문서의 임의 삭제는 제재 대상으로, 문서를 삭제하려면 삭제 토론을 진행해야 합니다. 문서 보기문서 삭제토론 등가 원리 (문단 편집) === 중력 적색 편이 === 아인슈타인 등가 원리로부터 예측할 수 있는 가장 주목할만한 사실은, 중력에 의해 빛이 적색편이를 겪는다는 것이다. 빛의 에너지가 [math(\displaystyle E = h\nu = h\frac{c}{\lambda})]임을 안다면, 빛이 [math(S_2)]에서 [math(S_1)]으로 이동하면서 청색편이되고, 진동수가 증가한다는 사실을 알 수 있다. 반대로, 빛이 [math(S_1)]에서 [math(S_2)]로 이동한다면 빛은 적색편이되고, 진동수가 감소한다. 그 관계는 다음과 같다. 아인슈타인 편이(Einstein Shift)라고도 한다. || [math(\displaystyle \frac{\lambda_2}{\lambda_1} = 1 + \frac{\gamma h}{c^2})][br][br][math(\displaystyle \frac{\nu_2}{\nu_1} = 1 - \frac{\gamma h}{c^2})] || 아인슈타인 편이는 1959년 로버트 파운드(Robert Pound; 1919~2010)와 글렌 레브카(Glen Rebka; 1931~2015)가 계획한 실험에 의해 정밀하게 검증되었으며, 이를 파운드-레브카 실험이라고 부른다([*Pound&Rebka(1959) Pound, R. V.; Rebka Jr. G. A. (November 1, 1959). "Gravitational Red-Shift in Nuclear Resonance". Physical Review Letters. 3 (9): 439–441.]). 아인슈타인 편이의 예측이 1911년(1907년에 보다 복잡한 방법으로 유도) 등장한 것을 고려하면 상당히 늦게 검증된 편이며, 이로써 아인슈타인이 제기한 3대 고전 예측(수성의 근일점 이동, 빛의 굴절, 적색 편이)이 모두 검증되어 당시에는 중력파 발견에 못지 않게 주목을 받았다. 이는, 일반 상대성 이론 관련 다른 실험과 달리 지상에서 엄격히 통제되어 이루어졌을 뿐만 아니라 중력에 의한 시간 지연 효과도 함께 검증했다는 의의가 있다. 이 실험은 1958년 발견된 뫼스바우어 효과(Mössbauer effect)에 의해 가능했다. 원리는 다음과 같다. 철 등의 고체 원소에 에너지를 가해 들뜬 상태를 만들면 감마선이 방출되는데, 감마선이 방출되는 순간 에너지의 일부가 방출 핵을 뒤로 밀어내 반동을 일으키며 나아가고, 이 과정에서 약간의 에너지를 잃게 된다. 따라서, 동일한 상태의 고체에 감마선을 통과시키면 공명이 감소한다. 만약 시료의 온도가 충분히 낮아서 고체 격자가 뒤로 반동되지 않게 한다면, 감마선은 그만큼 에너지 소모가 줄어들고, 검출기가 감마선을 흡수하는 정도도 증가한다. 뫼스바우어는 1958년 이리듐-191(^^191^^Ir)로부터 방출된 129 keV의 감마선을 동일 조건의 이리듐에 통과시키는 실험에서 90K 조건에서 공명하는 감마선의 양이 증가하는 것을 확인함으로써 이 현상을 실증할 수 있었다. 뫼스바우어 효과는 아인슈타인 편이의 검증에서 온도 및 방출기의 속도 조절을 통해 감마선의 파장을 통제하는 데에 핵심적 역할을 수행했다. [*Pound&Rebka(1960) Pound, R. V.; Rebka Jr. G. A. (April 1, 1960). "Apparent weight of photons". Physical Review Letters. 4 (7): 337–341.]에서는 방출 시료와 검출 시료를 22.5m 높이로 떨어뜨리고, 철-57(^^57^^Fe)과 14.4 keV의 감마선을 이용했다. 이 때 아인슈타인 편이가 예측하는 효과는 || [math(\displaystyle \frac{\Delta \lambda}{\lambda} = 2.5 \times 10^{-15} (\mathrm{m}))] || 이다. 첫번째 실험은 오차가 10% 정도였으나, [*Pound&Snider(1964) Pound, R. V.; Snider J. L. (November 2, 1964). "Effect of Gravity on Nuclear Resonance". Physical Review Letters. 13 (18): 539–540.]에서 실험을 개선한 결과 아인슈타인 편이와의 오차를 1% 이내로 줄일 수 있었다. 이 실험 직후 Schild(1960, 1962, 1967)가 제시한 논의는, 아인슈타인 등가 원리를 매우 설득력 있게 만들어준다. 특수 상대성 이론이 성립하는 관성 좌표계에서는 적색 편이를 예측할 수 없기 때문이다. 만약 지표면에 대해 정지한 관성 좌표계가 존재한다면 [math(S_1)]과 [math(S_2)] 또한 관성 상태에 있다. 이 때 [math(S_2)]에서 [math(S_1)]을 향해 일정한 진동수 [math(\nu_2)]의 신호를 방출하고, [math(S_1)]은 진동수 [math(\nu_1)]로 신호를 받아들인다. 이렇게 신호가 [math(N)] 개의 주기만큼 방출되었다고 가정하면, [math(S_1)]과 [math(S_2)]에서 각 마루(crest) 사이의 시간 간격을 [math(\delta \tau_1, \, \delta \tau_2)]라 했을 때 || [math(N = \nu_1\delta\tau_1 = \nu_2\delta\tau_2)] || 가 된다. 정밀하게 수행된 파운드-레브카 실험으로부터 우리는 [math(\nu_1 > \nu_2)]임을 알 수 있다. 따라서, [math(\delta\tau_1 < \delta\tau_2)]를 얻는다. || {{{#!wiki style="margin: -5px -10px -5px" [[파일:EEP2.png |width=400px]]}}} || 특수 상대성 이론에 따르면, 빛의 마루로 구성된 각 신호는 첫번째 그림처럼 [math(1/c)]의 기울기로 일정하게 뻗어 나간다. 여기에 중력이라는 외부 힘을 도입하여, 두번째 그림처럼 어떤 방식으로든 각 신호의 기울기에 영향을 주었다고 하자. 그러나, 중력장이 시간에 따라 변하지 않는다면 이 기울기 왜곡은 각각의 신호가 모두 똑같아야 하므로, 각 신호가 그리는 궤적은 서로 합동이다. 이는 특수 상대성 이론이 직교 좌표계 상에서 이루어지기 때문이다. 따라서 [math(S_1)]과 [math(S_2)]에서 신호의 방출 간격 [math(\delta\tau_2)]와 도달 간격 [math(\delta\tau_1)]은 서로 같아야만 한다. 그런데 파운드-레브카 실험은 이 결론을 부정한다. 따라서 특수 상대성 이론은 지표면 좌표계를 정확히 설명할 수 없으며, 특수 상대성 이론이 틀렸거나 적어도 지표면 좌표계가 직교 좌표계라는 결론이 틀린 것이다. 여기에서 지표면 좌표계가 가속계라 가정하여 적색 편이를 예측하는 아인슈타인 등가 원리는 매우 설득력있는 해석이 된다. 몇몇 교과서에서는 아인슈타인 편이를 약한 등가 원리와 에너지 보존 법칙만을 이용해서 유도한다.([*Schutz(2009) Bernard Schutz (2009), "A First Course in General Relativity Second Edition", Cambridge University Press], [*Misner(1973) Charles W. Misner; Kip S. Thorne; John Archibald Wheeler (1973), "Gravitation", W. H. Freeman, Princeton University Press] 등 참고.) Schild의 논의는 아인슈타인 등가 원리에 대한 반대의 가능성, 즉 지표면 좌표계가 관성계라는 기존 관념을 차단해주기 때문에 아인슈타인 등가 원리를 보다 매끄럽게 받아들일 수 있는 여지를 제공한다. 그런데 아인슈타인 등가 원리를 먼저 받아들이면 순서가 꼬이기 때문인지 Schild의 논거를 받아들이는 교과서에서는 보통 약한 등가 원리를 기반으로 적색 편이를 유도하고 Schild의 논의를 살핀 다음 아인슈타인 등가 원리를 도입한다. 이 문서의 흐름은 S.Carroll의 Spacetime and Geometry (2004)와 유사하다. 어느 쪽이든, 약한/아인슈타인 등가 원리로부터 중력 적색 편이를 유도하기 위해서는 특수 상대성 이론이 필수적이다. 뉴턴 역학만을 이용했을 때 중력 적색 편이가 유도되지 않는다는 것은 [*Florides(2013) PS Florides, 2013, "Einstein's Equivalence Principle and the Gravitational Red Shift II", School of Mathematics, Trinity College, Dublin 2, Ireland] 등에서 다룬 바 있다. 아인슈타인 등가 원리에서는 광속 불변 원리가 전제되어야 하며, 약한 등가 원리에서는 질량-에너지 등가성이 필요하다. 결과론적으로 보자면 적색 편이는 동기를 제공하기 위한 발견법적인 장치에 지나지 않기 때문에 이 논의를 선호하지 않는 교과서에서는 일절 인용하지 않기도 한다.저장 버튼을 클릭하면 당신이 기여한 내용을 CC-BY-NC-SA 2.0 KR으로 배포하고,기여한 문서에 대한 하이퍼링크나 URL을 이용하여 저작자 표시를 하는 것으로 충분하다는 데 동의하는 것입니다.이 동의는 철회할 수 없습니다.캡챠저장미리보기