아인슈타인의 상대성이론으로 중력을 정확히 설명하고자 하는 경우, 어떤 이상한 결과들이 생겨난다. 우리는 이번 단원에서 상대성 이론이 주장하는 "중력은 굽어진 시공간"이라는 것에 대해 예측- 관측의 형식으로 탐구하고자 한다. 과학적 이론은 반드시 관측과 실험을 통해 증명 가능한 예측(prediction)들을 만들어 내야한다.

1. 예측:거대한 질량을 가진 물체 근처를 지나는 빛은 반드시 휘어져 관측된다. 또 그 휘어진 정도는 빛이 지나는 물체의 질량이 클수록 심하다.

   관측: 일식이 진행되는 동안 우리는 우리의 시선과 같은 선상의 별들을 볼 수 있다. 이는 태양 뒤에 있던 별에서 발하는 빛이 태양을 지나다 휘어져 지구(관측자)쪽으로 향하게 되기 때문이다. 즉, 그 빛은 태양을 지나면서 실제 그 광원의 위치와는 전혀 다른 위치에서우리에게 관측되는 것이다. 그러나 과연 뉴턴의 중력법칙과 아인슈타인의 특수상대성 이론의 위대한 개과인 질량- 에너지 법칙E = mc² 은 빛의 방향까지 예견한 것일까? 그렇다.하지만 완벽한 것이 아닌 단지 반정도만. 왜냐하면 일반상대성 이론에서는 시간도 역시 느려지므로 방향의 변화는약 2배 정도로로 커진다.

   

   관측: 퀘이사로부터 방출되는 빛은 지구와 퀘이사 사이의 놓인 엄청난 질량을 가진 은하들이 중력렌즈로 작용하면서 휘어져 관측된다. 따라서 이러한 중력렌즈 효과로 인하여, 하나의 퀘이사로부터 여러 개의 같은 이미지의 퀘이사가, 동시에 관측되는 것도 가능한 일이다. 어떤 경우에는 지구 앞에 놓인 거대 질량의 천체 뒤에 놓인 퀘이사나 은하로부터 오는 빛들이 휘어져 같은 이미지들을 반지 모양으로 늘어놓기도 한다. 빛의 휘임 정도는 광원의 앞에 놓인 물체의 질량에 의존하므로 우리는 지구와 광원 사이에 놓인 은하들의 총 질량을 결정할 수 있다.

   

   아인슈타인의 십자가는 퀘이사 앞에 놓인 은하가 중력렌즈로 작용하여 동시에 4개의 같은 이미지의 퀘이사를 만들어낸 대표적인 예이다.

   
   Image courtesy of the Space Telescope Science Institute (원본은 웹상에 더 이상 제공하지 않음 ).

   아래의 그림은 허블 우주 망원경이 찍은 것으로, 그림 앞부분에 있는 은하단에 의해 은하단 뒤의 은하가 휘어져 관측되는 것을 보여준다. 그림의 중앙부 주변에 보이는 옅은 푸른색 원호가 중력렌즈된 은하이다. 이미지를 클릭하면 더 큰 이미지름 볼수 있다 (courtesy of theSpace Telescope Science Institute).

   

2. 예측:시간은 큰 질량체 근처에서 "더" 느려진다 . 이것을 시간지연이라 부른다. 예를 들어, 거대 질량체 위의 한 사람(사람A) 이 멀리 떨어진 다른 중력체에 살고 있는 사람(사람B)에게 매 초마다 신호광을 보낸다고 하자. 단, 거대 질량체 위에 살고 있는 사람이 가진 시계에 따라 매 초를 잰다. 다른 중력체의 사람 B는 사람 A가 보내는 간격 1초보다 더 길어진 시간 간격으로 그 신호를 받게 될 것이다. 이는 거대 질량체(더 큰 중력장)에서 시간이 더 느리게 흐르기 때문이다.

   관측: a)지상으로부터 매우 높은 위치에서 날고 있는 비행기의 시계가 지상에서 보다 더 빨리 흐른다. 그러나 실제로 지구의 질량이 작으므로 그 효과는 매우 작다. 따라서 극명한 차이를 감지하기 위해서는 원자시계를 사용해야 한다. b)GPS(Global Positioning Satellite)시스템은 반드시 일반상대성 이론의 효과를 고려해야 한다.

3. >예측::거대 질량체로부터 탈출한 빛은 반드시 에너지를 잃는다-- 광속은 항상 일정하므로 그 빛의 파장은 길어지게 된다. 즉, 표면중력장이 강하면 강할수록 그 곳에서 탈출하려는 빛은 에너지를 더욱 많이 잃고 파장은 더 길어지는 것이다.

   이것은 시간지연 효과의 결과이다.거대 질량체 위의 사람A가 다른 중력체 위의 사람 B에게 모든 시간동안 특정 주파수 f대의 빛을 보내기로 했다고 가정하자. 그러므로 매 초 f파장은 사람A를 규칙적으로 떠나가게된다. 사람 B는 시간 간격 (1+z)초에서 그 파장을 받는다. 이 때 사람 B는 실제로 주파수 f/(1+z)대의 파장을 감지하게 된다. 광속"c=주파수 f×파장"임을 명심하라. 만일 주파수가 (1+z)배로 감소한다면 파장은 반드시 (1+z)배로 증가한다 : l_{at B} = (1+z) × l_{at A}.
   도플러 효과에서 이러한 파장의 길어짐을 적색편이라 부른다. 중력에서는 이 효과를 중력적색편이라고 한다.

   관측: 백색왜성의 가장 외곽부에서 측정된 스펙트럼선들은 고밀도의 태양질량 물체에서 예측된 만큼 적색편이 되었다. 그 백색왜성은 주계열성인 동반성을 가진 쌍성계의 별이므로 일반 도플러 효과에 의한 총 편이의 양이 결정될 수 있다. 블랙홀의 사상면 안쪽에서, 빛은 무한하게 긴 파장으로 적색편이 된다.

   

4. 예측:질량을 가진 물체들은 운동하는 동안 반드시 둘러싸고 있는 시공간에 중력파라는 미세한 진동을 만들어다. 이것는 이 파장들이 시공간을 통해 이동하는 것이 아닌 시공간의 진동, 그 자체인 셈이다! 이 시공간의 진동은 광속으로 움직이지만 그 움직임의 파장은 매우 작고 감지하기는 더욱 어렵다.

   관측:아직까지 어떠한 민감한 감지기도 거대 질량체의 움직임에 의한 시공간의 그 미세한 지연- 수축 현상을 직접적으로 감지해 낸 적이 없다. 그러나, 1974년 Russell Hulse 와 Joseph Taylor에 의해 발견된 쌍성 펄서계가 보여주는 점진적 궤도크기의 수축현상만이 중력이 에너지를 외부로 내보냄을 보여주고 있다. 이러한 관측은 매우 강한 중력장에서 일반상대성 이론의 예측을 증명한다.

   

   PSR1913+16 로 불리우는 쌍성계에서 두 펄서가 최대 근접거리가 766,000 km, 최대 원접거리 3.3×10⁶km인 매우 큰 이심율을 가진 타원운동을 한다. 이들은 주기가 고작 7.75시간이며 서로를 매우 빠르게 회전하고 있다. 그들의 거대한 질량(태양질량 보다 크다)과 짧지만 빠른 거리 변화로 인해 중력진동을 관측가능케 하였다. Hulse와 Taylor는 궤도속도와 일반 상대성 이론에서 예측된 것처럼 정확히 변하는 그 쌍성계의 궤도변화를 발견함으로써 노벨물리학상을 받게 된다.