수백만 광년 밖에서 무슨 일이 일어났는지 어떻게 알 수 있습니까?

먼저 호킹 씨의' 시공간' 을 보면 알 수 있습니다.

공간과 시간

물체의 움직임에 대한 우리의 현재 생각은 갈릴레오와 뉴턴에서 나온 것이다. 그들 이전에 사람들은 아리스토텔레스를 믿었는데, 그는 물체의 자연 상태가 정적이며 힘이나 충격을 받을 때만 움직인다고 말했다. 이렇게 무거운 물체는 가벼운 물체보다 빠르게 떨어진다. 왜냐하면 그것은 더 큰 힘에 의해 지구로 끌려가기 때문이다.

아리스토텔레스의 전통적인 견해도 순수한 사고로 우주를 제약하는 법칙을 찾을 수 있다고 생각한다. 즉 관찰로 검사할 필요가 없다. 따라서 갈릴레오는 다른 무게의 물체가 실제로 다른 속도로 떨어지는 것을 보고 싶어하는 최초의 사람이었습니다. 갈릴레오는 피자 사탑에서 무거운 물건을 떨어뜨려 아리스토텔레스의 신념이 틀렸다는 것을 증명한다고 한다. 이야기는 거의 사실일 수 없지만 갈릴레오는 무게가 다른 공을 매끄러운 비탈길로 굴리는 동등한 일을 했다. 이 상황은 무거운 물체가 수직으로 떨어지는 것과 비슷하지만 속도가 낮기 때문에 관찰하기가 더 쉽습니다. 갈릴레오의 측량에 따르면 물체의 무게가 얼마이든 그 속도는 같은 속도로 증가한다. 예를 들어, 1 0m 당 1 m 의 경사면에서 공을 수평 방향으로 풀어줍니다. 1 초 후 공의 속도는 초당1미터, 2 초 후에는 초당 2 미터입니다. 물론, 납 망치가 깃털보다 빠르게 떨어지는 것은 공기의 깃털에 대한 저항으로 인한 것이다. 한 사람이 공기 저항을 받지 않는 두 개의 물체 (예: 두 개의 다른 납망치) 를 석방하면 같은 속도로 하강한다.

뉴턴은 갈릴레오의 측정을 그의 운동 법칙의 기초로 삼았다. 갈릴레오의 실험에서 물체가 비탈길을 굴러 내려갈 때, 항상 일정한 외력 (그것의 무게) 을 받게 되는데, 그것은 바로 끊임없이 가속하는 것이다. 이것은 힘의 실제 작용이 원래 생각했던 것처럼 움직이는 것이 아니라 항상 한 물체의 속도를 변화시킨다는 것을 보여준다. (존 F. 케네디, 생각명언) 또한 하나의 물체가 외력을 받지 않는 한 일정한 속도의 직선 운동을 유지한다는 의미이기도 하다. 이 아이디어는 뉴턴이 그 1996 년에 출판한' 수학 원리' 라는 책에서 분명히 묘사한 것으로, 뉴턴의 제 1 법칙이라고 불린다. 물체가 힘을 받을 때의 상황은 뉴턴의 제 2 법칙에 의해 주어진다. 물체가 가속되거나 속도를 바꿀 때 그 변화율은 외력에 비례한다. (예를 들어, 힘이 두 배로 증가하면 가속도도 두 배가 됩니다. 물체의 질량 (또는 물질의 양) 이 클수록 가속도가 작아지고 같은 힘이 두 배의 질량에 작용하면 가속도의 절반만 생성됩니다. 자동차는 잘 알려진 예를 제공할 수 있다. 엔진의 동력이 클수록 가속도가 높아지지만 자동차가 무거울수록 같은 엔진에 대해 가속도가 작아진다.

그의 운동 법칙 외에도 뉴턴은 중력을 묘사하는 법칙을 발견했다. 두 물체가 서로 끌어당기고 중력은 각 물체의 질량에 비례한다. 이렇게 하면 한 물체 (예: A) 의 질량이 두 배로 증가하면 두 물체 사이의 중력도 두 배로 늘어납니다. 이것은 당신이 예상할 수 있는 것입니다. 새로운 물체 A 는 원래의 질량을 가진 두 개의 물체로 볼 수 있고, 각 물체는 포스로 물체 B 를 끌어들이기 때문에 A 와 B 사이의 합력이 두 배로 늘어났기 때문입니다. 한 물체의 질량이 원래의 두 배이고 다른 물체의 질량이 원래의 세 배라면 중력은 원래의 6 배가 될 것이다. 이제 사람들은 떨어지는 물체가 항상 같은 속도로 떨어지는 이유를 이해할 수 있습니다. 두 배의 무게의 물체가 두 배의 중력에 의해 당겨지지만 질량은 두 배입니다. 뉴턴의 두 번째 법칙에 따르면, 이 두 효과는 서로 상쇄되기 때문에 가속은 모든 경우에 동일합니다.

뉴턴의 중력 법칙도 물체 사이의 거리가 멀어질수록 중력이 작다는 것을 알려준다. 뉴턴 중력의 법칙에 따르면, 별의 중력은 반 거리의 비슷한 별의 1 에 불과하다. 이 법칙은 지구, 달, 그리고 다른 행성의 궤도를 매우 정확하게 예측했다. 만약 이 법칙이 별의 중력이 거리에 따라 감소하는 속도가 이것보다 빠르다면, 행성의 궤도는 더 이상 타원형이 아니며 나선형으로 태양을 선회한다. 중력이 더 느리게 떨어지면 먼 별의 중력이 지구를 능가할 것이다.

아리스토텔레스와 갈릴레오 뉴턴의 큰 차이점은 아리스토텔레스가 외력과 충격을 받지 않는 어떤 물체도 사용하는 우월한 정지 상태가 있다고 생각한다는 것이다. 특히, 그는 지구가 정적이라고 생각한다. 하지만 뉴턴의 법칙으로 볼 때 정적인 유일한 기준은 없다. 사람들은 물체 A 가 정지되고, 물체 B 가 물체 A 에 상대적으로 일정한 속도로 움직이거나, 물체 B 가 정지되고, 물체 A 가 움직인다고 말할 수 있는데, 둘 다 동등하다. 예를 들어, 우리가 일시적으로 지구의 자전과 태양 주위를 공전한다면, 우리는 지구가 정지해 있고, 기차가 시속 90 마일의 속도로 북쪽으로 달리거나, 기차가 정지해 있고, 지구는 시속 90 마일의 속도로 남쪽으로 달리고 있다고 말할 수 있습니다. 만약 한 사람이 기차에서 움직이는 물체로 실험을 한다면, 모든 뉴턴의 법칙이 성립된다. 예를 들어, 기차에서 탁구를 치면 철도 옆에 있는 테이블처럼 탁구공이 뉴턴의 법칙에 복종한다는 것을 알게 될 것입니다. 그래서 기차가 움직이고 있는지 지구가 움직이고 있는지 알 수 없습니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 기차명언)

정지에는 절대적인 기준이 없다. 이는 사람들이 서로 다른 시간에 발생한 두 사건이 공간의 같은 곳에서 발생했는지 여부를 결정할 수 없다는 것을 보여준다. 예를 들어, 우리 탁구공이 기차에서 위아래로 뛰어내려 1 초 전후로 두 번 책상 위의 같은 곳에 부딪쳤다고 가정해 봅시다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언) 궤도상의 사람의 관점에서 볼 때, 이 두 점프는 약 미터 떨어진 다른 위치에서 발생하는데, 왜냐하면 두 점프의 간격 동안 기차는 이미 궤도에서 이렇게 멀리 갔기 때문이다. 이런 식으로 절대 정지의 부재는 아리스토텔레스가 생각하는 것처럼 사건이 절대 공간 위치를 부여할 수 없다는 것을 의미한다. 사건이 발생한 장소와 사건 사이의 거리는 기차와 철로에 있는 사람들에게 다르기 때문에 한 사람의 상황이 다른 사람보다 우월하다고 생각할 이유가 없다.

뉴턴은 절대 위치나 절대 공간이 없다고 매우 걱정했다. 왜냐하면 이것은 그가 생각하는 절대 하나님과 일치하지 않기 때문이다. 사실, 그는 절대공간의 존재를 받아들이지 않았다, 설령 그것이 그의 법칙에 함축되어 있다 해도. 이러한 비이성적인 믿음으로 인해 그는 많은 사람들로부터 심한 비판을 받았는데, 그중 가장 유명한 주교인 베클러는 모든 물리적 실체, 공간, 시간이 허황된 철학자였다. 사람들이 베커러의 의견을 유명한 존슨 박사에게 전했을 때, 그는 발가락으로 큰 돌을 차서 큰 소리로 말했다. "나는 이렇게 반박한다!" " ""

아리스토텔레스와 뉴턴은 모두 절대 시간을 믿는다. 다른 말로 하자면, 그들은 사람들이 두 사건 사이의 시간 간격을 명확하게 측정할 수 있다고 생각한다. 좋은 시계를 사용하는 한, 누가 측정하든 시간은 똑같다. 시간은 완전히 분리되어 공간과 융합된다. 이것은 대부분의 사람들이 상식으로 여기는 것이다. 하지만 우리는 이런 시공간 관념을 바꿔야 합니다. 이런 명백한 상식은 사과, 행성 등 움직임이 느린 문제를 처리할 수 있지만 광속이나 광속에 가까운 물체를 처리할 때는 전혀 효과가 없다.

빛이 제한적이지만 매우 높은 속도로 전파된다는 사실은 덴마크 천문학자 오르 크리스티안슨 로메이가 1920 년에 처음 발견한 것이다. 그는 목성의 위성이 목성 뒤에서 같은 간격으로 나오는 것이 아니라, 사람들이 예상한 대로 위성이 일정한 속도로 목성 주위를 돌고 있는 것을 관찰했다. 지구와 목성이 모두 태양 주위를 회전할 때, 그것들 사이의 거리는 변화하고 있다. Romai 는 우리가 목성에서 멀어질수록 목성의 월식이 늦어진다는 것을 알아차렸다. 그의 논점은 우리가 더 멀리 떨어져 있을 때 목성과 달의 빛이 우리에게 도착하는 데 더 오랜 시간이 걸린다는 것이다. 하지만 그가 측정한 목성에서 지구까지의 거리는 그다지 정확하지 않았기 때문에 그의 광속은 초당 마일이고 지금은 초당 마일이다. 그럼에도 불구하고, 로마이는 빛이 제한된 속도로 움직인다는 것을 증명할 뿐만 아니라 빛의 속도도 측정했으며, 그의 업적은 탁월했다. 이 모든 것은 뉴턴이' 수학 원리' 를 발표하기 전 1 1 년 전에 완성되었다는 것을 알아야 한다.

1998 년까지 영국 물리학자 제임스 맥스웰은 당시 전기와 자기에 대한 이론을 성공적으로 통일한 후에야 진정한 광전파 이론을 갖게 되었다. 맥스웰 방정식은 연못 표면의 파문처럼 일정한 속도로 움직이는 조합 전자기장에 파동의 교란이 있을 수 있다고 예측했다. 만약 이 파동의 파장 (두 봉우리 사이의 거리) 이 1 m 이상이라면, 이것이 바로 우리가 전파라고 부르는 것이다. 파장이 짧은 파동을 마이크로웨이브 (몇 센티미터) 또는 적외선 (10 분의 1 센티미터 이상) 이라고 합니다. 가시광선의 파장은 백만 분의 40 에서 백만 분의 80 센티미터 사이이다. 파장이 짧은 것을 자외선, 엑스레이, 감마선이라고 합니다.

맥스웰의 이론은 전파나 광파가 일정한 속도로 움직여야 한다고 예언했다. 하지만 뉴턴의 이론은 절대 정지라는 개념에서 벗어났기 때문에 빛이 일정한 속도로 전파된다고 가정한다면, 사람들은 이 고정 속도가 무엇에 상대적으로 측정되는지 알아내야 합니다. 이렇게 하면' 진공' 에서도 어디에나 있는 물체를' 이더넷' 이라고 부른다. 공기 중의 음파처럼 광파는 에테르를 통과해야 하므로 광속은 에테르를 기준으로 해야 한다. 이더넷 모션의 다른 관찰자와 비교했을 때, 우리는 빛이 서로 다른 속도로 그들에게 쏘는 것을 보아야 하지만, 빛이 에테르로 향하는 속도는 일정하다. 특히 지구가 태양 주위를 공전하며 에테르를 통과할 때, 지구 운동이 에테르를 통과하는 방향 (우리가 광원을 향해 움직일 때) 에서 측정한 광속은 운동 방향에 수직으로 측정한 광속보다 커야 한다. 앨버트 맥켈손 (미국 최초의 노벨 물리학상 수상자가 됨) 과 에드워드 모레가 클리블랜드의 카스 응용과학대학에서 매우 세심한 실험을 했다. 그들은 지구의 운동 방향과 이 방향에 수직인 광속을 비교할 것이다. 놀랍게도, 그들은 두 빛의 속도가 정확히 동일하다는 것을 알게 되었습니다!

1998 년과 1998 년 사이에 마이클슨 모레 실험을 설명하기 위한 몇 가지 시도가 있었다. 가장 유명한 것은 네덜란드 물리학자인 헨드릭 로로즈입니다. 그는 에테르를 기준으로 움직이는 물체의 수축과 시계가 느려지는 메커니즘을 기반으로 합니다. 하지만 당시 알려지지 않았던 스위스 특허국 직원인 알버트 아인슈타인은 2006 년 한 저명한 논문에서 사람들이 절대 시간의 개념을 포기하기만 하면 전체 에테르의 개념이 불필요하다고 지적했다. 몇 주 후, 프랑스에서 가장 중요한 수학자 중 한 명인 헨리 푸갈레도 비슷한 견해를 제시했다. 아인슈타인의 논증은 푸앵카레의 논증보다 물리학에 더 가깝다. 후자가 수학 문제라고 생각하기 때문이다. 일반적으로 이 새로운 이론은 아인슈타인 덕분이지만, 푸앵카레의 이름은 그 안에서 중요한 역할을 한다.

이 상대성 이론의 기본 가정은 관찰자의 속도에 관계없이 과학 법칙이 그들에게 동일해야 한다는 것이다. 뉴턴의 운동 법칙에는 당연히 그러하지만, 이제 이 개념은 맥스웰 이론과 광속을 포함하도록 확장되었다. 관찰자가 얼마나 빨리 움직이든 같은 빛의 속도를 측정해야 한다. 이 간단한 개념에는 몇 가지 특별한 결론이 있습니다. 아마도 가장 유명한 것은 질량과 에너지의 동등성일 것이다. 아인슈타인의 유명한 방정식 E = MC 2 (여기서 E 는 에너지, M 은 질량, C 는 광속) 와 광속보다 더 빠른 법칙은 없다. 에너지와 질량이 동일하기 때문에 물체가 운동으로 인해 발생하는 에너지는 그것의 질량에 더해져야 한다. 다른 말로 하자면, 그것을 가속화하는 것은 더욱 어려워질 것이다. 물체가 광속에 가까운 속도로 움직일 때만 이런 효과가 실제적으로 의미가 있다. 예를 들어 한 물체가 10% 의 속도로 움직이면 질량은 원본보다 0.5% 증가한 반면 90% 의 속도로 움직이는 물체는 질량이 정상 질량의 두 배가 된다. 물체가 빛의 속도에 가까워지면, 그 질량은 점점 더 빠르게 상승하고, 점점 더 많은 에너지가 필요하다. 사실, 그 당시 질량은 무한히 커질 것이기 때문에 빛의 속도에 도달하지 못할 것입니다. 질량은 동등한 원리에 따라 무한한 에너지가 필요하기 때문입니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 품질명언) 이 때문에 상대성 이론은 어떤 정상적인 물체도 영원히 광속보다 낮은 속도로 움직이는 것을 제한한다. 빛이나 내면의 질량이 없는 다른 파동만이 광속으로 움직일 수 있다.

상대성 이론의 한 가지 주목할 만한 업적은 공간과 시간에 대한 우리의 개념을 바꾸었다는 것이다. (존 F. 케네디, 과학명언) 뉴턴의 이론에서, 한 곳에서 다른 곳으로 빛의 펄스를 보내면, 다른 관찰자들은 이 과정에 소요되는 시간에 이의를 제기하지 않지만 (시간은 절대적이기 때문), 빛이 전파되는 거리에 동의하지 않는다 (공간이 절대적이지 않기 때문). 광속은 거리를 소요 시간으로 나눈 것과 같기 때문에 관찰자마다 다른 광속을 측정한다. 반면에 상대성 이론에서 모든 관찰자들은 빛의 운동 속도에 동의해야 한다. 그러나, 그들은 빛의 전파 거리에 동의할 수 없다. 그래서 지금 그들은 얼마나 걸릴지 동의하지 않을 것이다. (어쨌든, 빛이 소비하는 시간은 바로 광속이다. 이는 모든 관찰자에게 일치하며, 그들에게는 빛을 빼는 거리가 일치하지 않는다. (알버트 아인슈타인, 시간명언) 요컨대 상대성 이론은 절대 시간의 개념을 종식시켰다! 따라서 각 관찰자는 자신의 시계가 측정하는 시간을 가지고 있으며, 서로 다른 관찰자가 가지고 있는 동일한 시계 판독은 반드시 일치하지는 않습니다.

그림 2. 1 시간은 세로좌표로 측정되고 관찰자와의 거리는 가로좌표로 측정됩니다. 관찰자의 공간과 시간의 경로는 왼쪽의 수직선으로 표시됩니다. 라이트가 이벤트에 들어오고 나가는 경로는 대각선으로 표시됩니다.

각 관찰자는 레이더를 사용하여 빛의 펄스나 전파를 방출하여 사건이 발생한 시기와 장소를 결정할 수 있다. 일부 펄스가 이벤트에 반사되면 관찰자는 그가 메아리를 받는 시간을 측정할 수 있다. 사건의 시간은 펄스와 펄스가 반사되어 수신되는 두 순간의 중간점으로 간주될 수 있다. 사건의 거리는 이 왕복 시간의 절반에 광속을 곱할 수 있다. 이런 의미에서 사건은 특정 공간의 어느 시점과 특정 시간의 어느 시점에서 일어나는 일이다. ) 이 뜻은 그림 2. 1 에 나와 있습니다. 이것은 시공간도의 예입니다. 이 단계를 통해 서로 움직이는 관찰자는 같은 사건에 다른 시간과 위치를 부여할 수 있다. 특정 관찰자의 측정이 다른 사람의 측정보다 더 정확하지는 않지만, 이 모든 측정은 관련이 있다. 관찰자는 다른 사람의 상대 속도만 알면 다른 사람이 같은 사건에 대해 줘야 할 시간과 위치를 정확하게 계산할 수 있다.

이제 우리는 길이를 측정하는 것보다 시간을 더 정확하게 측정할 수 있기 때문에 이 방법으로 거리를 정확하게 측정합니다.

사실,

쌀은 빛이 0. 5 미터 이내에 전파되는 거리로 정의됩니다. 플래티넘 원자 시계로 측정한 초 (이 특별한 숫자는 파리에 보존된 특정 플래티넘 바에 있는 두 눈금 사이의 거리에 따라 역사상 쌀에 대한 정의에 해당하기 때문) 입니다. 마찬가지로, 우리는 더 쉽게 업데이트할 수 있는 길이 단위 (초초) 를 사용할 수 있으며, 빛이 1 초 안에 전파되는 거리로 간단히 정의할 수 있다. 이제 상대성 이론에서는 시간과 빛의 속도에 따라 거리를 정의하여 각 관찰자가 자동으로 동일한 빛의 속도 (1 미터 당 0 으로 정의됨) 를 측정하도록 합니다. 둘째). 마이클슨 모레 실험에 따르면 에테르의 존재는 어쨌든 탐지되지 않기 때문에 에테르의 개념을 도입할 필요가 없다. 그러나 상대성 이론은 우리로 하여금 우리의 시공간의 관념을 근본적으로 바꾸게 했다. 우리는 시간이 공간에서 완전히 벗어날 수 없다는 견해를 받아들여야 하고, 공간과 결합해서 소위 공간, 즉 시간의 대상을 형성해야 한다는 견해를 받아들여야 한다. (존 F. 케네디, 시간명언)

우리의 일반적인 경험은 세 개의 숫자나 좌표로 공간에서 한 점의 위치를 설명할 수 있다는 것이다. 예를 들어 방의 한 점은 한 벽에서 7 피트, 다른 벽에서 3 피트, 지면에서 5 피트라고 할 수 있습니다. 위도, 경도 및 높이를 사용하여 점을 지정할 수도 있습니다. 제한된 범위 내에서만 유효하지만 세 개의 적절한 좌표를 쉽게 선택할 수 있습니다. 사람들은 런던 피카딜리 광장 북쪽과 서쪽으로 몇 마일, 해발 몇 피트가 달의 위치를 나타내는 것이 아니라 태양과의 거리, 행성 궤도 평면과의 거리, 달과 태양과 가까운 별 (예: α-Centauri) 사이의 각도를 통해 달의 위치를 묘사한다. 비록 이 좌표들이 우리 은하에서의 태양의 위치, 혹은 우리 은하의 국부 은하에서의 위치를 묘사하는 데도 유용하지 않다. 사실, 사람들은 겹치는 좌표 조각으로 우주 전체를 묘사할 수 있다. 각 세그먼트에서 사람들은 세 개의 다른 좌표로 점의 위치를 나타낼 수 있다.

그림 2.2

사건은 특정 시간과 공간에서 일어나는 일이다. 이렇게 하면 사람들은 네 개의 숫자나 좌표로 그것을 결정할 수 있으며, 좌표계의 선택은 임의적이다. 사람들은 정의된 모든 공간 좌표와 임의의 시간 측정을 사용할 수 있다. 상대성론에서 시간과 공간 좌표에는 진정한 차이가 없다. 마치 어떤 두 공간 좌표에도 진정한 차이가 없는 것처럼. 예를 들어, 첫 번째 공간 좌표가 이전 첫 번째 및 두 번째 공간 좌표의 조합이 되도록 새 좌표 세트를 선택할 수 있습니다. 예를 들어, 지구상의 한 점의 마일리지는 런던 피카딜리 광장의 북부와 서부에서 측정되지 않고 동북부와 북서부에서 측정됩니다. 마찬가지로 상대성 이론에서 새로운 시간 좌표를 사용할 수 있습니다. 이는 오래된 시간 (초) 과 피카딜리 거리에서 북쪽까지의 거리 (초) 를 더한 것입니다.

그림 2.3

한 사건의 네 좌표를 수단으로 사용하여 이른바 시공간 4 차원 공간에서의 위치를 지정하는 것이 도움이 되는 경우가 많다. 나는 3 차원 공간이 이미 충분히 어렵다고 상상한다! 하지만 지구 표면과 같은 2 차원 공간도를 쉽게 그릴 수 있습니다. 지구 표면은 2 차원이다. 그 위에 있는 점의 위치는 위도와 경도와 같은 두 개의 좌표로 결정될 수 있기 때문이다. ) 일반적으로 2 차원 그래프를 사용합니다. 위쪽 방향은 시간이고 수평 방향은 공간 좌표 중 하나입니다. 다른 두 개의 공간 좌표는 고려되지 않거나 그 중 하나가 원근법으로 표시되는 경우도 있습니다. (이들은 그림 2. 1 과 같이 시공간도라고 합니다. 예를 들어 그림 2.2 에서 시간은 위쪽으로, 연도 단위로 측정되며, 태양에서 알파-반인마자리까지의 직선 거리는 수평 방향으로 마일 단위로 측정됩니다. 시간과 공간에서 태양과 알파-반인마자리의 경로는 그림의 왼쪽과 오른쪽에 있는 수직선으로 표시됩니다. 태양에서 나오는 빛은 대각선을 따라 태양에서 알파-반인마자리까지 4 년이 걸린다.

맥스웰 방정식은 빛의 속도에 관계없이 빛의 속도가 동일해야 한다고 예측했는데, 이는 정확한 측정에 의해 입증되었습니다. 이렇게 하면 특정 시간에 특정 공간의 한 지점에서 빛의 펄스가 방출되면 시간의 추이에 광구로 확산되며, 광구의 모양과 크기는 소스의 속도와 무관합니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언) 백만 분의 1 초 후, 빛은 반경이 미터인 구로 산란됩니다. 백만 분의 2 초 후에 반경이 미터가 됩니다. 잠깐만요. 연못에 석두 한 조각을 던지는 것처럼 수면의 파문이 사방으로 확산되고, 파문이 원형으로 확산되면서 점점 커지고 있다. 3 차원 모델에 2 차원 연못 수면과 1 차원 시간이 포함되어 있다고 가정하면, 이러한 확대된 물결의 원은 석두 충돌 장소와 시간인 원뿔을 그립니다 (그림 2.3). 마찬가지로, 이벤트가 산란하는 빛은 4 차원 시공간에 3 차원 광추를 형성하는데, 이를 사건의 미래 광추라고 한다. 마찬가지로 과거 광추라는 또 다른 원뿔을 그릴 수 있는데, 이는 광 펄스로 이벤트에 전파될 수 있는 모든 이벤트를 나타냅니다 (그림 2.4).

그림 2.4

이벤트 P 의 과거와 미래 광콘은 시공간을 세 영역으로 나눕니다 (그림 2.5). 이 이벤트의 절대 미래는 P 의 미래 광추의 내부 영역이며, P 에서 발생하는 이벤트가 영향을 줄 수 있는 모든 이벤트입니다. P 에서 시작하는 것은 P 의 광추 이외의 사건으로 전달될 수 없습니다. 빛보다 더 빨리 전파되는 것은 없기 때문에 P 에서 발생하는 일의 영향을 받지 않습니다. 과거 광추입니다. 따라서 이벤트 P 에 영향을 줄 수 있는 모든 이벤트입니다. 과거 어느 시점에 이벤트 P 의 과거 광추에 무슨 일이 일어났는지 알면 P 공간에서 어떤 일이 일어날지 예측할 수 있습니다. 남은 시간은 P 의 미래와 과거 광추를 제외한 모든 이벤트입니다. 이 이벤트 부분은 P 의 영향도 받지 않고 P 의 영향도 받지 않습니다. 예를 들어 태양이 이 순간에 빛을 내지 않는 경우 지구의 순간은 태양이 이 사건의 광콘 밖에 있기 때문에 지구에 영향을 주지 않습니다 (그림 2.6). 우리는 8 분 후에야 이 사건을 알 수 있는데, 이것은 빛이 태양에서 우리에게 도착하는 데 필요한 시간이다. 그때까지만 해도 지구의 사건은 태양 소멸 사건의 미래 광콘 안에 있을 것이다. 마찬가지로, 우리는 지금 우주에서 더 먼 곳에서 무슨 일이 일어나고 있는지 모른다. 우리가 본 먼 은하의 빛은 수백만 년 전에 나왔고, 우리가 본 가장 먼 물체에 관해서는, 그것은 80 억 년 전에 방출된 것이다. (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언) 그래서 우리가 우주를 관찰할 때, 우리는 그것의 과거를 관찰하고 있다.

그림 2.5

그림 2.6

만약 사람들이 중력 효과를 소홀히 한다면, 아인슈타인과 푸앵카레가 1996 년에 한 것처럼, 사람들은 좁은 상대성이론이라는 이론을 얻게 될 것이다. 시공의 모든 이벤트에 대해 우리는 광추를 만들 수 있다 (이벤트에 의해 방출되는 빛의 모든 가능한 궤적). 어떤 사건에서든 어떤 방향으로든 빛의 속도가 동일하기 때문에 모든 원뿔은 모두 동일하고 같은 방향을 향하고 있습니다. 이 이론은 우리에게 빛보다 더 빨리 전파되는 것은 없다는 것을 알려준다. 즉, 시공간을 가로지르는 모든 물체의 궤적은 그 위에 있는 각 사건의 원뿔 안에 떨어지는 선으로 표시해야 합니다 (그림 2.7).

그림 2.7

특수 상대성 이론은 빛의 속도가 모든 관찰자에게 동일하다는 사실을 성공적으로 설명하고 (예: 마이클슨 모레 실험에서 증명한 것), 빛의 속도에 접근할 때의 물체의 행동을 성공적으로 묘사했다. 하지만 뉴턴의 중력 이론과 호환되지 않습니다. 뉴턴의 이론에 따르면 물체 사이의 흡인력은 그것들 사이의 거리에 달려 있다. 즉, 만약 우리가 하나의 물체를 가지고 있다면, 다른 물체의 힘은 즉시 변할 것이다. 다른 말로 하자면, 중력 효과는 좁은 상대성론이 요구하는 속도가 광속보다 작거나 같은 속도가 아니라 무한한 속도로 전달되어야 한다. 아인슈타인은 1998 년부터 1998 년까지 많은 실패한 시도를 하여 좁은 상대성론과 조화를 이루는 중력 이론을 찾으려고 시도했다. 올해, 그는 마침내 우리가 오늘 말한 광의상대성론을 제기했다.

아인슈타인은 중력이 다른 종류의 힘과는 달리 시공간이 평탄하지 않은 결과라는 혁명적인 견해를 제시했다. 그가 이전에 가정한 바와 같이 시공간은 그 중의 질량과 에너지의 분포로 인해 구부러지거나 "왜곡" 되었다. 지구와 같은 물체는 중력이라는 힘 때문에 구부러진 궤도를 따라 움직이는 것이 아니라 측지선이라는 궤적을 따라 움직이는데, 이 궤적은 구부러진 공간에서 직선에 가장 가깝다. 측지선은 두 인접 점 사이의 가장 짧은 (또는 가장 긴) 경로입니다. 예를 들어, 지구 표면은 구부러진 2 차원 공간입니다. 지구의 측지선은 큰 원이라고 하며 두 점 사이의 최단 경로입니다 (그림 2.8). 측지선은 두 공항 사이의 가장 짧은 거리이기 때문에 조종사가 조종사에게 비행할 항로를 알려준 것이다. 일반 상대성 이론에서 물체는 4 차원 시공간에서 항상 직선을 따라 걷는다. 그럼에도 불구하고, 우리의 3 차원 공간에서는 구부러진 경로를 따르는 것 같습니다. (마치 비행기가 매우 많은 산의 지면을 날아가는 것을 보는 것과 같습니다. 3 차원 공간에서 직선으로 비행하지만 그림자는 2 차원 지면에서 구부러진 경로를 따릅니다.

그림 2.8

태양의 질량은 시공간의 굴곡을 일으켜 지구가 4 차원 시공간에서 직선 궤적을 따르게 하지만, 3 차원 공간에서는 원을 따라 움직이는 것처럼 보이게 한다. 사실, 일반 상대성 이론에 의해 예측된 행성 궤도는 뉴턴 중력 이론에 의해 예측된 궤도와 거의 똑같다. 그러나 태양에 가장 가깝고 중력 효과가 가장 강하고 궤도가 상당히 긴 행성 수성의 경우 일반 상대성 이론은 궤도 타원의 장축이 1 만년 약 1 도 속도로 태양 주위를 공전할 것이라고 예측했다. 이런 영향은 매우 작지만, 그것은 몇 년 전에 주목을 받았고 아인슈타인 이론의 첫 번째 테스트로 사용되었다. 최근 몇 년 동안 더 작은 다른 행성의 궤도 편차와 뉴턴 이론이 예측한 궤도 편차는 레이더에 의해 측정되어 일반 상대성 이론의 예측과 일치하는 것으로 밝혀졌다.

빛도 시공간의 측지선을 따라야 한다. 공간이 다시 휘어지는 사실은 빛이 공간에서 직선을 따르지 않는 것처럼 보인다는 것을 의미한다. 이런 식으로, 일반 상대성 이론은 빛이 중력장에 의해 구부러졌음에 틀림없다고 예언한다. 예를 들어, 이 이론은 태양의 질량으로 인해 태양 근처의 한 점에 있는 라이트 원뿔이 약간 안쪽으로 편향될 것이라고 예측합니다. 이는 먼 별에서 오는 빛이 태양 근처를 통과할 때 작은 각도로 휘어지는 것을 보여 주며, 지구의 관찰자들에게는 별이 다른 위치에 있는 것처럼 보입니다 (그림 2.9). 물론, 만약 별에서 나오는 빛이 항상 태양에 매우 가까운 곳을 통과한다면, 우리는 빛이 빗나갔는지, 혹은 별들이 실제로 우리가 그것을 보는 곳에 있는지 알 수 없다. 그러나, 지구가 태양 주위를 회전할 때, 서로 다른 별들이 태양 뒤에서 지나가면, 그들의 빛은 편향될 것이다. 그래서 다른 별들과 비교했을 때, 그들은 시야를 바꾸었다.

그림 2.9

일반적으로 이런 효과를 관찰하기는 어렵다. 태양의 빛은 사람들이 하늘에서 태양 근처에 나타나는 별을 관찰할 수 없게 하기 때문이다. 그러나, 그것은 일식 때 관측될 수 있는데, 그때 태양빛은 달에 가려져 있었다. 제 1 차 세계대전이 진행 중이기 때문에 아인슈타인의 광선 편향에 대한 예측은 2008 년에 즉시 검증되지 않았다. 1998 년까지 영국 탐험대가 서아프리카에서 일식을 관측하여 빛이 확실히 이론적으로 예측한 것처럼 태양에 의해 편향되었다고 지적했다. 이번에 독일의 이론은 영국인들에 의해 입증되어 전후 양국의 화해의 위대한 행위로 칭송되었다. 아이러니하게도, 사람들은 나중에 이번 탐험에서 촬영한 사진을 검사해 보았는데, 오차가 그들이 측정하려고 시도한 것만큼 크다는 것을 발견했다. 과학계는 일반적으로 그들의 측정이 순전히 행운이거나 그들이 원하는 결과가 알려져 있다고 생각한다. 그러나, 빛의 편향은 이후의 많은 관측에 의해 정확하게 증명되었다.

일반 상대성 이론의 또 다른 예측은 지구와 같은 질량 물체 근처에서 시간이 더 느리게 지나가는 것 같다는 것이다. 이는 빛 에너지가 그 주파수 (초당 빛의 진동 횟수) 와 관련이 있기 때문입니다. 에너지가 클수록 주파수가 높아집니다. 빛이 지구의 중력장에서 올라가면 에너지가 손실되어 주파수가 떨어집니다 (두 피크 사이의 간격이 커진다는 것을 의미). 위의 사람들의 관점에서 볼 때, 아래에서 일어나는 모든 일은 더 오래 걸리는 것 같다. 이 예측은 급수탑의 상단과 하단에 설치된 매우 정확한 시계 한 쌍을 이용하여 2006 년에 검증되었다. 바닥이 지구에 가까울수록 시계가 더 느리게 걷는 것을 발견하는데, 이것은 광의상대성론과 완전히 일치한다. 지구상의 높이가 다른 시계의 속도는 다르다. 이는 현재 큰 현실적 의의가 있다. 사람들이 위성을 이용하여 매우 정확한 항법을 하기 때문이다. 만약 사람들이 일반 상대성 이론의 예측에 대해 아무것도 모른다면, 계산된 위치는 몇 마일 오차가 날 것이다!

뉴턴의 운동 법칙은 공간의 절대 위치에 대한 개념을 종식시켰다. 반면에 상대성이론은 절대 시간에서 벗어났다. 쌍둥이 한 쌍을 고려하다. 한 명은 산꼭대기에 가서 살고 다른 한 명은 해수면에 남는다고 가정해 봅시다. 첫 번째는 두 번째보다 나이가 들 것이다. 그래서 만약 그들이 다시 만난다면, 하나는 다른 것보다 더 늙었을 것이다. 이런 상황에서 나이 차이는 매우 적다. 하지만 한 아이가 광속에 가까운 우주선을 타고 장거리 여행을 한다면, 그 차이는 훨씬 더 커질 것입니다. 그가 돌아올 때, 그는 지구에 남아 있는 다른 사람보다 훨씬 젊어질 것이다. 이것은 소위 쌍둥이 역설이다. 그러나, 이것은 마음 속에 여전히 절대적인 시간 개념을 가진 사람들에게 단지 역설일 뿐이다. 상대성론에는 유일한 절대 시간이 없다. 반대로, 모든 사람은 그가 어디에 있는지, 어떻게 움직이는지에 따라 자신의 시간 척도를 가지고 있다.

몇 년 전, 공간과 시간은 사건이 발생한 고정 단계로 간주되어 발생한 사건의 영향을 받지 않았다. 특수 상대성 이론에서도 마찬가지다. 물체가 움직일 때, 힘은 서로 끌어당기고 배척하지만, 시간과 공간은 전혀 영향을 받지 않고 연장된다. 공간과 시간은 자연히 무한히 앞으로 뻗어 있는 것으로 여겨진다.

그러나 일반 상대성 이론에서는 상황이 크게 다르다. 이때 공간과 시간은 동력이 된다. 물체가 움직이거나 힘이 있을 때 공간과 시간의 곡률에 영향을 미친다. 반면에 시공간의 구조는 물체의 움직임과 힘이 작용하는 방식에 영향을 미친다. 공간과 시간은 영향을 받을 뿐만 아니라 우주에서 일어나는 모든 일의 영향을 받는다. 공간과 시간의 개념이 없으면 우주의 사건에 대해 이야기할 수 없는 것처럼, 광의상대론에서 우주 경계 밖의 공간과 시간에 대해 이야기하는 것은 의미가 없다.

앞으로 수십 년 동안 공간과 시간에 대한 새로운 이해가 우리의 세계관을 바꿀 것이다. 이미 존재하고 무기한 존재하는 기본적으로 변하지 않는 우주의 낡은 관념은 이미 우주가 움직이고 팽창하며 제한된 과거부터 시작하여 제한된 미래에 끝나는 관념으로 대체되고 있는 것 같다. 이 변화는 다음 장의 내용이다. 몇 년 후, 제가 이론 물리학을 배우는 출발점이 되었습니다. 로저 펜로스와 저는 아인슈타인의 일반 상대성론에서 우주가 시작도 있고 끝도 있을 것이라고 추론할 수 있다고 지적했습니다. (* Roger penrose, Roger Penrose, Roger Penrose, Roger Penrose, Roger Penrose)