대성이론으로 공간의 휘어짐을 설명하여 수성의 근일점 이동을 해결했다.

아인슈타인의 일반 상대성이론은 뉴턴의 법칙이 틀릴 수 있다는 것을 보여주는 과학의 본질을 보여준다.

아인슈타인의 예측과 검증: 빛의 휨 현상

아인슈타인은 일반 상대성이론으로 빛이 태양 주위를 지날 때 휘어질 것이라고 예측했다.

에딩턴은 일식 때 태양 주위의 별빛이 휘어지는 것을 관측하여 아인슈타인의 예측을 검증했다.

과학의 본질은 예측과 검증에 있으며, 아인슈타인의 이론은 예측과 검증을 통해 과학으로 인정받았다.

만유인력 법칙과 힘, 가속도의 법칙: 질량의 차이와 중력가속도

만유인력 법칙과 힘, 가속도의 법칙은 서로 다른 법칙이며, 각각 다른 질량을 사용한다.

물리학에서는 중력 질량(무게)과 관성 질량을 구분한다.

만약 중력 질량과 관성 질량이 다르다면 물체마다 떨어지는 속도가 다를 것이다.

BBC 다큐멘터리에서 진공 상태에서 볼링공과 깃털을 동시에 떨어뜨리는 실험을 통해 두 물체가 같은 속도로 떨어지는 것을 보여준다.

중력 질량과 관성 질량의 동일성 검증과 아인슈타인의 등가 원리

실험을 통해 중력 질량과 관성 질량이 1조 분의 1 정확도로 같다는 것을 알아냈다.

두 질량이 같은 이유에 대한 두 가지 해석: 우연의 일치 또는 본질적인 동일성.

아인슈타인은 두 질량이 같다고 가정하고, 이것이 등가 원리로 이어진다고 주장했다.

엘리베이터에서 느끼는 쏠림 현상은 관성력이며, 중력과 구분할 수 없다는 것이 등가 원리의 핵심이다.

지구 중심에서 머리, 심장, 발까지의 거리가 다르므로 몸의 각 부분에서 시간이 다르게 흐른다.

300억 년의 1초에 5차를 가진 정확한 시계를 이용하여 고도에 따른 시간 차이를 측정했다.

450m 높이에서는 시간이 1초당 4나노초 빨리 간다.

GPS는 시간 지연 현상을 고려하여 정확한 위치 정보를 제공한다.