Paik-1

아인슈타인의 상대성 이론과 아인슈타인의 상대성 이론과 팽창하는 우주팽창하는 우주

Maryland 대학 물리학과백호정

주최 : 재미 한인 물리학자 협회 (AKPA)

Maryland 대학 물리학과

후원 : 한미 과학 협력 쎈터 (KUSCO)한국일보

2005 년 세계 물리학의 해 기념 공개 강좌

Paik-2

1905 년 , 아인슈타인의 기적의 해1905, Einstein’s Miracle Year

• 3/17: 광전 효과빛은 입자인가 , 파동인가 ?아인슈타인 : “ 빛은 입자다 (E = hf)”

양자 역학 , 1921 년 노벨 물리학상

• 5/11: 브라운 운동원자가 실제로 존재하는가 ?아인슈타인 : “ 원자는 실존할 뿐 아니

라 , 크기를 측정할 수 있다”

원자물리학 , 고체물리학

• 6/30: 특수상대성 이론시간과 공간은 절대적인가 ?아인슈타인 : “ 시간과 공간은

상대적이다”

일반상대성 이론 , 천체물리학 , 우주학

Paik-3

상대성 원리Principle of Relativity

• 갈릴레오 : 일정한 속도로 움직이는 배 안에서의 물체의 운동은 움직이지 않을 때와 같다 Relativity

• 아인슈타인 : 일정한 속도로 움직이는 배 안에서의 모든 물리 현상은 움직이지 않을 때와 같다 Faraday

실험 1: 기차

실험 2: 자석

예 : 빛의 속도 c

빛 = 전자파

관찰자의 속도에 관계 없이 , c = 1 초에 300,000 km!

ｃ

정지

v

시간이나 거리가 달라지지 않고서는 빛의 속도가 같을 수 없음 !

Paik-4

맥스웰 방정식 안에 상대성 원리Relativity in Maxwell’s Equations

•

• 전자파 : B(t) E(t) B(t) E(t) …

• 아인슈타인의 관찰 :

01

0

01

0

tc

tcE

B'B'

B'EE

맥스웰 방정식 (1864)

근원이나 관찰자의 속도가 맥스웰 방정식에 들어오지 않음

,BB' c

01

01

2

2

22

2

2

22

B'

E

tc

tc

파동 방정식

빛의 속도는 관찰자의 속도에 관계 없이 일정하다 !

Paik-5

특수상대성 이론Special Theory of Relativity

• 시간과 공간은 관찰자의 상대 속도에 따라 달라진다 움직이는 물체의 길이는 단축되고 , 시계는 더 느리게 뛴다 .

• 질량은 에너지와 동등하다 : E = mc2 히로시마 , 1945년

Paik-6

Muon 수명 실험 1Muon Lifetime Experiment 1

기대되는 Muon 비율 :

01.0)Jungfrau(

)Bern(

N

N

Experiment

고에너지 입자 뮤온 전자 + 뉴트리노

반감기 : 1.5610 －６

ｓ평균 속도 : 　０．９８ｃ반감거리 : 　４６０　ｍ

Paik-7

Muon 수명 실험 2Muon Lifetime Experiment ２

Bern 의 입장에서

Muon 의 수명이 ５배 길어 보임

Muon 의 입장에서

Jungfrau 산이 5 배 낮아 보임

Paik-8

갈릴레오의 자유낙하 보편성Galileo’s Universality of Free Fall

실험 3: 깃털

• 가벼운 물체나 무거운 물체나 같이 떨어진다

뉴턴 : 중력 질량 = 관성 질량

• 뉴턴의 중력 법칙은 특수상대성 이론과 모순이다

갈릴레오~1620 년

스캇 1971

년

Paik-9

아인슈타인의 등가 원리Einstein’s Equivalence Principle

• 자유 낙하하는 엘리베이터 안에서의 모든 물리 법칙은 중력이 없는 경우와 같다

• 질량은 시공간을 굽게 한다 중력은 시공간의 곡률에 지나지 않는다 빛도 태양 주위를 지나갈 때 굴절한다 ( 중력 렌즈 현상 )

• 아인슈타인의 일반상대성 이론 (1915) 뉴턴의 법칙을 특수상대성 이론과 조화

실험 4: 엘리베이터

실험 5: 곡면

Paik-10

일반상대성 이론General Theory of Relativity

• 시공간의 곡률이 파동으로 전달된다 중력파

• 우주가 팽창하고 있다 ! 우주의 시작 ?

아인슈타인 우주상수 도입하여 팽창 막음 현재 과거

웨버 (1960)

?

ＬＩＧＯ 중력파 탐지기 ( ２００５ )

Paik-11

팽창하는 우주 1E ｘ panding Universe 1

• 허블 (1929): 은하계들의 빛의 적색치움침 발견 실험 6: Doppler

아인슈타인 :

“ 우주상수 도입한 것은 내 일생에 가장 큰 실수”

적색 치우침

청색 치우침

Paik-12

팽창하는 우주 2E ｘ panding Universe 2

• 펜지아스와 윌슨 (1965 년 ): 우주 초단파 배경 탐지 대폭발 40 만년 후 모습

(80 세 인간 : 하루 )

우주 탄생의 메아리 !

Paik-13

팽창하는 우주 3E ｘ panding Universe 3

• 우주의 나이 : 약 140 억 년

• 우주의 팽창이 가속되고 있음 !

우주 상수 재 등장 , 암흑 에너지 ?

암흑 에너지 ?

희미한 뉴트리노

별들

자유 수소 및 헬륨

암흑 물질 ?

무거운 원소들

실험 7: 풍선

아인슈타인의 가장 큰 실수가 가장 큰 업적 ?

Paik-14

하늘의 불꽃놀이 － 은하계들Ｈｅａｖｅｎｌｙ　Ｆｉｒｅｗｏｒｋｓ

－ Ｇａｌａｘｉｅｓ

안드로메다

소용돌이

쏨브레로

쎈토리스 스테판의 다섯 쌍둥이 결합 중인 두 은하계

Paik-15

하늘의 불꽃놀이 － 성운들Ｈｅａｖｅｎｌｙ　Ｆｉｒｅｗｏｒｋｓ

－ Ｎｅｂｕｌａｓ

호흡운동 기록기 원추

Ｖ８３８　

개미

반지

고양이 눈

독수리 유리 시계