Transcript 알아보기 일반 상대성 이론

<학습 목표>
•일반 상대성 이론의 기본 원리를 이해한다.
•블랙홀과 중력 렌즈 현상을 설명할 수 있다.
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별이 왜 여러 개로 보일까?
<생각해 보기>
-
천체가 여러 개로 보이는 이유는 무엇인가?
☞ 은하단은 수많은 은하가 모여 있는 천
체이므로 전체 질량이 매우 크다. 이렇게
큰 질량의 천체는 중력 렌즈 효과에 의해
빛을 굴절시킨다. SDSS J1004+4112 은
하단 뒤에 있는 퀘이사에서 나오는 빛은
은하단을 통과하면서 굴절된다. 이때 은
하단을 통과하는 위치에 따라 중력 렌즈
효과가 다르게 나타나므로 빛은 한 점에
모이지 않는다. 그러므로 지구에서 퀘이
사를 볼 때, 서로 다른 지점에서 빛이 나
오는 것으로 관찰되어 천체가 여러 개로
보인다.
▲ 허 블 망 원 경 으 로 찍은
SDSS J1004+4112 은 하 단
주변
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별이 왜 여러 개로 보일까?
<생각해 보기>
-
물체가 어떤 경우에 여러 개로 보이는가?
☞ 유리, 플라스틱 등의 투명한 재질로 만들어진 렌즈는 빛이 잘 통과하
지만, 렌즈의 굴절률이 공기와 달라서 빛이 렌즈를 통과하는 과정에서 방
향이 바뀌므로 빛을 모으거나 분산시킬 수 있다. 이런 원리를 이용하여
어떤 물체를 보면 그 물체들이 확대되거나 축소되고, 경우에 따라서는 더
밝아지거나 어두워져 보이게 된다. 쌍안경이나 망원경, 현미경 등은 바로
렌즈의 이런 성질을 이용한 것으로, 이러한 현상은 우주에서도 일어나고
있다. 수십억 광년 떨어진 천체에서 방출된 빛이 우주로 퍼져 나가다 그
중 일부가 지구의 망원경에 도달하면 관측자는 천구 상의 특정한 위치에
그 천체가 있음을 알 수 있다. 만약 이 빛이 지구까지 오는 경로 가운데에
렌즈가 있다면, 지상의 관측자는 원래의 천체가 확대 혹은 변형된 모습을
보거나 경우에 따라서는 여러 개로 보게 된다.
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엘리베이터 안에서 일어나는 일을 알아보자.
<미니탐구> 엘리베이터에서 몸무게 측정하기
1. 체중계를 이용하여 자신의 몸무게를 측정한다.
2. 엘리베이터 안에서 체중계 위에 올라선 다음 엘리베이터가 올라가는 동
안 몸무게의 변화를 관찰한다.
3. 다시 아래층으로 내려가는 버튼을 누르고 엘리베이터가 내려가는 동안
몸무게의 변화를 관찰한다.
4. 다음 표에 몸무게의 변화를 기록한다. (단, 1 kg의 무게는 10 N이다.)
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엘리베이터 안에서 일어나는 일을 알아보자.
<미니탐구> 엘리베이터에서 몸무게 측정하기
◈엘리베이터가 운동할 때 몸무게가 변하는 것을 어떻게 설명할 수
있는가?
☞ 가속에 의한 관성력과 중력의 합으로 설명할 수 있다. 몸무게는 관성
력과 중력 방향이 같으면 증가하고, 반대이면 감소한다. 관성력은 가속
도와 반대 방향으로 작용한다. 엘리베이터가 올라가면서 가속하거나 내
려오면서 감속하면 관성력과 중력이 모두 아래 방향으로 작용하므로 몸
무게가 증가한다. 반대로 엘리베이터가 올라가면서 감속하거나 내려오
면서 가속하면 관성력은 위, 중력은 아래 방향이므로 몸무게는 감소한
다.
◈만일 엘리베이터가 자유 낙하한다면 몸무게는 어떻게 변하는지 토
의해 보자.
☞ 엘리베이터가 아래로 가속될 때 몸무게가 감소한다. 만일 엘리베이터
가 자유 낙하한다면 몸무게는 0이 될 것이다.
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일반 상대성 이론
일반 상대성 이론
일반 상대성 이론은 ‘등가 원리’를 바탕으로 하여 특수 상대성 이론을 발전
시킨 이론이다. 가속 좌표계에서 물리 현상을 설명하였으며, 중력과 시공간
의 관계를 나타내였다.
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1. 등가 원리
가속 좌표계에서 관성력은 근본적으로 중력과 구별되지 않는다.
예) 가속 운동을 하는 로켓에서 물체를 놓으면 물체는 관성에 의해 일정한
속력으로 운동한다. 그런데 로켓이 가속되고 있으므로
로켓 안의 사람은 물체가 아래 쪽으로 가속되는
것으로 본다.
▲중력에 의해 나타나는 현상
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▲가속에 의해 나타나는 현상
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2. 빛의 굽어짐
(1) 중력에 의해 빛이 굽어진다.
(2) 실제로 태양 근처에서는 중력에 의해 빛이 휘어진다는 것이 확인되었다.
(3) 중력 렌즈 : 중력이 렌즈처럼 빛을 휘게 하는 현상
예) 은하단 뒤쪽에 있는 퀘이사의 빛이 중앙에 위치한 은하단의 중력에
의해 휘어져서 여러 개로 보인다.
▲ 중력 렌즈 원리
▲ 아인슈타인의 십자가
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3. 공간의 휨
(1) 중력에 의해 공간이 휘어진다.
(2) 질량이 큰 천체 근처에서 빛이 휘어지는 것은 공간이 휘어져 있기 때문이
다.
▲ 사과의 낙하
▲ 태양 근처를 지나는 빛
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4. 중력에 의한 시간 지연
(1) 중력에 의해 시간의 흐름이 느려지므로 중력이 강한 곳일수록 시간의
흐름이 느려진다.
예) 원판 밖에서 보면 시계 1은 정지하고 시계 2는 운동하므로 시계 2의
시간이 더 느리게 간다.
▲ 회전하는 원판 위의 시계
(2) 블랙홀 경계면으로 가면 시간은 정지한다.
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개념 넓히기 일반 상대성 이론의 적용
1. 수성의 세차 운동
(1) 세차 운동 : 수성은 태양을 초점으로 하는 타원 운동을 한다. 이때 타원
축이 조금씩 회전하면서 근일점의 위치가 변하는 것
(2) 수성의 세차 운동은 다른 행성에 의한 만유인력으로만 설명하면 미세한
차이가 나타난다. 그 미세한 차이를 일반 상대성 이론을 적용하여 태양
의 중력 효과를 고려하면 정확하게 설명할 수 있다.
◀ 수성의 세차 운동
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개념 넓히기 일반 상대성 이론의 적용
2. 중력파
(1) 중력파 : 큰 질량을 가진 천체가 운동할 때 생기는 공간의 일그러짐이
파동이 되어 주위로 퍼져 나가는 것
(2) 중력파는 아직 발견되지는 않았지만, 그 속도는 빛과 같은 속도일 것이
라고 추측한다.
▲ 회전하는 두 물체에 의한 중력파 상상도
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개념 넓히기 일반 상대성 이론의 적용
3. 블랙홀
(1) 블랙홀은 일반 상대성 이론에 의해 그 존재가 예언되었다. 엄청난 질량
이 좁은 공간에 집중되어 있는 블랙홀은 공간을 극단적으로 휘게 한다.
(2) 블랙홀에서는 빛조차도 빠져나올 수 없어 마치 아무 것도 없는 공간처
럼 보인다.
(3) 사건 지평 : 블랙홀의 경계면에서는 시간이 멈춘 것처럼 보인다.
▲ 블랙홀 주변을 지나는 빛의 경로
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가 하
평
기
개념
1. 등가 원리에서 관성력과 동일하게 생각되는 것은 무
엇인가?
☞ 중력
2. 중력이 주변 공간을 휘게 하여 렌즈처럼 빛을 휘게
하는 현상을 무엇이라고 하는가?
☞ 중력 렌즈
창의
3. 블랙홀을 찾아내는 방법을 생각해 보자.
☞ 블랙홀 근처 사건의 지평선으로 주변 물질이 빠른 속도
로 빨려 들어가면서 방출하는 X선을 관측한다.
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