아인슈타인의 상대성 이론과 팽창하는 우주
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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