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일반 상대성이론

by 크리에이터가 되고 싶은 1인 2025. 1. 29.

일반 상대성이론(一般相對性理論, 독일어: allgemeine Relativitätstheorie, 영어: theory of general relativity) 또는 일반상대론(一般相對論, 영어: general relativity)은 1915년 발표된 알베르트 아인슈타인의 고전적 중력이론으로, 특수 상대론을 확장한 기하학적 중력 모형에 근거하여 뉴턴의 만유인력 법칙을 수정한 이론이다. 일반 상대론은 현대의 실험 결과들과 일치하는 가장 단순한 중력 이론이며 현대 물리학에서 중력을 기술하는 표준 이론으로 자리잡았다.

고전역학이 중력을 전자기력과 같은 역학적 힘으로 간주하는 반면 일반 상대론에서는 중력을 시공간의 휘어짐으로 기술하며, 이 때 물질이 받는 중력은 질량이 만드는 시공간의 곡률을 따라 자연스럽게 진행한 결과로 이해한다. 이는 수학적으로 리만 기하학에 의해 기술된다. 특수 상대론에서 시공, 일반 상대론에서 곡률을 고려한 시공간은 국소적으로(locally) 민코프스키 공간인 준 리만 다양체(로런츠 다양체)이다. 따라서, 일반 상대론에서 중력 법칙은 중력장의 역할을 하는 시공간 다양체의 곡률과 그 근원이 되는 물질-에너지를 연관짓는다. 이것은 수학적으로 아인슈타인 방정식으로 표현된다.

일반 상대론은 고전적인 상황(낮은 밀도와 압력)에서 뉴턴의 중력 법칙과 케플러 법칙에 수렴하지만, 그로부터 벗어나는 극한적(높은 밀도와 압력) 상황일수록 그로부터 벗어난다. 따라서, 일반 상대론의 기존 중력 법칙에 대한 실질적 우위는 이 오차를 확인하는 데에서 나온다. 이것은 수성의 근일점 이동(1915), 중력장에 의한 빛의 굴절(1919), 중력 적색 편이(1960)라는 중요한 세 가지 고전적 실험을 통해 정밀하게 입증되었다.

일반 상대론은 현대의 표준 중력 이론으로, 천체물리학과 우주론의 기반이 된다. 천체물리학에서 일반 상대론은 중성자별, 블랙홀이라는 밀도가 매우 높아 극한의 중력 환경을 제공하는 새로운 종류의 천체를 예측한다. 이러한 천체들의 쌍성이나 충돌 과정에서 발생하는 것으로 예측된 중력파는 관측 천문학에서 특히 주목받는 현상으로, 최근 미국의 LIGO에서 첫 직접 검출(2015)이 성공한 이후 이들에 대한 분석은 다양한 성과를 내고 있다. 또한, 현대 우주론이 우주의 진화와 구조를 연구하기 위해 도입하는 다양한 이론과 가설(빅뱅 우주론 등)의 이론적 기반이 된다.

이렇듯 물리학의 많은 문제를 해결한 일반 상대론에는 여러 중요한 과제가 당면해 있는데, 먼저 양자역학과의 융합 문제이다. 이는 양자 중력 문제로 이어진다. 아직까지 양자 중력을 성공적으로 설명하는 것으로 여겨지는 이론은 존재하지 않는다. 이 문제는 블랙홀 내부의 특이점, 그리고 빅뱅 초기의 우주를 설명하는 데 장애가 된다. 일반 상대론은 이 지점에서 붕괴하므로, 선험적으로 불완전하다고 여겨진다. 또한 천문학의 여러 관측 사실들을 설명하기 위해 도입하는 암흑물질, 암흑 에너지 등의 개념은 일부 학자들에게 만족스럽지 않아 20세기 중반 이후 다양한 대안 이론을 제안하는 배경이 되었다.