로렌츠 변환 |
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시공간 간격
비상대론에서는 공간의 3차원과 시간의 1차원이 서로 별개로 주어진다.
즉 시간은 공간의 좌표계의 선택에 관계없이
일정하게 진행되므로 시공간의 차원은 4차원이라기보다 3차원 + 1차원으로
취급한다. 이 공간의 3차원은 좌표계의 선택에 따라 좌표값들이
다르게 매겨질 수 있다. 물체의 운동을 기술할 때
기본이 되는 좌표계를 바꾸는 것을
좌표변환
(coordinate transformation)이라고 한다.
이들 좌표변환 중에는
공간의 두 지점사이의 거리는 좌표계에 무관한 양이므로
어떤 좌표변환을 하더라도 이 값이 일정하게 되어야 한다.
이렇게 좌표변환에서 그 값이 유지되는
양을
불변량
(invariant)이라 한다.
즉
그러나 상대론에서는 거리가 더 이상 불변량이 아닌 것 을 잘 알고 있다. 즉 길이수축에서 본 것처럼 이제 두 지점 사이의 거리는 이것을 관찰하는 좌표계에 따라 달라질 수 있다. 그러면 무엇이 불변량일까? 우선 아래 그림에서 '운동'을 눌러보자. 이 그림은 '시간팽창'에서 도입했던 '펄스 시계'를 각각 다른 속도로 이동하는 두 좌표계에서 본 것이다. 펄스 시계는 화면에 대해 정지해 있고, S 밑 S'의 두 좌표계는 각각 서로 다른 속도로 왼쪽으로 이동하고 있다.
이들 두 좌표계에서는 펄스의 경로가 다르게 관측된다. 즉 S 좌표계 입장에서는 펄스가 더 긴 경로를 따라가므로 펄스가 방출되어 다시 되돌아오는데 걸리는 시간이 길어진다. 그러나 S' 좌표계는 이동 속도가 S에 비하여 느리므로 펄스가 왕복하는데 걸리는 시간이 S 좌표계보다는 덜 걸린다. 따라서 펄스가 방출되는 사건(사건 1)과 되돌아온 사건(사건 2) 사이에서 불변량은 다음과 같이 도출해 볼 수 있다.
우선 위 그림에서 펄스가 방출될때 두 좌표계는 일치되어 있고, 시간도 0으로
일시시켰다. 또 펄스가 방출되는 지점도 각 좌표계의 원점이다. 즉 사건 1은
그리고 각 좌표계에서 빛이 이동한 거리인 이등변삼각형의
빗변의 길이와 경과시간은 관련되어 있다. (빗변의 길이
이 된다. 이를 다시 정리하면,
는 불변량의 하나인 것을 알 수 있다. 이 불변량을 시공간 간격 (spacetime invariant)이라고 한다. |
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