장5 [제2장 공간과 시간]

물체의 운동에 대한 우리의 현재 아이디어는 Galileo와 Newton에서 나옵니다.그들 이전에 사람들은 물체의 자연 상태는 정지해 있으며 물체는 힘이나 충격이 가해질 때만 움직인다고 말한 아리스토텔레스를 믿었습니다.이렇게 하면 무거운 물체가 가벼운 물체보다 더 빨리 낙하합니다. 지구 쪽으로 당기는 힘이 더 크기 때문입니다. 아리스토텔레스의 전통은 또한 우주를 지배하는 법칙은 순수한 생각으로 발견할 수 있다고 주장합니다. 관찰을 통해 법칙을 테스트할 필요가 없습니다.따라서 갈릴레오는 서로 다른 무게의 물체가 실제로 서로 다른 속도로 떨어지는지 확인하기를 원하는 최초의 사람이었습니다.갈릴레이는 피사의 사탑에서 추를 떨어뜨림으로써 아리스토텔레스가 틀렸다는 것을 증명했다고 합니다.이 이야기가 사실이라는 것은 거의 불가능하지만, 갈릴레오는 부드러운 경사면 아래로 서로 다른 무게의 공을 굴려서 동등한 일을 했습니다.이 상황은 무거운 물체의 수직 낙하와 유사하지만 속도가 작기 때문에 관찰하기 쉽습니다.갈릴레오의 측정은 물체의 무게에 관계없이 속도가 같은 속도로 증가한다는 것을 보여주었습니다.예를 들어 수평 방향으로 10미터마다 1미터씩 떨어지는 경사면에서 공을 놓으면 공의 속도는 1초 후에는 초당 1미터, 2초 후에는 초당 2미터가 되는 식입니다. 공이 아무리 무거워도.물론 추는 깃털에 대한 공기의 저항 때문에 깃털보다 더 빨리 떨어진다.사람이 두 개의 서로 다른 추와 같이 공기 저항을 경험하지 않는 두 개의 물체를 놓으면 동일한 속도로 떨어집니다.

갈릴레오의 측정은 뉴턴이 운동 법칙의 기초로 사용했습니다.갈릴레오의 실험에서 물체가 경사면 아래로 굴러갈 때 물체는 일정한 외부 힘(무게)을 지속적으로 받게 되었으며 그 결과 물체는 지속적으로 가속되었습니다.이것은 힘의 실제 효과가 원래 생각했던 것처럼 물체를 움직이게 하는 것이 아니라 항상 물체의 속도를 변경하는 것임을 보여줍니다.동시에 물체가 외력을 받지 않는 한 같은 속도로 직선으로 계속 움직인다는 의미이기도 합니다.이 아이디어는 1687년에 출판된 그의 책 Principia Mathematica에서 Newton에 의해 처음 명시적으로 언급되었으며 Newton의 첫 번째 법칙으로 알려지게 되었습니다.물체에 힘이 가해질 때 발생하는 현상은 뉴턴의 제2법칙에 의해 주어집니다. 물체가 가속되거나 속도가 변할 때 변화율은 받는 외력에 비례합니다. (예를 들어, 힘이 2배가 되면 가속도도 2배가 됩니다.) 물체의 질량(또는 물질의 양)이 클수록 가속도는 작아집니다. 가속도의 절반만 생성합니다.) 자동차는 잘 알려진 예를 제공합니다. 엔진이 강력할수록 가속도는 높아지지만 자동차가 무거울수록 같은 엔진에 대한 가속도는 낮아집니다.

운동 법칙 외에도 뉴턴은 중력을 설명하는 법칙을 발견했습니다. 두 물체는 각 물체의 질량에 비례하는 힘으로 서로 끌어당깁니다.따라서 물체 중 하나(예: A)의 질량이 두 배가 되면 두 물체 사이의 중력도 두 배가 됩니다.새로운 물체 A는 원래 질량을 가진 두 개의 물체로 생각할 수 있고 각각 원래의 힘으로 물체 B를 끌어당기므로 A와 B 사이의 총 힘은 두 배가 되기 때문에 이것은 예상할 수 있는 것입니다.한 물체의 질량이 2배이고 다른 물체의 질량이 3배라면 중력은 6배 더 커질 것입니다.이제 떨어지는 물체가 항상 같은 속도로 떨어지는 이유를 알 수 있습니다. 무게가 두 배인 물체는 중력에 의해 두 번 당겨지지만 질량도 두 배입니다.뉴턴의 제2법칙에 따르면 이 두 가지 효과는 서로 정확히 상쇄되므로 모든 경우에 가속도는 동일합니다.

뉴턴의 중력 법칙에 따르면 물체 사이의 거리가 멀수록 중력은 작아집니다.뉴턴의 중력 법칙에 따르면 별의 중력은 절반 거리에 있는 유사한 별의 중력의 1/4에 불과합니다.이 법칙은 지구, 달 및 기타 행성의 궤도를 매우 정확하게 예측합니다.별의 중력이 이보다 더 빠른 거리에 따라 감소하도록 법칙이 바뀌면 행성의 궤도는 더 이상 타원형이 아니며 나선형으로 태양을 향해 나선을 그리게 될 것입니다.중력이 더 천천히 감소하면 먼 별의 중력이 지구의 중력을 초과할 것입니다. 아리스토텔레스의 생각과 갈릴레오-뉴턴의 생각 사이의 큰 차이점은 아리스토텔레스는 외력과 충격을 받지 않는 신체가 가정하는 우월한 휴식 상태를 믿었다는 것입니다.특히 그는 지구가 정지되어 있다고 생각했습니다.그러나 뉴턴의 법칙에 따르면 고요함의 단일 기준은 없습니다.물체 A는 정지해 있고 물체 B는 그것에 대해 일정한 속도로 움직인다거나 물체 B는 정지해 있고 A가 움직인다고 말할 수 있으며 이 두 진술은 동등합니다.예를 들어, 지구의 자전과 태양 주위의 공전을 일시적으로 제쳐두고 지구가 정지해 있고 기차가 시속 90마일로 북쪽으로 이동하고 있다고 말할 수 있습니다. 또는 기차가 정지해 있고 지구가 남쪽을 향하고 있다고 말할 수 있습니다. 시속 90마일로.기차에서 움직이는 물체로 실험을 하면 모든 뉴턴의 법칙이 적용됩니다.예를 들어 기차에서 탁구를 치면 레일 옆 탁자에서처럼 탁구는 뉴턴의 법칙을 따르므로 기차인지 지구인지 알 수 없습니다. 움직이는 것입니다.

휴식에 대한 절대적인 기준이 없다는 것은 서로 다른 시간에 발생하는 두 사건이 공간의 같은 위치에서 발생하는지 여부를 결정할 수 없음을 시사합니다.예를 들어 기차에서 탁구공이 위아래로 똑바로 튕겨서 테이블의 같은 지점을 1초 간격으로 두 번 쳤다고 가정합니다.선로에 있는 사람의 관점에서 두 번의 튕김은 약 100미터 떨어진 서로 다른 지점에서 발생했습니다. 두 번의 튕김 사이에 기차가 선로에서 지금까지 이동했기 때문입니다.따라서 절대적인 휴식이 존재하지 않는다는 것은 아리스토텔레스가 믿었던 것처럼 사건에 절대적인 공간적 위치를 할당할 수 없음을 의미합니다.이벤트의 위치와 이벤트 사이의 거리는 기차에 있는 사람과 트랙에 있는 사람에 따라 다르므로 한 사람이 다른 사람보다 낫다고 생각할 이유가 없습니다.

뉴턴은 절대 위치 또는 절대 공간이라고 불리는 것이 존재하지 않는 것에 대해 매우 우려했습니다. 절대 신에 대한 그의 생각과 일치하지 않기 때문입니다.사실 그는 자신의 법칙에 절대공간의 부재가 내포되어 있어도 받아들이기를 거부했다.이 비합리적인 믿음 때문에 그는 모든 물질적 실체, 공간과 시간이 환상적이라고 믿었던 철학자 버클리 주교를 비롯한 많은 사람들로부터 심한 비판을 받았습니다.사람들이 유명한 Dr. Johnson에게 Berkeley의 의견을 말했을 때, 그는 발가락으로 큰 돌을 차고 큰 소리로 말했습니다. 이렇게 반박하고 싶습니다!

아리스토텔레스와 뉴턴은 모두 절대 시간을 믿었습니다.즉, 그들은 두 사건 사이의 시간 간격을 명확하게 측정할 수 있고 좋은 시계가 있으면 누가 측정해도 시간이 동일할 것이라고 믿었습니다.시간은 공간과 완전히 분리되고 독립적입니다.이것은 대부분의 사람들이 상식으로 받아들이는 것입니다.그러나 우리는 이러한 공간과 시간에 대한 개념을 바꿔야 합니다.이 명백한 상식은 사과나 행성과 같이 느리게 움직이는 물체에 대해서는 잘 작동하지만 빛의 속도로 또는 그에 가까운 속도로 움직이는 물체를 다룰 때는 전혀 작동하지 않습니다. 빛이 유한하지만 매우 빠른 속도로 이동한다는 사실은 덴마크 천문학자 Ole에 의해 처음 제안되었습니다.크리스티안센.Rohmer는 1676년에 처음 발견되었습니다.그는 목성의 위성이 일정한 속도로 목성 주위를 공전하는 경우 예상되는 것처럼 목성의 뒤에서 등간격으로 나타나지 않는다는 사실을 관찰했습니다.지구와 목성이 모두 태양을 공전함에 따라 그들 사이의 거리가 변합니다.Rohmer는 우리가 목성에서 멀어질수록 나중에 목성의 일식이 나타난다는 것을 알아차렸습니다.그의 주장은 우리가 멀어질수록 빛이 목성의 달에서 우리에게 도달하는 데 더 오래 걸리기 때문입니다.그러나 목성에서 지구까지의 거리 변화에 대한 그의 측정은 그다지 정확하지 않았기 때문에 그의 빛의 속도 값은 초당 14마일이었고 현재 값은 초당 186,000마일입니다.그럼에도 불구하고 Rohmer는 빛이 유한한 속도로 움직인다는 것을 증명했을 뿐만 아니라 빛의 속도를 측정하기도 했으며, 그의 업적은 주목할 만합니다.

1865년까지 영국의 물리학자 제임스.Maxwell은 당시 전기와 자기를 설명하는 데 사용된 일부 이론을 통합하는 데 성공한 후에야 진정한 빛 전파 이론을 갖게 되었습니다.Maxwell의 방정식은 결합된 전자기장에서 연못 표면의 잔물결처럼 고정된 속도로 움직이는 요동 변동이 있을 수 있다고 예측합니다.이 파동의 파장(두 마루 사이의 거리)이 1미터 이상인 경우 전파라고 합니다.파장이 더 짧은 파동을 마이크로웨이브(몇 센티미터) 또는 적외선(1/1000센티미터 이상)이라고 합니다.가시광선의 파장은 4천만분의 1에서 8천만분의 1센티미터입니다.더 짧은 파장은 자외선, X-선 및 감마선이라고 합니다.

맥스웰의 이론은 전파나 광파가 특정한 고정 속도로 이동해야 한다고 예측했습니다.그러나 뉴턴의 이론은 절대 정지라는 개념을 없앴기 때문에 빛이 일정한 속도로 움직인다고 가정한다면 이 고정된 속도를 상대적으로 측정하는 기준을 명확히 해야 한다.따라서 진공에서도 에테르라는 편재하는 물체가 존재한다고 제안되었습니다.음파가 공기 중에 있는 것처럼 광파는 에테르를 통과해야 하므로 빛의 속도는 에테르에 비례해야 합니다.에테르의 운동에 관련된 다른 관찰자들은 빛이 서로 다른 속도로 그들을 향해 돌진하는 것을 볼 수 있지만 에테르에 대한 빛의 속도는 일정합니다.특히 지구가 에테르를 통과하며 태양 주위를 공전할 때 지구가 에테르를 통과하는 방향(우리가 광원 쪽으로 이동할 때)에서 측정한 빛의 속도는 그 방향에서 측정한 빛의 속도보다 커야 한다. 움직임에 수직입니다(광원 쪽으로 움직이지 않을 때).1887년 앨버트.Michelson (나중에 최초의 미국 물리학 노벨상 수상자가 됨)과 Edward.Morey는 Cleveland에 있는 Cass School of Applied Science에서 매우 신중한 실험을 수행했습니다.그들은 지구의 운동 방향과 수직 방향으로의 빛의 속도를 비교했고 놀랍게도 두 빛의 속도가 정확히 동일하다는 것을 발견했습니다!

1887년과 1905년 사이에 Michelson-Morley 실험을 설명하려는 여러 시도가 있었습니다.가장 유명한 사람은 네덜란드의 물리학자 헨드릭입니다.Lolloz, 그는 에테르에 대해 움직이는 물체의 수축과 시계의 감속 메커니즘을 기반으로 합니다.그러나 스위스 특허청의 지금까지 알려지지 않은 직원인 Albert는아인슈타인은 1905년 유명한 논문에서 절대 시간의 개념을 기꺼이 포기하는 한 에테르의 전체 개념은 불필요하다고 지적했습니다.몇 주 후, 프랑스의 가장 중요한 수학자 중 한 명인 앙리는푸앵카레도 비슷한 지적을 했다.아인슈타인의 주장은 푸앵카레보다 물리학에 더 가까운데, 후자는 이것을 수학적 문제로 간주하기 때문입니다.일반적으로 이 새로운 이론은 아인슈타인의 것으로 여겨지지만 푸앵카레의 이름이 중요한 역할을 합니다.

상대성 이론으로 알려진 이 이론의 기본 가정은 과학의 법칙이 자유 운동 속도에 관계없이 관찰자에 대해 동일해야 한다는 것입니다.이것은 확실히 뉴턴의 운동 법칙에 해당되지만 이제 아이디어는 맥스웰의 이론과 빛의 속도를 포함하도록 확장되었습니다. 관찰자가 아무리 빨리 움직이더라도 동일한 빛의 속도를 측정해야 합니다.이 간단한 개념은 몇 가지 놀라운 결과를 가져옵니다.아마도 가장 유명한 것은 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc2(여기서 E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도)로 표현되는 질량과 에너지의 등가성일 것입니다. 빛보다 빠른 법.에너지와 질량은 등가이기 때문에 물체가 운동으로 인해 가지고 있는 에너지는 질량에 더해져야 합니다.즉, 가속하기가 더 어려워집니다.이 효과는 물체가 빛의 속도에 가까운 속도로 움직일 때만 실질적인 의미를 갖습니다.예를 들어 광속의 10%로 움직이는 물체의 질량은 ○만큼만 증가한다.빛의 속도의 90%로 움직이는 물체는 정상 질량의 두 배 이상이 됩니다.물체가 빛의 속도에 가까워질수록 질량은 점점 더 빠르게 증가하고 더 멀리 가속하는 데 점점 더 많은 에너지가 필요합니다.사실, 그것은 결코 빛의 속도에 도달할 수 없는데, 그 때 질량이 무한대가 될 것이기 때문이며, 질량과 에너지의 등가 원리에 의해 이를 위해서는 무한한 에너지가 필요합니다.이러한 이유로 상대성 이론은 모든 일반 물체가 빛의 속도보다 낮은 속도로 이동하도록 제한합니다.본질적인 질량이 없는 빛이나 다른 파동만이 빛의 속도로 이동할 수 있습니다. 상대성 이론의 또 다른 주목할 만한 결과는 그것이 우리의 공간과 시간 개념을 변화시켰다는 것입니다.뉴턴의 이론에서 빛의 펄스가 한 장소에서 다른 장소로 보내지면(시간은 절대적이기 때문에) 관찰자는 이 과정에 걸리는 시간에 동의하지 않을 것이지만 빛이 이동하는 시간에 동의하지 않을 것입니다. 이 점에서 합의에 도달했습니다(공간이 절대적이지 않기 때문에).빛의 속도는 거리를 걸린 시간으로 나눈 값과 같기 때문에 관측자마다 빛의 속도를 다르게 측정합니다.반면에 상대성 이론에서는 모든 관찰자가 빛이 얼마나 빨리 움직이는지에 대해 동의해야 합니다.그러나 그들은 빛이 얼마나 멀리 이동하는지에 대해서는 의견이 일치하지 않습니다.그래서 이제 그들은 빛이 얼마나 오래 걸릴지에 대해 동의하지 않습니다. (어쨌든 빛이 걸리는 시간은 정확히 빛의 속도로 모든 관찰자에게 일관되고 빛이 이동하는 거리를 뺀 값이 그들에게는 일관되지 않습니다.) 간단히 말해서, 상대성 이론은 절대 시간!따라서 각 관찰자는 자신이 가지고 다니는 시계에 의해 측정된 시간을 가지며, 다른 관찰자가 가지고 다니는 동일한 시계가 반드시 일치하는 것은 아닙니다. 그림 II.시간은 수직 좌표에서 측정되고 관찰자와의 거리는 수평 좌표에서 측정됩니다.공간과 시간을 통한 관찰자의 경로는 왼쪽의 수직선으로 표시됩니다.이벤트를 오가는 광선의 경로는 대각선으로 표시됩니다. 각 관찰자는 레이더를 사용하여 빛의 펄스 또는 전파를 보내 이벤트가 발생한 장소와 시간을 확인할 수 있습니다.펄스의 일부가 이벤트에서 다시 반사된 후 관찰자는 에코를 받는 시간을 측정할 수 있습니다.이벤트의 시간은 펄스가 전송된 시점과 펄스가 다시 반사되어 수신되는 두 순간 사이의 중간 지점으로 간주할 수 있으며 이벤트의 거리는 왕복 시간의 절반에 다음을 곱한 값으로 간주할 수 있습니다. 빛의 속도. (이러한 의미에서 이벤트는 주어진 시간과 공간의 특정 지점에서 발생하는 것입니다.) 이 의미는 그림 2에 나와 있습니다.하나 위로.이것은 시공간도의 예입니다.이 절차를 사용하여 상호 이동 중인 관찰자는 동일한 이벤트에 다른 시간과 위치를 할당할 수 있습니다.특정 관찰자의 측정값이 다른 측정값보다 정확하지는 않지만 모두 상관 관계가 있습니다.관찰자가 다른 사람들의 상대적인 속도를 알고 있는 한, 그는 다른 사람들이 동일한 이벤트에 할당해야 하는 시간과 위치를 정확하게 계산할 수 있습니다. 이제 우리는 길이를 측정할 수 있는 것보다 시간을 더 정확하게 측정할 수 있기 때문에 이러한 방식으로 거리를 정확하게 측정합니다.실제로 미터는 백금 원자 시계로 측정한 0.3335640952초 동안 빛이 이동하는 거리로 정의됩니다(이 특정 숫자의 이유는 파리에 보관된 특정 백금 막대에 따른 미터의 역사적 정의에 해당하기 때문입니다. 화면의 두 눈금).마찬가지로 빛이 1초 동안 이동하는 거리로 간단히 정의되는 광초(light-second)라고 하는 보다 편리하고 최신 길이 단위를 사용할 수 있습니다.이제 우리는 거리를 시간으로 정의하고 빛의 속도를 상대성 이론으로 정의하므로 모든 관찰자가 자동으로 동일한 빛의 속도를 측정합니다(정의에 따라 0.3335640952미터마다).Michelson-Morley의 실험에서 알 수 있듯이 존재가 전혀 감지되지 않는 에테르에 대한 아이디어를 도입할 필요가 없습니다.그러나 상대성 이론은 시간과 공간에 대한 우리의 개념을 근본적으로 바꾸도록 강요합니다.우리가 받아들여야 하는 생각은 시간이 공간과 완전히 분리되거나 독립적일 수 없으며 공간과 결합하여 소위 시공의 대상을 형성해야 한다는 것입니다. 우리의 일반적인 경험은 공간에서 점의 위치를 ​​설명하는 데 세 개의 숫자 또는 좌표를 사용할 수 있다는 것입니다.예를 들어, 방의 한 지점이 한 벽에서 7피트, 다른 벽에서 3피트, 지상에서 5피트라고 말할 수 있습니다.특정 위도, 경도 및 고도로 지점을 지정할 수도 있습니다.제한된 범위 내에서만 유효하지만 세 가지 적합한 좌표를 자유롭게 선택할 수 있습니다.달의 위치는 런던의 피카딜리 서커스에서 북쪽과 서쪽으로 마일과 해발 피트로 지정되지 않고 태양으로부터의 거리, 행성의 궤도면, 달과 태양을 연결하는 선으로 지정됩니다. 그것은 태양과 α︱Centaurus와 같은 가까운 별 사이의 각도로 설명됩니다.이러한 좌표조차도 우리 은하에서 태양의 위치나 국부 은하군에서 우리 은하의 위치를 ​​설명하는 데 별로 유용하지 않습니다.사실, 겹치는 좌표 조각의 계열로 전체 우주를 설명할 수 있습니다.각 프래그먼트에서 서로 다른 세 좌표 세트로 점의 위치를 ​​지정할 수 있습니다.그림 II.둘 이벤트는 특정 순간과 공간의 특정 지점에서 발생하는 것입니다.따라서 4개의 숫자 또는 좌표로 결정할 수 있으며 좌표계의 선택은 임의적이며 잘 정의된 공간 좌표와 임의의 시간 측정을 사용할 수 있습니다.상대성 이론에서는 두 공간 좌표 사이에 실제 차이가 없는 것처럼 시간 좌표와 공간 좌표 사이에 실제 차이가 없습니다.예를 들어, 첫 번째 공간 좌표가 이전의 첫 번째 공간 좌표와 두 번째 공간 좌표의 조합이 되도록 새로운 좌표 세트를 선택할 수 있습니다.예를 들어 지구의 한 지점은 런던 피카딜리 서커스의 북쪽과 서쪽 마일 단위가 아니라 북동쪽과 북서쪽 마일 단위로 측정됩니다.마찬가지로 상대성 이론에서 새로운 시간 좌표를 사용할 수 있는데, 이는 이전 시간(초)에 피카딜리에서 북쪽으로의 거리(광초)를 더한 것입니다.그림 II.삼 시공간이라는 4차원 공간에서 이벤트의 위치를 ​​지정하는 수단으로 이벤트의 4개 좌표를 생각하는 것이 종종 도움이 됩니다.저에게는 3차원 공간을 상상하는 것만으로도 충분히 어렵습니다!그러나 지구 표면과 같은 2차원 공간의 다이어그램을 그리는 것은 쉽습니다. (지구 표면은 위도와 경도와 같은 두 좌표를 사용하여 점의 위치를 ​​결정할 수 있기 때문에 2차원입니다.) 일반적으로 위쪽으로 증가하는 방향이 시간이고 가로 방향은 공간 좌표입니다.다른 두 개의 공간 좌표는 그대로 두거나 때때로 그 중 하나를 원근법으로 표시합니다. (이것을 Figure 2.1에 표시된 것처럼 시공간 다이어그램이라고 합니다.) 예를 들어 Figure 2.1에 있습니다.둘째, 시간은 위로 측정되고 연도 단위로 측정되는 반면 태양에서 α︱Centaurus까지의 거리는 수평으로 마일 단위로 측정됩니다.시공을 통한 태양과 α|Centaurus의 경로는 다이어그램의 왼쪽과 오른쪽에 수직선으로 표시됩니다.태양의 빛은 대각선으로 이동하며 태양에서 α︱Centaurus까지 이동하는 데 4년이 걸립니다. 지금까지 살펴본 바와 같이 Maxwell의 방정식은 광원의 속도에 관계없이 빛의 속도가 동일해야 한다고 예측했으며 이는 정밀 측정을 통해 확인되었습니다.따라서 특정 순간에 공간의 특정 지점에서 빛의 펄스가 방출되면 시간이 지남에 따라 광구 형태로 퍼지며 광구의 모양과 크기는 광구의 속도와 관련이 있습니다. 출처는 상관없습니다.100만분의 1초 후에 빛은 반경이 300미터인 구로 퍼지고, 200만분의 1초 후에는 반경이 600미터가 되는 식으로 계속됩니다.마치 연못에 돌을 던지면 수면의 파문이 사방으로 퍼지고 그 파문이 원형으로 퍼지며 점점 커진다.3차원 모델이 연못의 2차원 표면과 1차원 시간을 포함하는 것으로 생각되면 이러한 팽창하는 파도의 원은 돌이 물에 닿는 시점과 위치를 정점으로 하는 원뿔을 나타냅니다(그림 2.3).유사하게 사건으로부터 산란된 빛은 4차원 공간에서 3차원 원뿔을 형성하고 이 원뿔을 사건의 미래 빛 원뿔이라고 한다.같은 방식으로 과거 광원 원뿔이라고 하는 또 다른 원뿔을 그릴 수 있는데, 이는 광 펄스에 의해 해당 이벤트로 전파될 수 있는 모든 이벤트 집합을 나타냅니다(그림 2.4).그림 II.4 이벤트 P의 과거와 미래의 광원뿔은 시공간을 세 영역으로 나눕니다(그림. 이벤트 모음.P의 신호는 P의 광추 외부 이벤트로 이동할 수 없습니다. 빛보다 빠른 것은 없기 때문에 P에서 일어나는 일에 영향을 받지 않기 때문입니다.광추 내부 영역의 과거 지점은 P의 절대 과거이며, 광속 이하의 속도로 이동하는 신호가 P에 도달할 수 있는 모든 사건의 집합입니다.따라서 이것은 사건 P에 영향을 줄 수 있는 모든 사건의 집합입니다.과거의 주어진 순간에 사건 P의 과거 빛 원뿔에서 일어난 일을 안다면 P에서 일어날 일을 예측할 수 있습니다.나머지 시공간은 P의 미래와 과거 광원뿔을 제외한 모든 사건의 집합입니다.이 부분의 이벤트는 P의 영향을 받지 않으며 P에 영향을 줄 수 없습니다.예를 들어, 태양이 이 순간 빛나기를 멈춘다고 가정하면, 이 순간 지구는 태양 소멸 사건의 광원뿔 밖에 있기 때문에 이 순간 지구에 영향을 미치지 않을 것입니다(그림 2.6). ).우리는 이 사건에 대해 태양으로부터 빛이 우리에게 도달하는 데 걸리는 시간인 8분 후에야 알 수 있습니다.그런 다음에야 태양 소멸 사건의 미래 광추 내에서 지구에서 사건이 발생합니다.같은 이유로 우리는 현재 우주에서 더 멀리 무슨 일이 일어나고 있는지 모릅니다. 아주 먼 은하에서 우리가 보는 빛은 수백만 년 전에 방출되었습니다. 80억년 전에 방출되었습니다.그래서 우리가 우주를 볼 때 우리는 우주의 과거를 보고 있는 것입니다. 1905년 아인슈타인과 푸앵카레가 그랬던 것처럼 중력 효과를 무시하면 특수 상대성 이론이라는 이론이 나옵니다.시공간의 각 사건에 대해 우리는 빛의 원뿔(사건에서 방출되는 빛의 가능한 모든 궤적 집합)을 만들 수 있으며, 각 사건에서 어떤 방향으로든 빛의 속도가 동일하기 때문에 모든 빛의 원뿔은 모두 합동이고 같은 방향을 가리킨다.이 이론은 또한 빛보다 빠른 것은 없다고 말합니다.이것은 공간과 시간을 통한 모든 물체의 궤적은 물체에 떨어지는 각 이벤트의 조명 원뿔 내의 선으로 표시되어야 함을 의미합니다(그림 2.7). 특수상대성이론은 빛의 속도가 모든 관찰자에게 동일하다는 사실을 매우 성공적으로 설명하고(마이클슨-몰리 실험에서 알 수 있듯이) 물체가 빛의 속도에 가깝게 움직일 때의 행동을 성공적으로 설명합니다.그러나 그것은 뉴턴의 중력 이론과 조화되지 않습니다.뉴턴의 이론에 따르면 물체 사이의 인력은 물체 사이의 거리에 따라 달라집니다.이것은 우리가 한 물체를 움직이면 다른 물체에 가해지는 힘이 즉시 변한다는 것을 의미합니다.다시 말해 중력 효과는 특수 상대성이론에서 요구하는 빛의 속도나 그 이하가 아니라 무한한 속도로 이동해야 합니다.아인슈타인은 1908년에서 1914년 사이에 특수 상대성 이론과 양립할 수 있는 중력 이론을 찾기 위해 여러 번 시도했지만 실패했습니다.1915년에 그는 마침내 오늘날 우리가 일반 상대성 이론으로 알고 있는 것을 제안했습니다. 아인슈타인은 다른 종류의 힘과 달리 중력이 단순히 시공이 평평하지 않다는 사실의 결과라는 혁신적인 아이디어를 내놓았습니다.그가 일찍이 상정한 것처럼, 시공간은 그 안의 질량과 에너지의 분포에 의해 구부러지거나 휘어진다.지구와 같은 물체는 중력이라는 힘 때문에 휘어진 궤적을 따라가는 것이 아니라 측지선이라는 휘어진 공간에서 직선에 가장 가까운 근사치를 따라갑니다.측지선은 인접한 두 지점 사이의 최단(또는 최장) 경로입니다.예를 들어, 지구의 표면은 구부러진 2차원 공간입니다.지구의 측지선은 대권(Great Circle)이라고 하며 두 지점 사이의 최단 경로입니다(그림 2.8).측지선은 두 공항 사이의 최단 거리이므로 내비게이터가 조종사에게 비행하라고 지시하는 경로입니다.일반상대성이론에서 물체는 항상 4차원적 시공간의 직선을 따라 움직인다.그러나 3D 공간에서는 곡선 경로를 따르는 것처럼 보입니다(비행기가 매우 산악 지형을 비행하는 것을 보는 것과 같습니다. 3D 공간에서는 직선으로 비행하지만 2D에서는 그림자가 곡선 경로를 따릅니다).그림 II.여덟 태양의 질량은 시공간을 휘게 하여 4차원 시공간에서는 지구가 직선운동을 하지만 3차원에서는 원을 그리며 움직이는 것처럼 보이게 한다.사실 일반상대성이론이 예측한 행성의 궤도는 뉴턴의 중력이론이 예측한 것과 거의 일치한다.그러나 태양에 가장 가깝고 중력의 영향을 가장 많이 받으며 궤도가 다소 긴 수성의 경우 일반 상대성 이론에 따르면 궤도 타원의 주축이 백만 년에 약 1도의 속도로 태양 주위를 움직입니다. .비록 작지만 이 효과는 1915년 이전에 발견되었고 아인슈타인 이론의 첫 번째 테스트 역할을 했습니다.최근 몇 년 동안, 뉴턴의 이론에 의해 예측된 것보다 훨씬 더 작은 다른 행성의 궤도 편차가 레이더에 의해 측정되었고 일반 상대성 이론의 예측과 일치하는 것으로 밝혀졌습니다. 광선은 또한 시공간 측지선을 따라 이동해야 합니다.공간이 구부러져 있다는 사실은 빛이 공간을 직선으로 이동하는 것처럼 보이지 않는다는 것을 의미합니다.따라서 일반 상대성 이론은 광선이 중력장에 의해 구부러져야 한다고 예측합니다.예를 들어, 이론은 태양 근처 지점의 광원뿔이 태양의 질량 때문에 약간 안쪽으로 휘어진다고 예측합니다.이것은 태양 바로 근처를 지나는 먼 별에서 오는 빛이 작은 각도로 구부러지고 별이 지구의 관찰자에게 다른 위치에 있는 것처럼 보인다는 것을 보여줍니다(그림 2.9).물론, 별에서 나오는 빛이 항상 태양에 매우 가깝게 지나간다면, 우리는 빛이 편향되고 있는지 또는 별이 실제로 우리가 보는 곳에 있는지 알 방법이 없습니다.그러나 지구가 태양 주위를 공전함에 따라 서로 다른 별들이 태양 뒤를 지나가고 그들의 빛은 편향됩니다.따라서 그들은 다른 별에 비해 겉보기 위치를 변경합니다.그림 II.아홉 정상적인 상황에서는 이러한 효과를 관찰하기가 매우 어렵습니다. 태양의 빛으로 인해 하늘에서 태양 근처에 나타나는 별을 볼 수 없기 때문입니다.그러나 태양의 빛이 달에 의해 가려지는 일식 동안 관찰하는 것은 가능합니다.진행 중인 제1차 세계 대전으로 인해 빛의 편향에 대한 아인슈타인의 예측은 1915년에 즉시 검증될 수 없었습니다.1919년까지 영국 원정대는 서아프리카에서 일식을 관찰하고 이론에서 예측한 대로 빛이 실제로 태양에 의해 편향되었음을 지적했습니다.이번에는 독일인의 이론이 영국인에 의해 증명되었고 전쟁 후 두 나라 사이의 위대한 화해 행위로 환영 받았습니다.아이러니하게도 나중에 이 탐험의 사진을 조사한 결과 측정하려는 효과만큼 오류가 컸다는 것이 밝혀졌습니다.그들의 측정은 순전히 운이 좋았거나 과학에서 흔히 볼 수 있듯이 그들이 무엇을 하려는지 아는 경우였습니다.그러나 빛의 편향은 많은 후속 관찰에 의해 정확하게 확인되었습니다. 일반 상대성 이론의 또 다른 예측은 시간이 지구와 같은 무거운 물체 근처에서 더 느리게 흐르는 것처럼 보인다는 것입니다.이것은 빛 에너지와 주파수(초당 빛이 진동하는 횟수) 사이에 관계가 있기 때문입니다. 즉, 에너지가 클수록 주파수가 높아집니다.빛이 지구의 중력장에서 위로 이동하면 에너지를 잃어 주파수가 떨어집니다(두 봉우리 사이의 시간 간격이 증가함을 나타냄).저 위의 누군가에게는 아래에서 일어나는 모든 일이 더 오래 걸리는 것처럼 보입니다.이 예언은 1962년 급수탑의 상단과 하단에 장착된 매우 정확한 한 쌍의 시계를 사용하여 확인되었습니다.지구에 더 가까운 바닥에 있는 시계는 일반 상대성 이론과 완벽하게 일치하여 더 느리게 작동하는 것으로 밝혀졌습니다.사람들이 매우 정확한 탐색을 위해 위성 신호를 사용하기 때문에 지구상의 다른 고도에서 시계의 다른 속도는 현재 상당히 실용적으로 중요합니다.사람들이 일반 상대성 이론의 예측을 모른다면 그들의 계산된 위치는 수 마일이나 틀릴 것입니다! 뉴턴의 운동 법칙은 공간에서 절대적인 위치에 대한 개념을 종식시켰습니다.상대성 이론은 절대 시간을 없앤다.한 쌍의 쌍둥이를 생각해 보십시오. 아이들 중 한 명은 산꼭대기에 살고 다른 한 명은 해수면에 머물러 있다고 가정하면 첫 번째가 두 번째보다 빨리 늙습니다.그런 식으로 그들이 다시 만난다면 한 사람이 다른 사람보다 나이가 많을 것입니다.이 경우 나이 차이는 매우 작습니다.그러나 아이가 거의 빛의 속도로 여행하는 우주선을 타고 먼 거리를 여행한다면 그 차이는 훨씬 더 커질 것입니다.그가 돌아올 때 그는 지구에 머물렀던 다른 사람보다 훨씬 젊을 것입니다.이것은 쌍둥이 역설로 알려져 있습니다.그러나 이것은 여전히 ​​마음속에 절대적인 시간이 있는 사람들에게만 해당되는 역설입니다.在相對論中並沒有一個唯一的絕對時間，相反地，每個人都有他自己的時間測度，這依賴於他在何處並如何運動。 一九一五年之前，空間和時間被認為是事件在其中發生的固定舞台，而它們不受在其中發生的事件的影響。即便在狹義相對論中，這也是對的。物體運動，力相互吸引並排斥，但時間和空間則完全不受影響地延伸著。空間和時間很自然地被認為無限地向前延伸。 然而在廣義相對論中，情況則相當不同。這時，空間和時間變成為動力量：當一個物體運動時，或一個力起作用時，它影響了空間和時間的曲率；反過來，空間︱時間的結構影響了物體運動和力作用的方式。空間和時間不僅去影響、而且被發生在宇宙中的每一件事所影響。正如一個人不用空間和時間的概念不能談宇宙的事件一樣，同樣在廣義相對論中，在宇宙界限之外講空間和時間是沒有意義的。 在以後的幾十年中，對空間和時間的新的理解是對我們的宇宙觀的變革。古老的關於基本上不變的、已經存在並將繼續存在無限久的宇宙的觀念，已為運動的、膨脹的並且看來是從一個有限的過去開始並將在有限的將來終結的宇宙的觀念所取代。這個變革正是下一章的內容。幾年之後又正是我研究理論物理的起始點。알았다.彭羅斯和我指出，從愛因斯坦廣義相對論可推斷出，宇宙必須有個開端，並可能有個終結。