중력적색이동Gravitational Red Shift
일반상대성이론의 중요한 실험적 검증과정 몇 가지 중에 중력적색이동gravitational red shift 현상이 있다. 중력적색이동 현상은 강력한 중력을 가진 천체에서 나오는 빛이 나타내는 적색이동 현상을 말한다. 중력이 강한 천체의 주위와 먼 곳에서 흐르는 시간의 속도가 각기 다르기 때문에 일어난다. 중력장을 벗어나 달아나는 광자는 운동에너지를 잃는 대신 위치에너지를 얻지만 빛의 속도가 항상 일정하기 때문에 광자는 느려지지 않는다. 그러나 위치에너지에서 광자의 진동수가 낮아지며 따라서 그 에너지가 감소한다. 에너지를 낮추기 위해 광자의 진동수가 낮아지는데, 이것이 중력적색이동이다. 거꾸로 광자가 중력장에 가까이 다가갈 때는 진동수가 높아진다. 1965년 캐나다 출신의 미국 물리학자 로버트 파운드Robert Pound와 그의 학생인 글렌 레브카Geln Rebka가 방사성 철이 방출하는 감마선을 연구해 이 효과를 측정했다.
등가원리equivalence principle(중력과 관성력은 성질이 비슷해서 서로 구별할 수 없을 때가 많다는 것으로 일반상대성원리의 기초 원리 중 하나)에 관한 두 번째 실험적 검증은 빛의 휘어짐이다. 중력은 질량뿐 아니라 에너지도 끌어당길 수 있다. E=mc2이라는 유명한 방정식은 에너지와 질량은 밀접하게 연관되어 있음을 의미한다. 태양의 중력이 질량을 가진 물체에 영향을 미치는 것처럼 태양의 중력은 빛의 경로에도 영향을 준다. 아인슈타인의 이론은 빛이 태양의 영향으로 얼마나 휠지를 정확히 예측했다. 이 예측은 1919년의 일식에서 처음 확인되었다. 영국의 과학자 아서 스탠리 에딩턴Arthur Stanley Eddington(1882~1944)은 개기일식total solar eclipse(지구가 달의 그림자 속으로 들어가 태양이 완전히 가려지는 현상)을 가장 잘 관측할 수 있는 장소인 브라질의 수브랄과 서부 아프리카 연안의 프린시페 섬으로 가는 탐사대를 조직했다. 그들의 목적은 일식이 일어나는 동안 태양 근처의 별을 사진 촬영하여 별들의 위치가 평소보다 태양 쪽으로 가까이 이동했음을 보여주는 것이었다. 별이 이동한 것처럼 보인다면 이는 별빛의 경로가 휘어진 것을 의미한다. 별은 정확히 이동해 있었다. 별빛이 이론에서 예측한 값과 똑같이 휘는 것을 측정함으로써 이 실험은 아인슈타인의 일반상대성이론에 대한 확고한 증거가 되었다. 현재 빛의 휘어짐은 우주의 질량의 분포나 다 타 버려서 더 이상 빛을 내지 못하는 작은 별 같은 물질인 암흑물질을 탐사하는 한 가지 방법으로 사용되고 있다. 암흑물질dark matter을 관측하기 위한 유일한 방법이 중력효과gravitational effect이다.
중력렌즈효과gravitational lens effect는 천문학자들이 암흑물체dark object를 확인할 수 있는 한 가지 방법이다. 암흑물체는 다른 물체들처럼 중력을 통해 상호작용한다. 다 타 버린 별들이 스스로 빛을 발하지는 못할지라도 우리가 볼 때 그 별 뒤편에 밝은 별이 있어 빛을 내는 경우가 있다. 빛이 진행하는 길에 암흑별이 없다면 빛은 직진할 것이다. 그러나 밝은 별에서 나온 빛은 암흑별을 지날 때 그 경로가 휠 것이다. 별의 왼쪽을 지나는 빛은 오른쪽으로 휠 것이며 별의 오른쪽을 지나는 빛은 왼쪽으로 휠 것이다. 마찬가지로 별의 위쪽을 지나는 빛은 별의 아래쪽으로 지나는 빛과 반대방향으로 휠 것이다. 이 효과에 의해 암흑별의 뒤에 있는 밝은 물체는 다중이미지를 만들게 되는 이를 중력렌즈효과라고 한다.
등가원리는 중력의 힘과 등가속도를 구별하기 어려움을 뜻한다. 특기할 점은 중력의 힘과 등가속도가 구별되는 것으로 그것들이 동등하다면 우리와 지구 반대편에 사는 사람들이 동시에 지구로 떨어질 수는 없기 때문이다. 즉 지구가 동시에 두 방향으로 물체를 가속시킬 수 없다는 뜻이다. 예를 들면 미국과 중국처럼 다른 곳에서 느끼는 중력은 방향이 다르기 때문에 동일한 하나의 가속도라고 말할 수 없다. 이런 등가원리의 모순은 중력을 국소적으로만 가속도로 치환할 수 있다고 주장함으로써 해결될 수 있었다. 우주의 각기 다른 장소에서, 등가원리에 따라 중력을 대신하는 가속도는 일반적으로 방향이 다르다. 이런 통찰로부터 아인슈타인은 중력이론을 다시 형식화했다. 그는 중력을 직접 물체에 작용하는 힘으로 보지 않고 시공간 기하의 일그러짐으로 기술했다. 따라서 각기 다른 장소에서 중력을 상쇄하기 위해서는 각기 다른 가속도가 필요했다. 일반상대성이론에서 중력은 시공간 내부에 존재하는 물체와 에너지가 결정하는 시공간곡률space-time curvature로 이해된다.