19세기 말까지는 역학(力學)이나 전자기학(電磁氣學) 의 현상은 3차원의 범위를 가진 공간 속에서 일어나고 있으며, 시간과 함께 변화해간다고 생각하고 있었다.

뉴튼의 역학의 이론이라든가 맥스웰의 전자기학의 이론과, 관측이나 실험 사이에는 모순은 찾아 볼 수 없었다.

지상에서 측정한 빛의 속도가 방향에 따라서 다르지 않다는 데서, 해석에 문제가 생겼다.

아인슈타인은 이들 두 이론이 양쪽이 모두 옳다고 한다면, 모순을 내포한다는 것을 깨달았다.

그리고 3차원의 공간과 1차원의 시간을 합친 4차원의 공간(민코프스키 공간) 속에서 현상을 기술하면, 뉴튼의 역학에 수정을 가함으로써, 전자기학과 양립시킬 수 있음을 제시하였다.

이것이 1905년에 발표된 상대성 이론이다.

〔상대성원리와 광속도불변의 원리〕 이 이론은 두 가지의 가정에서 출발한다.

하나는 (특수)상대성원리라 불리는 것으로, 서로 등속도운동하고 있는 두 실험실은 대등(對等)하여, 어느 쪽 실험실에서 일어나는 현상도 완전히 똑같은 것으로서, 등속운동의 영 향은 없다고 하는 가정이다.

한쪽 실험실에서 힘이 작용하지 않는 물체의 운동의 상태는 변하지 않는다는 관성의 법칙이 성립해 있으면. 다른 하나의 실험실에서도 관성의 법칙이 성립한다(이들 실험실을 관성계〈慣性系〉라 한다).

등속도로 비행하는 제트기속에서 손에 든 것을 놓으면 발밑으로 떨어진다.

이것은 지상과 똑같은 법칙이 성립하기 때문이다.

또 하나는 광속도불변의 원리라 불리는데, 물질이 아무 것도 없는 진공 속에서는, 광속도는 광원(光源)이 움직이고 있거나 서 있거나, 일정한 똑같은 값을 지닌 다는 생각이다.

이것을 인정하면, 광속도에 가까운 속도로 달리고 있는 사람이 가진 광원에서 나온 빛 은, 서 있는 사람이 가진 광원에서의 빛과 같은 속도 라는 것이 된다. 이것은 수긍이 가지 않는다고 생각 할지도 모른다.

그러나 그것은 이제까지의 경험에서 오는 선입관에 사로잡혀 있기 때문이다.

속도란 단위시간에 얼마만큼의 거리를 나아가느냐를 나타내는 양이다.

시간이 진행하는 방식, 거리를 재는 방식에 문제가 있다.

상대성이론에서는 길이나 시간은 관성계마다에 일정한 양이다.

어떤 관성계에서의 길이 l, 시간 t는 이 계(系)에 대하여(l의 방향으로 일정 한) 속도 U로 움직이고 있는 다른 관성계에서 볼 때, 다음과 같은 길이 l’, 시간 t’가 되는 것이다.

이들 식 속의 C는 진공 속의 광속도이다.

그 뿐만이 아니다. 멎어 있을 때에 질량 를 가진 물체가 속도 U로 움직이고 있을 때, 질량은 다음 식의 m으로 증가하여, 에너지는 E라는 결과가 나온다.

물체가 서 있을 때(v=0)의 에너지 을 정지 에너지라 한다. 속도 v가 광속도 c에 비하여 작을 때에는,

이 되어, 사실상 뉴튼 역학의 운동에너지와 일치한다.

다시 말해서 속도가 느릴 때에는, 상대성이론과 뉴든 역학과의 차이가 보이지 않게 된다.

상대성이론이 옳다는 것은, 극미(極微)의 세계에서 완전히 확되어 있다. 원자력에너지는, 우라늄이나 플루토늄의 원자핵이 분열했을 때에, 감소한 질량이 에너지의 형태로 전환된 것이다.

소립자(素拉子)의 물리의 분야에서는, 전자기의 에너지를 써서, 질량을 가진 여러 가지의 소립자를 만들어내는 반응, 소립자의 충돌에 의하여 질량이 서로 다른 별도의 소립자가 생기는 반응 등이 상세히 밝혀져 있다.

〔중력을 다룬 일반상대론〕

상대성이론은 공간과 시간을 대등하게 다루는 획기적인 이론이었는데, 중력의 효과를 다룰 수가 없었다.

중력하에서 가속도운동을 하고 았는 실험실은 관성계가 아니게 되어버리는 것이다.

중력을 다루는 상대성이론을 만들어낸 것은 아인슈타인이었다.

그때까지의 상대성이론을 특수상대(성이)론이라 부르고, 1915년의 새로운 이론을 일반상대(성이)론이라 불러서 구별한다.

밧줄이 끊어져서 떨어지는 엘리베이터 속을 상상해 보자.

이 속에서 일어나는 물리적 현상과, 중력이 없는 곳에 놓인 엘리베이터 속에서의 물리적 현상을 구별 할 수는 없다.

중력에 의한 낙하 때에는, 가속도운동에 의한 겉보기의 힘이 중력을 상쇄하고 있는 것이 다.

이렇게 생각한 아인슈타인은, 진짜 힘과 겉보기의 힘은 본래 통일한 것으로, 원리적으로 구별할 수 없다고 주장했다.

중력이 없는 곳에서도, 적당한 가속도를 가진 운동을 하고 있는 실험실 속에서는, 지상과 똑같은 조건을 만들어낼 수가 있는 것이다.

그렇다면 중력은 어떻게 생각하면 되는가? 4차원의 시간공간(시공〈時空〉이라고도 한다)의 일그러짐(변형) 이라 생각한다.

시공은 실험실(또는 그 실험실이 빚어 보이는 좌표계)마다 일정하다.

중력이 없을 때(시공에 변형이 없을 때), 일반상대론은 특수상대론에 일치하도록 만들어져 있다. 반대로, 질량이 큰 물체 가까이의 시공은 변형이 크다.

변형이 극단적으로 커져 있는 곳은, 예컨대 블랙 홀의 근처이다.

〔광선이 중력에 의하여 구부러진다〕 지상에서 수평으로 던진 물체는 중력에 의하여 궤적이 굽는다는 것을 우리는 알고 있다.

다음과 같이 생각하면 빛도 중력에 의하여 굽는다는 것을 알 수 있다.

다시 낙하하는 엘리베이터 속의 실험실을 생각하자.

한쪽 끝에서 수평으로 발사된 빛은 어디에 도달하느냐? 엘리베이터 속은 무중력이므로 빛은 직진해서, 유한시간 후에 발사점과 같은 높이의 다른 끝에 도달한다.

그런데 이것을 지상에서 보고 있는 사람에게는, 빛이 도달하기까지에 엘리베이터는 유한거리만큼 낙하한다.

빛이 도달하여 빛난 위치는 빛이 발사된 점 보다 낮다.

광선이 중력에 의하여(또는 시간과 공간의 변형에 의하여) 구부러졌다고 결론을 내리지 않 을 수 없다.

이 예언은, 일반상대론이 탄생한 4년후 (1919년)의 개기일식(皆旣日蝕) 때, 태양 가까이를 지나는 광선의 진로가 굽는다는 것이 관측됨으로써, 옳다는 것이 확인되었다.

오늘날까지 중력이 강한 곳에서는 확실히 시공이 변형되어 있다는 증거가 잇 따라 발견되었다.

일반상대론은, 우주의 탄생과 발전을 설명하는 강력한 이론이다. 오늘날에는 우주 전 체를 다루는 우주론과, 극미(極微)의 세계를 기술하는 소립자 물리학에 밀접한 관계가 있다는 것이 확인되었으며, 우주 물리학자와 소립자 물리학자가 협력하여 이 새로운 분야의 해명에 몰두하고 있다.