미래로 가는 길이 있습니까?

상대성론

상대성 이론은 물질 운동과 시공간의 관계에 관한 이론이다. 현대 물리학의 이론적 토대 중 하나입니다. 상대성 이론은 금세기 초 아인슈타인 등이 실험 사실 (예: 마이클슨 모레 실험) 을 총결하는 기초 위에서 건립되고 발전한 것이다. 그 전에 사람들이 고전적인 시공간 개념 (주로 갈릴레오 변환으로 대표됨) 에 따라 빛의 전파를 해석할 때 일련의 날카로운 갈등이 일어났다. 물리학에서 새로운 시공간 현상과 고속 물체의 운동 법칙을 확립하는 것은 미래 물리학의 발전에 중요한 의의가 있다. 상대성론은 협의상대성론과 광의상대성론의 두 부분으로 나눌 수 있다. 1938+0905 년에 설립된 특수 상대성 이론의 기본 원리:

모든 관성 참조 시스템에서 자연의 법칙은 동일합니다. 이것이 바로 상대성의 원리입니다.

어떤 관성계에서도 진공 속의 광속은 모두 같다. 즉 광속이 변하지 않는 원리다.

시간과 공간의 양이 한 관성계에서 다른 관성계로 바뀌는 경우 갈릴레오 변환이 아닌 로렌츠 변환을 만족시켜야 하며, 다음과 같은 많은 중요한 결론을 도출해야 합니다.

① 두 사건의 선착순이나' 동시' 여부는 서로 다른 참조 시스템에서 다르다 (그러나 인과법은 여전히 성립된다).

② 물체의 길이를 측정할 때, 움직이는 물체의 운동 방향은 정지시보다 짧아진다. 마찬가지로, 시간 이력을 측정할 때, 우리는 운동의 시계가 정지된 시계보다 느리다는 것을 알 수 있다.

(3) 물체의 질량은 속도가 증가함에 따라 증가한다. 관계는 정지 질량으로, 정지 질량이라고 한다.

어떤 물체의 속도도 광속을 초과할 수 없다.

⑤ 물체의 질량과 에너지는 질량 에너지 관계를 만족시킨다.

상술한 결론은 현재의 실험 사실과 일치하지만, 고속 운동할 때만 효과가 현저하다. 일반적으로 상대성론 효과는 매우 작기 때문에 고전 역학은 저속 상대성론 역학의 근사치로 볼 수 있다. 19 16 년, 일반 상대성 이론의 성립은 다음과 같습니다.

광의상대성론 원리, 즉 자연법칙은 어떤 참고계에서도 같은 수학 형식으로 표현할 수 있다.

(2) 등가 원리, 즉 작은 볼륨 범위 내의 중력은 가속 시스템의 관성력과 동등합니다.

앞서 언급한 원리에 따르면 중력은 물질의 존재와 일정한 분포로 인해 시공간의 질량이 고르지 않아 발생한다. 중력장 이론이 성립되다. 협의상대성론은 광의상대성론이 중력장이 약한 경우의 특례이다. 광의상대성론에서 수성의 근일점의 세차 법칙과 같은 중요한 결론을 도출할 수 있다. 중력장에서 빛이 휘어집니다. 강한 중력장에서 시계가 느려지는 등 (또는 중력장의 스펙트럼이 빨간색 끝으로 이동하는 등). 이러한 결론은 이후의 관찰 결과와 거의 일치한다. 최근 몇 년 동안, 광의상대성론의 결론은 레이더파가 태양중력장에서 앞뒤로 전파되는 시간 지연을 측정함으로써 더욱 정밀하게 확인되었다. 상대성 이론은 중요한 역사적 의의를 가지고 있지만, 여전히 연구해야 할 많은 문제들이 있다.

공간이 구부러지다

일반 상대성 이론을 검증하는 실험

1, 아인슈타인은 세 가지 검증 실험을 지적했다.

1905 년 아인슈타인이 유명한 역사 문헌' 운동물체의 전기역학' 을 발표하고 협의상대성론을 건립했을 때, 그의 이론은 받아들여지지 않았고, 많은 사람들 (일부 명망있는 과학자 포함) 은 의심과 반대를 했다. 협의상대성론의 새로운 시공관은 물리학의 고전 개념과 크게 다르기 때문에 불가사의하다

아인슈타인은 이 때문에 뒷걸음치지 않았고, 그는 상대성 이론을 비 관성계로 확대하는 것을 계속 고려했다. 아인슈타인은 1907 부터 19 16 까지 여러 편의 문장, 광의상대성 이론을 지속적으로 보완하고 리만의 구부러진 공간을 도입했다. 아인슈타인은 19 16 이 출판한' 광의상대성론 기초' 에서 뉴턴의 중력 이론은 상대성론 중력 이론의 1 급 근사치로 볼 수 있다고 지적했다. 아인슈타인은 또한 행성궤도의 근일점의 진동, 중력장에서의 빛의 굽힘, 은하보선의 중력홍이동을 측정하여 일반 상대성 이론을 검증할 수 있다고 지적했다.

2. 행성 궤도에서 근일점의 세차 운동

뉴턴 운동 법칙과 만유인력 제곱반비례 법칙에 따르면 태양계 내 행성의 운행 궤도는 엄격한 타원과 폐쇄 곡선이어야 하며 태양은 타원의 한 초점에 있어야 한다. 그러나 1859 부터 천문학자들은 행성의 궤도가 엄격하게 폐쇄된 타원이 아니라는 것을 발견했다. 행성이 태양 주위를 한 바퀴 회전할 때마다 타원 궤도의 장축이 한 주 동안 약간 회전하는데, 이를 행성의 가까운 (또는 먼) 날이라고 합니다. 그림 1 에서 볼 수 있듯이, 특히 태양에 가장 가까운 수성은 100 년에 한 번씩 세차게 관찰한다. 일반적으로 수성은 주로 태양뿐만 아니라 태양계의 다른 행성에도 끌리는 것으로 여겨진다. 그리고 지구도 자전 공전하는 이상적이지 않은 관성계에서 관측돼 느린 세차가 있다. (윌리엄 셰익스피어, 자전, 공전, 공전, 공전, 공전, 공전, 공전, 공전) 뉴턴 중력 이론으로 계산하면, 상술한 영향을 고려해 볼 때, 나이 차이는 여전히 실제 관측치보다 작다. 숫자는 작지만 관측 정확도의 허용 오차 범위를 벗어납니다. 그리고 태양계의 다른 행성들도 비슷한 근지점 중복 진동을 가지고 있는데, 수치가 매우 작다.

이러한 차이를 설명하기 위해 해왕성의 존재를 성공적으로 예언한 천문학자 레비는 태양 근처에 발견되지 않은 소행성, 즉 수성 궤도의' 수중 행성' 이 있다고 예언했다. 이 수중 행성이 수성에 미치는 중력 작용으로 불필요한 나이 차이가 나타났다. 그러나, 예측된 하늘 지역은 여러 해 동안 자세히 수색되었다. 이 상상 속의 수중 행성은 한번도 발견되지 않았다. 수중 행성은 뉴턴 중력 이론의 다년간 풀리지 않은 난제가 되었다. 일반 상대성 이론에 따르면, 천체의 질량이 클수록 그 주위의 시공간이 더 휘어진다. 행성은 구부러진 시공간에서 단거리 선을 따라 움직인다. 수성은 태양에 가장 가까운 행성으로, 이곳의 중력장은 태양계의 다른 행성보다 훨씬 강하며 시공간도 심하게 휘어져 있다. 또한 수성의 궤도 편심률은 더 큽니다. 그래서 수성의 근일점의 초과세차는 다른 행성보다 크다. 아인슈타인은 19 15 년 광의상대성론에 따라 계산한 수성의 근일점 초과진동이 실제 관측과 잘 일치한다. 따라서 수성궤도의 근일점의 진동은 광의상대성론 건립 초기의 첫 번째 중대 실험 검증으로 여겨진다. 나중에 측정한 지구, 진싱 등 행성의 근일점 세차도 일반 상대성 이론의 계산과 잘 일치한다.

중력장에서의 빛의 편향

광의상대성 이론에 따르면 빛은 중력장에서 구부리기와 편향이 발생할 수 있다. 그러나 이런 편향은 매우 작기 때문에 지구에서 관찰하기가 쉽지 않다. 아인슈타인은191/Kloc-0 이 오프셋을 관찰해야 한다. 19 16, 그는 빛이 태양 근처의 편각을 통과한다는 것을 계산했다. 19 19 남반구에서 개기일식 발생 시 영국은 천문학자 A.S. 에딩턴이 이끄는 두 원정 관측대를 각각 서아프리카와 브라질에서 동시 측량했다. 측정된 편차를 얻었다.

미래 개기일식 과정의 유사한 관측도 일반 상대성 이론의 결론을 지지한다. 결국 개기일식 기회는 비교적 적기 때문에 과학자들은 이런 실험이 다른 시간에 진행될 수 있기를 바란다. 1960 년대 이후 발전한 전파 천문학은 사람들이 평상시 전파 망원경으로 태양으로 덮인 사전 전원을 측정할 수 있게 해 해상도가 크게 높아졌다. 19438+0975 년 관찰된 태양 표면 부근의 전파를 통과하는 편각은 일반 상대성론 예측과 같다.

스펙트럼 선의 중력 적색 편이

광의상대성론에 따르면 빛이 중력장에서 전파될 때 그 주파수가 변한다. 빛이 중력장이 강한 곳 (예: 태양 근처) 에서 중력장이 약한 곳 (예: 지구 근처) 으로 전파되면 주파수가 약간 낮아지고 파장이 약간 증가하여 중력이 빨갛게 움직입니다. 빛이 반대 방향으로 전파되면 주파수가 증가하고 파장이 짧아져 중력 파란색 이동이 발생합니다. 아인슈타인은 1965438+ 에 있습니다.

다양한 별의 크기 비교

백색 왜성은 질량이 크고 반지름이 작으며, 방출되는 광인력 적색 이동 효과가 뚜렷하다. 1925 년, 천문학자 W.S. 아담스는 백란성 시리우스 A 를 관찰했는데, 측정된 중력홍이동은 광의상대성론 이론과 거의 일치한다. 1960, 70 년대에 측정한 태양보선 중력적이동치와 이론값의 불확실성은 5 ~ 7% 미만이다.

지상 높이 차이가 수십 미터나 되는 두 점 사이에 전파되는 빛은 중력홍이동도 발생해야 하지만 중력홍이동의 변화는 더 적고, 단 하나의 규모만 있을 뿐이다. (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 희망명언) 1958 에서 일반적인 실험 수단으로 관찰하기 어려운 무스부르크 효과의 발견은 지상에서 중력 적색 이동 실험을 정확하게 완성할 수 있는 가능성을 제공한다. 파운드 (R.V.Pound) 와 레부카 (C. Rebka) 는 코발트 57 에서 나오는 광선을 22.6m 높이의 탑 꼭대기에서 지면의 수신기로 쏘아 무스부르크 효과를 이용하여 탑 바닥의 주파수를 측정한다.

네 번째 주요 검증 실험-레이더 에코 지연

위에서 논의한 세 가지 검증 실험 외에도 I.Shapiro 는 1964 에서 레이더 에코 지연 실험을 통해 일반 상대성 이론을 검증할 것을 제안했다. 일반 상대성 이론에 따르면, 물질의 존재와 운동은 주변 시공간의 굽힘을 불러일으키며, 질량이 큰 물체 부근에서의 빛의 굽힘은 일종의 굴절로 볼 수 있는데, 이는 빛의 속도가 느려지는 것과 같다. 레이더파가 행성 표면에 도달하여 지구로 반사되면 왕복에 필요한 시간을 측정할 수 있다. 레이더 에코의 지연 시간은 레이더 파동이 태양 근처에서 전파되는 왕복 시간과 태양으로부터 멀리 떨어진 왕복 시간을 비교함으로써 얻을 수 있다.

샤피로팀은 수성, 진싱, 화성에서 레이더 에코 지연 실험을 연이어 진행했으며, 후기 실험 데이터와 일반 상대성 이론값의 불확실성은 약 65438 0% 였다. 80 년대 초 화성 표면에 상륙한 해적호 탐사선을 이용해 레이더 에코 지연 실험값의 불확실성이 0.65,438+0% 로 낮아져 일반 상대성 이론을 강력하게 지지했다.

도입 기술의 존재 파-펄스 이진 관측이 간접적으로 입증되었습니다.

일반 상대성 이론에 따르면 물질은 비대칭적인 방식으로 중력파 생성을 가속화한다. 아인슈타인은 중력파의 전파 속도가 전자파와 같다는 것을 증명했다. 뉴턴의 중력 이론에는 중력파가 없다. 중력파를 관찰할 수 있다면, 그것은 일반 상대성 이론의 큰 승리가 될 것이다. 그러나 중력 효과가 전자기 효과보다 훨씬 약하기 때문에 기존 재료와 실험 수단으로 지구에서 감지할 수 있는 중력파를 수동으로 생성할 수 없다. 사람들은 거대한 질량의 천체물리학 과정을 탐지하는 중력파에 희망을 걸어야 했다.

1967 년 천문학자 S.J. 벨과 A.Hewish 는 전파 망원경으로 펄서를 발견했다. 나중에 펄서가 중성자 별이라는 것이 증명되었다. 전파 망원경이 받는 펄스 신호는 중성자가 회전할 때 자기극에서 방출되는 전자파이다. 1974, R.A.Hulse 및 j.h.taylorsr1913+/kloc-; 일반 상대성 이론에 따르면 펄스 쌍성은 자전 시 중력파를 방출한다. 펄스 쌍성 (PSR1913+16) 방사선 중력파의 전력은 적지 않지만 W 가 있지만 쌍성은 지구에서 너무 멀어서 중력파가 밀도로 지면에 도달한다. 아직 이렇게 미약한 중력파를 감지할 수 있는 방법은 없다. 그러나 일반 상대성 이론에 따르면 중력 복사 댐핑은 펄스 쌍성 복사 중력파가 불가피한 에너지 손실, 즉 쌍성 시스템의 에너지가 떨어지고 주기가 느려지기 때문이다. 최근 20 년간의 관측을 통해 펄스 쌍성의 운동주기가 꾸준히 줄어들고 있고, 주기가 느려지는 변화율은 일반 상대성 이론의 이론값과 상당히 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 펄스 쌍성에 대한 관측은 중력파의 존재를 간접적으로 증명하는 것으로 여겨진다. 홀과 테일러는 펄스 쌍성을 발견하여 6500 파운드의 보너스를 받았다.

중력파의 직접 탐지는 실험물리학의 주요 과제 중 하나이며, 이는 광의상대성론을 더 검증할 것이다. 서방 선진국들은 대량의 인력과 물력을 투입하여 연구를 진행했지만, 지금까지 아직 만족스러운 데이터를 얻지 못했다.

우주의 가속 팽창

우주의 광대함과 마법은 경이롭고 매혹적이다. 송이은하의 기본 성분은 별처럼 빛나는' 중자형 물질' 이지만 우주에도 성운, 행성, 왜성, 블랙홀 등 상당한' 중자형 물질' 이 있다. 중자형 물질이란 사람들이 지구나 실험실에서 자주 만나는 일반 물질이나 그 다른 탈바꿈을 말한다.

초신성의 붕괴

놀랍게도, 모든 중자 물질은 우주의 약 4% 를 차지하는데, 그 중 26% 는 암흑 물질이라고, 70% 정도는 암흑에너지라고 불린다. 이러한 "암흑 물질" 과 "암흑 에너지" 는 완전히 새로운 형태이며 사람들은 그들에 대해 잘 알지 못합니다. 우주는 성분이 특수할 뿐만 아니라 언뜻 보기처럼 정적인 것도 아니다. 우주는 실제로 동적으로 팽창한다.

고정밀 망원경을 통해, 우리는 먼 별에서 나오는 별의 스펙트럼 선이 붉은 끝으로 움직이는 것을 관찰할 수 있다. 스펙트럼 적색은 별이 퇴행하고 있으며, 별에서 멀어질수록 스펙트럼 적색이 커진다는 것을 보여준다. 우주가 같은 속도로 팽창하고 거리가 붉은 움직임에 비례한다면, 이것이 유명한 허블의 법칙이다. 1998, 과학 연구가 많이 진전되었다. 과학자들은 우주가 사람들이 항상 상상했던 것이 아니라는 것을 발견했다. 물질만 존재하기 때문에 팽창을 감속시켜야 한다. 반대로 우주는 팽창을 가속화하고 있다. 이것은 우주의 주성분이 물질이 아니라' 암흑에너지' 라는 새로운 형태를 예고하고 있다. 2000 년에 우주의 가속 팽창에 대한 중요한 증거는 우주 마이크로웨이브 배경 비등방성의 정확한 측정이다.

1960 년대 초에 과학자들은 우주에 3K 도 마이크로웨이브 배경 복사가 있다는 것을 발견했다. 사실 고온열 폭발이 충분히 팽창한 후 우주의 잔여 온도이며, 상당히 균일하고 등방성입니다. 그러나 3K 도 마이크로웨이브 배경 복사는 1 만분의 1 의 비균일 기복을 가지고 있으며, 여기에는 매우 풍부한 초기 우주에 대한 귀중한 정보가 포함되어 있다. 바로 이 정보에 대한 분석에서 사람들은 우주가 평평하다는 것을 알게 되었다. 게다가, 그것은 위의 성분의 비율을 가지고 있다. 은하단의 X 선 분포, 중력 렌즈, 우주 연령의 추론, 대규모 구조 진화와 같은 다양한 방법의 천문 관측은 더 많은 증거를 제시한다. 우주에는' 중자형' 과' 어둠형' 을 포함한 40% 미만의' 물질' 이 함유되어 있다. 각종 성과의 교차 검증은 기본적으로 우주에 대한 우리의 전반적인 견해를 증명하는데, 이것은 매우 대단한 성과이다.

그러나 도전도 심각하다. "암흑 물질" 의 본질은 알려지지 않았습니다. 그것은 우리의 일반적인' 중자형 물질' 과 전자와 강한 상호 작용이 없기 때문에 감지하기 어렵다. 우리는 그것의 대규모 중력 효과만으로 그것의 존재를 추론한다. 상당수의 과학자들은' 암흑물질' 이 입자 표준 모델 가설의 초대칭 확장 버전에서 이른바' 중성 입자' 라고 부르길 바란다. 그러나 그것의 존재는 아직 실험에 의해 증명되지 않았다. 암흑 에너지에 관해서는 더욱 신비롭다. 입자물리학은 진공에너지가 암흑에너지의 가능한 형태 중 하나로 우주상수라고 불리지만, 항상 우주론에 필요한 암흑에너지보다 수십 개 정도 높다는 것을 알고 있다. 이는 우리의 기초물리학에 중대한 결함이 있어 위기에 직면하고 있음을 보여준다.

또한, "우주 상수" 와 같은 "진공 에너지" 의 존재는 우주의 미래를 지배할 것이며, 오늘날 우리가 볼 수 있는 모든 은하는 우리의 시야에서 더 빨리 날아가고 다시는 돌아오지 않을 것입니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 우주명언) 따라서 우리는 입자물리학과 우주학의 최신 성과와 결합해 우주가 기초이론에 가져온 엄중한 도전을 연구하여 더욱 안심할 수 있는 우주의 미래 전망을 보여 주어야 한다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언)

기이한

아리스토텔레스에서 뉴턴, 아인슈타인에 이르는 과학 발전 과정을 되돌아보면, 어떤 물리적 이론도 자신의 성공과 실패를 가지고 있거나, 혹은 자신의 유효와 무효의 범위를 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 낡은 문제를 해결하고 새로운 문제를 제기하는 것은 왕왕 같은 이론의 양면이다. 뉴턴은 아리스토텔레스가 해결하지 못한 많은 문제를 해결했지만 자신의 어려움도 남겼다. 아인슈타인은 뉴턴 이론의 많은 어려움을 해결했지만, 새로운 문제도 가져왔다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론의 가장 큰 문제 중 하나는 특이점이다. 블랙홀의 해법과 우주론에는 모두 특이점이 있다. 중력붕괴의 최종 결과는 특이점이다. 빅뱅의 시작점도 특이점이다.

특이점은 무한한 물질 밀도, 무한한 압력, 무한히 구부러진 시공간과 같은 일련의 이상한 성질을 가지고 있다. 또한 특이점에서는 모든 형태의 인과관계가 사라지므로 과거를 이야기하거나 미래를 예측할 수 없습니다. 한동안 물리학자들은 특이성이 수학적인 형태일 수도 있다고 생각했지만 실제로는 피할 수 있었다. 완전히 대칭적인 기하학이 없으면 특이성이 없을 수도 있다. 하지만 1970 년대부터 호킹과 판로시는 특이성이 일반 상대성 이론에서 보편적이고 불가피한 것임을 증명했다. 일반 상대성 이론이 우주에 적용될 때, 특이점은 뉴턴 역학이 우주론에서 불가피하게 어떤 무한대를 만난 것처럼 나타날 수밖에 없다. (존 F. 케네디, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언)

뉴턴 체계에서 불합리한 무한대는 뉴턴 이론이 특정 조건 하에서 더 이상 적용되지 않는다는 것을 보여 주며, 광의상대성론에서 특이점의 필연성도 광의상대성론의 한계성의 표현일 수 있다. 아인슈타인 자신이 이러한 특이점의 중요성을 이렇게 보는 것이다. 그는 이렇게 말했다. "사람들은 이 방정식들이 고장 밀도와 물질 밀도에 대해 여전히 성립된다고 가정할 수 없고, 팽창의 시작이 반드시 수학적 특이점을 의미한다는 결론을 내릴 수도 없다. 간단히 말해서, 우리는 이 방정식들이 이런 지역으로 확장될 수 없다는 것을 이해해야 한다. " 그러므로, 우리는 이러한 분야로 확장될 수 있는 이론을 찾아야 한다.

아인슈타인 이후, 사람들은 주로 두 가지 측면에서 아인슈타인의 이론을 발전시켰다. 하나는 일반 상대성 이론과 양자 이론을 결합하는 것이고, 다른 하나는 일반 상대성 이론을 다른 기본 상호 작용과 통합하는 것이다.