상대성 이론에 대해 생각하는 방법

뉴턴 물리학에서 공간과 시간은 독립적인 정체성을 가졌고 아무도 그것들을 섞지 않았습니다. 시공간에 대한 이야기가 거의 불가피하게 된 것은 20세기 초에 결합된 상대성 이론과 함께였다. 상대성 이론에서는 공간과 시간이 별개의 객관적 의미를 갖는다는 것이 더 이상 사실이 아닙니다. 실제로 존재하는 것은 시공간이고 그것을 시공간으로 쪼개는 것은 유용한 인간의 관습일 뿐이다.

상대성 이론이 이해하기 어렵다는 평판을 받는 주된 이유 중 하나는 우리의 직관이 공간과 시간을 별개의 것으로 생각하도록 훈련시키기 때문입니다. 우리는 객체가 "공간"에서 범위를 갖는 것으로 경험하며 이는 꽤 객관적인 사실처럼 보입니다. 궁극적으로 그것은 우리에게 충분합니다. 우리는 일반적으로 빛의 속도보다 훨씬 낮은 속도로 우주를 여행하기 때문에 전상대론적 물리학이 작동하기 때문입니다.

그러나 직관과 이론 사이의 이러한 불일치는 시공간의 관점으로의 도약을 다소 위협적으로 만듭니다. 설상가상으로, 상대성 이론의 표현은 종종 상향식 접근 방식을 취합니다. 즉, 공간과 시간에 대한 일상적인 개념에서 시작하여 상대성이라는 새로운 맥락에서 이를 변경합니다.

우리는 조금 다를 것입니다. 특수 상대성 이론으로 가는 우리의 길은 처음부터 통일된 시공간의 개념을 진지하게 받아들이고 그것이 의미하는 바를 보는 하향식으로 생각할 수 있습니다. 우리는 머리를 약간 확장해야 하지만 그 결과 우리 우주에 대한 상대론적 관점을 훨씬 더 깊이 이해할 수 있게 될 것입니다.

상대성 이론의 발전은 일반적으로 알버트 아인슈타인에 기인하지만, 그는 제임스 클러크 맥스웰이 1860년대에 전기와 자기를 단일 전자기 이론으로 통합한 이후 건설 중이던 이론적 건물의 관석을 제공했습니다. 맥스웰의 이론은 전자기장에서 진동하는 파동인 빛이 무엇인지 설명했으며 빛이 이동하는 속도에 특별한 의미를 부여하는 것처럼 보였습니다. 그 자체로 존재하는 필드에 대한 아이디어는 당시 과학자들에게 완전히 직관적이지 않았으며 실제로 광파에서 "흔들리는" 것이 무엇인지 궁금해하는 것은 자연스러운 일이었습니다.

다양한 물리학자들은 발광 에테르라고 불리는 매질을 통해 빛이 전파될 가능성을 조사했습니다. 그러나 아무도 그러한 에테르에 대한 증거를 찾을 수 없었기 때문에 그들은 이 물질이 탐지될 수 없는 점점 더 복잡한 이유를 발명해야 했습니다. 1905년 아인슈타인의 공헌은 에테르가 완전히 불필요하게 되었으며 에테르 없이 물리 법칙을 더 잘 이해할 수 있다는 점을 지적한 것입니다. 우리가 해야 할 일은 공간과 시간에 대한 완전히 새로운 개념을 받아들이는 것뿐이었습니다. (좋아요, 그것은 많았지 만 그만한 가치가있는 것으로 판명되었습니다.)

아인슈타인의 이론은 특수 상대성 이론 또는 단순히 특수 상대성 이론으로 알려지게 되었습니다. 그의 기초 논문에서 “움직이는 물체의 전기역학에 관하여,” 그는 길이와 기간에 대한 새로운 사고 방식을 주장했습니다. 그는 우주에는 절대적인 속도 제한이 있다고 가정함으로써 빛의 속도의 특별한 역할을 설명했습니다. 빛이 빈 공간을 통과할 때 이동하는 속도는 모든 사람이 같은 속도로 측정할 것입니다. 그들이 어떻게 움직이든. 이를 해결하기 위해 그는 시간과 공간에 대한 우리의 전통적인 개념을 바꿔야 했습니다.

그러나 그는 공간과 시간을 하나의 통합된 시공간으로 결합하는 것을 옹호하는 데까지는 가지 않았습니다. 그 발걸음은 20세기 초에 그의 전 대학 교수인 Hermann Minkowski에게 맡겨졌습니다. 특수 상대성 이론의 영역은 오늘날 Minkowski 시공간으로 알려져 있습니다.

시공간을 통일된 XNUMX차원 연속체로 생각하고 나면 그 모양에 대한 질문을 시작할 수 있습니다. 시공간은 평면인가 곡선인가, 정적인가 동적인가, 유한인가 무한인가? Minkowski 시공간은 평평하고 정적이며 무한합니다.

아인슈타인은 중력이 어떻게 그의 이론에 통합될 수 있는지 이해하기 위해 XNUMX년 동안 노력했습니다. 그의 궁극적인 돌파구는 시공간이 역동적이고 구부러질 수 있으며 그 곡률의 효과가 당신과 내가 "중력"으로 경험하는 것임을 깨닫는 것이었습니다. 이 영감의 결실은 이제 우리가 일반 상대성 이론이라고 부르는 것입니다.

따라서 특수 상대성 이론은 중력이 없는 고정되고 평평한 시공간 이론입니다. 일반 상대성 이론은 곡률이 중력을 발생시키는 동적 시공간 이론입니다. 둘 다 뉴턴 역학의 원리 중 일부를 대체하더라도 "고전적인" 이론으로 간주됩니다. 물리학자들에게 고전은 "비상대론적"을 의미하지 않습니다. 그것은 "비 양자"를 의미합니다. 고전 물리학의 모든 원리는 상대론적 맥락에서 온전히 온전합니다.

우리는 공간과 시간의 분리에 대한 우리의 상대성 이전의 선호를 기꺼이 놓아주고 그것들이 시공간이라는 통합된 영역으로 용해되도록 허용해야 합니다. 거기에 도달하는 가장 좋은 방법은 "시간"이 의미하는 바를 훨씬 더 신중하게 생각하는 것입니다. 이를 수행하는 가장 좋은 방법은 다시 한 번 우리가 공간에 대해 생각하는 방식을 되새기는 것입니다.

집과 좋아하는 레스토랑과 같은 공간의 두 위치를 고려하십시오. 그들 사이의 거리는 얼마입니까?

글쎄, 그것은 상황에 따라 다르지만 즉시 생각합니다. 두 지점 사이에 완벽한 직선 경로를 취하는 것을 상상할 수 있다면 "까마귀처럼" 거리가 있습니다. 그러나 길을 따라 건물과 기타 장애물을 피하면서 공공 도로와 인도를 이용하는 것으로 제한되는 실제 여행에서 여행하는 거리도 있습니다. 직선은 두 지점 사이의 가장 짧은 거리이기 때문에 당신이 택하는 경로는 항상 까마귀가 날아가는 거리보다 길어질 것입니다.

이제 시공간에서 두 가지 이벤트를 고려하십시오. 상대성 이론의 전문 용어에서 "사건"은 공간과 시간 모두의 위치로 지정된 우주의 단일 지점입니다. A라는 이벤트는 "오후 6시에 집에서"일 수 있고 이벤트 B는 "오후 7시에 레스토랑에서"일 수 있습니다. 이 두 이벤트를 마음에 고정하고 A와 B 사이의 여정에 대해 생각하십시오. B에 더 빨리 가기 위해 서두를 수 없습니다. 6시 45분에 레스토랑에 도착하면 B로 표시된 시공간에서 이벤트에 도달하려면 저녁 7시까지 앉아서 기다려야 합니다.

이제 우리는 집과 식당 사이의 공간적 거리에 대해 했던 것처럼 이 두 사건 사이에 얼마나 많은 시간이 경과했는지 자문할 수 있습니다.

이것이 트릭 질문이라고 생각할 수 있습니다. 한 행사가 오후 6시이고 다른 행사가 오후 7시라면 그 사이에 XNUMX시간이 있잖아요?

아인슈타인은 그렇게 빠르지 않다고 말합니다. 낡은 뉴턴의 세계관에서 그렇습니다. 시간은 절대적이고 보편적이며, 두 사건 사이의 시간이 한 시간이라면 그것이 전부입니다.

상대성 이론은 다른 이야기를 합니다. 이제 "시간"이 의미하는 바에 대해 두 가지 뚜렷한 개념이 있습니다. 시간에 대한 한 가지 개념은 시공간의 좌표입니다. 시공간은 6차원 연속체이며 그 안의 위치를 ​​지정하려면 그 안의 모든 지점에 "시간"이라는 숫자를 붙이는 것이 편리합니다. 그것은 우리가 "오후 7시"와 "오후 7시"를 생각할 때 일반적으로 염두에 두는 것입니다. 그것들은 우리가 이벤트를 찾는 데 도움이 되는 레이블인 시공간 좌표의 값입니다. 모든 사람은 "오후 XNUMX시에 레스토랑에서 만나요"라고 말할 때 우리가 의미하는 바를 이해해야 합니다.

그러나 상대성이론에 따르면 까마귀가 날아가는 거리가 우주의 두 지점 사이를 실제로 이동하는 거리와 일반적으로 다르듯이 일반적으로 경험하는 시간은 우주 좌표 시간과 같지 않습니다. 당신은 여행 중에 가지고 다니는 시계로 측정할 수 있는 시간의 양을 경험합니다. 이것은 길을 따라 적절한 시간입니다. 그리고 자동차의 주행 거리계로 측정한 이동 거리와 마찬가지로 시계로 측정한 시간은 선택한 경로에 따라 달라집니다.

이것이 "시간은 상대적"이라는 말이 의미하는 바의 한 측면입니다. 우리는 시공간의 좌표라는 점에서 공통의 시간과 우리가 각자의 길에서 개별적으로 경험하는 개인적인 시간에 대해 생각할 수 있습니다. 그리고 시간은 공간과 같습니다. 이 두 개념이 일치할 필요는 없습니다. (역사가 Peter Galison이 지적했듯이, 유럽인들이 고속 철도 여행으로 인해 유럽인들이 유럽 대륙 전역의 다른 도시에 있는 시간을 생각하게 되었을 때 아인슈타인이 스위스 특허청에서 일한 것은 우연이 아닙니다. 시계는 중요한 기술 개척지가 되었습니다.)

그럼에도 불구하고 시간이 공간과 다른 방식이 있음에 틀림없습니다. 그렇지 않으면 시간을 고유한 레이블로 지정하기보다는 XNUMX차원 공간에 대해 이야기할 것입니다. 그리고 우리는 여기서 시간의 화살에 대해 생각하지 않습니다. 현재 우리는 엔트로피와 비가역성이 우리가 걱정해야 할 것이 아닌 움직이는 부분이 거의 없는 단순한 세계에 있습니다.

차이점은 다음과 같습니다. 공간에서 직선은 두 지점 사이의 최단 거리를 나타냅니다. 대조적으로 시공간에서 직선 경로는 두 사건 사이의 경과 시간이 가장 길다. 시간과 공간을 구별하는 것은 가장 짧은 거리에서 가장 긴 시간으로 뒤집는 것입니다.

시공간의 "직선 경로"는 공간에서의 직선과 일정한 이동 속도를 모두 의미합니다. 즉, 가속도가 없는 관성 궤적입니다. 시공간에서 두 개의 이벤트를 수정합니다. 즉, 공간의 두 위치와 시간의 해당 순간입니다. 여행자는 그들 사이를 일정한 속도(적절한 시간에 도착하기 위해 필요한 속도)로 직선으로 이동하거나 비관성 경로에서 앞뒤로 이동할 수 있습니다. 왕복 경로는 직선 버전보다 항상 더 많은 공간적 거리를 포함하지만 적절한 경과 시간은 적습니다.

왜 그런가요? 물리학이 그렇게 말하고 있기 때문입니다. 또는 원하는 경우 우주가 그러하기 때문입니다. 아마도 우리는 그것이 왜 이런 식이어야만 했는지에 대한 더 깊은 이유를 결국 밝혀낼 것이지만, 우리의 현재 지식 상태에서 그것은 우리가 더 깊은 원리에서 도출한 결론이 아니라 물리학을 구축하는 기반이 되는 가정 중 하나입니다. 공간의 직선은 최단 거리입니다. 시공간의 직선 경로는 가능한 가장 긴 시간입니다.

거리가 멀수록 적절한 시간이 덜 걸린다는 것이 직관에 반하는 것처럼 보일 수 있습니다. 괜찮아. 직관적이라면 아이디어를 내기 위해 아인슈타인이 될 필요가 없었을 것입니다.

적응 우주에서 가장 큰 아이디어 Penguin Random House LLC의 사업부인 Penguin Publishing Group의 인쇄물인 Dutton의 허가를 받아 Sean Carroll이 작성했습니다. Sean Carroll의 저작권 © 2022.