1905년 아인슈타인은 두 가지 간단한 가정으로 세상의 시간과 공간을 완전히 뒤바꿨습니다.
① 상대성 원리: 등속 직선 운동을 하는 모든 관성 좌표계에서, 물리 법칙은 동일하게 적용됩니다.
② 광속 불변의 원리: 빛의 속도는 관측자의 운동 상태와 관계없이 항상 일정합니다. c = 3 × 10⁸ m/s
빠르게 움직이는 우주선 안의 시계는 지구에서 보았을 때 더 느리게 째깍거립니다.
t₀ = 우주선 내 시간(고유 시간) · t' = 지구에서 관측한 시간 · γ = 로렌츠 인수
| 속도 | v/c | γ | 효과 |
|---|---|---|---|
| 시속 100km | ≈0.0000001 | ≈1.000 | 거의 없음 |
| 0.5c | 0.5 | 1.155 | 15% 느려짐 |
| 0.9c | 0.9 | 2.294 | 2.3배 느려짐 |
| 0.99c | 0.99 | 7.089 | 7배 느려짐! |
| 0.999c | 0.999 | 22.37 | 22배!! |
빠르게 움직이는 물체는 이동 방향으로 길이가 줄어듭니다!
그리고 아인슈타인의 가장 유명한 공식:
질량은 곧 에너지입니다. 1g의 질량이 완전히 에너지로 변환되면 약 90조 줄(TJ) — 이것은 TNT 약 21,500톤에 해당하는 어마어마한 에너지입니다!
쌍둥이 B가 0.9c로 먼 별까지 다녀오면, B의 시계로 10년이 지나도 지구의 A에게는 약 23년이 지납니다!
GPS 위성은 빠르게 궤도를 돌며, 시간 팽창 보정 없이는 하루에 약 11km의 위치 오차가 발생합니다.
빛의 99.9999%로 가속된 입자는 시간 팽창으로 수명이 수십 배 늘어납니다.
E=mc²: 극소량의 질량 결손이 엄청난 에너지로 변환됩니다.
전자빔이 빛의 30%까지 가속되며, 상대론적 보정이 필요합니다.
가상실험 결과를 바탕으로 보고서를 작성하세요.
빛의 속도가 일정한데 왜 시간이 느려지는지, 빛 시계 사고실험을 이용하여 설명하세요.
관찰한 우주선 시간과 지구 시간의 차이를 구체적 수치와 함께 서술하세요.
GPS 위성의 시간 오차가 위치 정확도에 어떤 영향을 미치는지, 보정 전후를 비교하여 서술하세요.
핵분열과 핵융합의 에너지 효율 차이, 그리고 실제 기술 적용 사례를 설명하세요.
개념학습과 가상실험을 바탕으로 풀어보세요!