일반 상대성이론

베른 특허국에 재직하던 아인슈타인이 자유낙하하는 사람은 자신의 무게를 느끼지 못한다는 통찰에 도달함. 가속에 의한 관성력과 중력이 국소적으로 구별되지 않는다는 등가원리로, 훗날 스스로 "생애 가장 행복한 생각"이라 회고한 착상. 중력을 시공간의 기하학으로 다루는 일반 상대성이론의 출발점.

아인슈타인이 수학자 마르셀 그로스만과 함께 텐서 해석과 리만 기하학을 중력에 응용한 초안 이론(엔트부르프)을 발표함. 중력장을 시공간의 계량 텐서로 기술하는 틀을 세웠으나 장방정식이 일반 공변성을 완전히 갖추지 못한 미완의 단계. 최종 장방정식으로 나아가는 핵심 징검다리.

아인슈타인이 새 중력 이론으로 수성 근일점의 이상 이동을 계산해 프로이센 과학 아카데미에 보고함. 뉴턴 역학으로 설명되지 않던 100년당 약 43초의 세차를 이론값과 일치시킨 결과. 이론이 관측 사실을 정량적으로 설명한 첫 성공으로, 완성 직전 이론에 결정적 자신감을 준 사건.

아인슈타인이 논문 「중력의 장방정식」으로 일반 상대성이론의 최종 장방정식을 프로이센 과학 아카데미에 제출함. 물질·에너지 분포와 시공간 곡률을 대응시키는 일반 공변 형태의 방정식을 완성한 사건으로, 1907년 등가원리 착상에서 시작된 일반 상대성이론의 형성이 이론적으로 완결된 핵심 시점.

아인슈타인이 종합 논문 "일반 상대성이론의 기초(Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie)"를 1916년 3월 20일 학술지 안날렌 데어 피지크에 제출함. 등가원리부터 장방정식까지 이론 전체를 체계적으로 정리해 같은 해 제49권 제7호에 게재된 집대성 논문. 약 10년에 걸친 연구를 종합해 이후 상대론 연구의 표준 참고 문헌이 된 저작.

아인슈타인이 선형화한 장방정식의 근사해를 다룬 논문에서 중력장의 교란이 빛의 속도로 파동처럼 전파될 수 있음을 제시함. 1916년 계산에는 뒤에 수정된 요소가 있었으나 중력파를 수학적으로 다룬 최초의 체계적 이론 작업. 이후 이론적 정교화와 간접·직접 관측으로 이어진 일반 상대성이론의 핵심 예측.

아인슈타인이 「일반 상대성이론에 대한 우주론적 고찰」에서 일반 상대성이론을 우주 전체에 적용하며 장방정식에 우주상수 Λ를 추가하고 균일한 정적 우주 모형을 제시함. 당시 정적이라고 여겨지던 우주를 상대론으로 기술하려는 시도였으며, 이후 비정적 우주 해와 우주 팽창 논의의 출발점 가운데 하나가 됨.

프랭크 다이슨이 조직하고 아서 에딩턴·찰스 데이비슨 등이 참여한 영국 원정대가 프린시페와 브라질 소브랄에서 개기일식을 관측해 태양 근처 별빛의 편향을 측정함. 세 관측 자료 중 두 자료가 일반 상대성이론의 예측과 부합했고 한 자료는 초점 문제로 신뢰도가 낮다고 판단한 결과. 1919년 11월 공동학회 발표 뒤 일반 상대성이론과 아인슈타인이 세계적 주목을 받은 검증 사건.

프린시페와 소브랄에서 얻은 건판 측정값을 종합해, 태양 가장자리 근처 별빛의 휘어짐이 일반 상대성이론의 예측과 부합한다고 발표함. 채택된 두 주요 측정 결과는 약 1.98초각과 1.61초각으로, 아인슈타인의 예측값 약 1.75초각을 지지함. 이튿날부터 영국과 국제 언론이 대대적으로 보도해 아인슈타인이 세계적 명사가 되는 전환점이 됨.

알렉산드르 프리드만의 논문 「공간의 곡률에 대하여」가 『Zeitschrift für Physik』에 접수됨. 아인슈타인 장방정식에서 우주의 곡률 반지름이 시간에 따라 증가하거나 주기적으로 변할 수 있는 해를 제시해, 정적 우주만을 가정했던 초기 상대론적 우주론을 넘어 팽창·수축하는 우주가 일반 상대성이론 자체에서 가능함을 보인 성과.

J. 로버트 오펜하이머와 하틀랜드 스나이더가 충분히 무거운 별이 에너지원 소진 뒤 계속 붕괴하는 과정을 일반 상대성이론의 장방정식으로 계산한 논문을 발표함. 이상화된 압력 없는 별의 모형에서 함께 움직이는 관찰자에게 붕괴가 유한한 고유시간 안에 진행되는 반면, 먼 관찰자에게는 표면이 중력반지름에 점근하는 것으로 나타남을 계산함. 후대에 블랙홀 형성을 설명하는 고전적 중력붕괴 모형으로 자리잡은 연구.

로버트 파운드와 글렌 레브카가 하버드대학교 제퍼슨 물리학 실험실의 약 22.5미터 탑에서 감마선의 중력에 따른 진동수 변화를 측정한 결과를 발표함. 뫼스바우어 효과를 이용해 지구 중력장에서 생기는 미세한 적색·청색편이를 검출하고 예측값의 약 10% 불확도 범위에서 일치시킨 성과. 이후 파운드·스나이더의 후속 실험으로 1% 미만 수준까지 정밀해진 지상 중력 적색편이 검증의 출발점.

회전하는 질량 주위의 시공간을 기술하는 아인슈타인 방정식의 엄밀해인 커 해를 발표함. 슈바르츠실트 해와 달리 회전에 의해 바깥쪽 사건의 지평선과 안쪽 지평선, 에르고구가 나타나는 구조를 예측. 실제 우주의 회전하는 블랙홀을 기술하는 표준 모형으로 자리매김.

논문 〈중력붕괴와 시공간 특이점〉에서 갇힌 표면 개념을 도입하고, 일반적인 중력붕괴가 필연적으로 시공간 특이점을 낳음을 증명함. 블랙홀과 사건의 지평선이 특수한 대칭 조건이 아니라 일반적 상황에서 형성됨을 보인 성과. 이 업적으로 2020년 노벨 물리학상 수상.

어윈 샤피로 연구진이 지구에서 수성과 금성으로 보낸 레이더 신호의 왕복 시간을 측정해, 신호 경로가 태양의 중력장 가까이를 지날 때 일반 상대성이론이 예측한 추가 시간 지연이 나타나는지 시험한 초기 결과를 발표함. 1964년 샤피로가 제안한 이 효과의 실험적 검증으로, 논문 자체에서 일반 상대성이론의 ‘네 번째 검증’으로 다뤄졌으며 이후 더 정밀한 측정으로 이어짐.

러셀 헐스와 조지프 H. 테일러 주니어가 아레시보 관측소에서 PSR B1913+16의 신호를 처음 포착함. 펄스 주기의 변화로 보이지 않는 동반천체와 약 7.75시간 주기의 쌍성계를 이룬다는 사실이 밝혀지며, 강한 중력장에서 일반 상대성이론과 중력복사 효과를 장기간 정밀 시험할 수 있는 천체 실험실이 마련됨.

조지프 H. 테일러 연구진이 PSR B1913+16의 궤도 주기가 지속적으로 감소함을 처음 보고함. 두 중성자별이 중력파 형태로 에너지를 방출할 때 일반 상대성이론이 예측하는 궤도 감소와 부합하는 결과로, 중력파가 천체계의 운동에 미치는 효과를 관측한 최초의 강력한 간접 증거가 됨. 이 결과는 이듬해 학술 논문으로 정리됨.

라이고의 두 관측소가 약 13억 광년 밖에서 두 블랙홀이 병합하며 방출한 중력파 신호(GW150914)를 동시에 포착함. 측정된 파형이 일반 상대성이론이 예측한 블랙홀 병합 파형과 일치한 결과. 아인슈타인의 예측 100년 만의 첫 직접 검출로, 2016년 2월 11일 공식 발표되며 중력파 천문학의 시대를 연 사건.