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그렇다면 아인슈타인의 상대성 이론(특수 및 일반 모두)은 어떻게 대처합니까?
"모든 것이 통제 가능한 것처럼 보인다면 속도가 충분히 빠르지 않은 것입니다." -마리오 안드레티
이번 주가 끝나면 우리의 질문과 제안 메일백 에 다시 한 번 참여하게 되며 , 귀하가 감히 제출하는 모든 것이 공정한 게임이 될 것입니다. 이번 주에 우리는 팽창하는 우주, 상대성 이론, 암흑 에너지에 관한 가장 큰 수수께끼 중 하나에 대한 답을 원하는 Damien Charpentier로부터 마음, 공간 및 시간을 구부리는 질문을 받을 만큼 운이 좋았습니다.
[나는] 우주가 점점 더 빠른 속도로 팽창한다는 것은 잘 알려져 있지 않습니다. 팽창 속도가 빛의 속도를 능가할 수 있을까? 그렇다면 그것은 아인슈타인의 이론과 모순되는 것이 아닐까?
빛의 속도와 그것이 무엇을 의미하는지부터 시작해 보겠습니다.
이미지 출처: deviantART의 사용자 Fx-1988.
당신이 어디에 있든, 무엇 에 있든, 공간을 얼마나 빨리 이동할 수 있는지에는 절대적인 한계가 있습니다. 점점 더 많은 에너지를 소비하면 더 빠르게 움직일 수 있다고 생각할 수도 있습니다. 이것이 사실이기는 하지만 어느 정도까지만 사실입니다. 지구가 태양 주위를 공전하는 것처럼 시속 몇 미터, 시속 몇 킬로미터, 심지어는 초당 몇 킬로미터의 속도로 움직인다면 아마도 눈치채지 못할 것입니다. 무한한 속도로 움직이는 데 존재하는 장벽.
그러나 그것들은 아무리 미묘하더라도 모두 동일하게 존재합니다. 아시다시피, 더 빨리 움직일수록 – 공간을 통한 움직임이 커질수록 , 시간을 통한 움직임은 느려집니다 . 당신이 지구 표면에서 완전히 휴식을 취하고 있고, 당신과 함께 시작하여 역시 휴식을 취하다가 제트기를 타고 전 세계를 일주하는 친구가 있다고 상상해 보십시오. 귀하와 귀하의 친구가 출발하기 전에 두 사람 모두 시계를 마이크로초까지 동기화합니다.
이미지 출처: https://coconuthoneybee.wordpress.com/2013/04/10/secret-mission-to-butterflyland/ 의 Sari .
당신이 충분히 민감한 시계를 가지고 있다면, 친구가 여행을 마치고 당신에게 돌아왔을 때 당신의 시계가 서로 약간만 동기화 되지 않는다는 것을 알게 될 것입니다 . 당신의 시계는 친구의 시계보다 아주 약간 늦은 시간을 표시할 것입니다. 아마도 수십 마이크로초 정도 늦을 것입니다. 하지만 정확한 측정으로 친구를 구별할 수 있을 만큼 충분히 다릅니다.
그리고 속도가 빨라질수록 그 차이는 더욱 뚜렷해집니다.
국제 우주 정거장의 우주비행사들은 단 90분 만에 지구 주위를 맴돌면서 시계가 몇 초씩 느려지는 것을 봅니다. 지구로 돌아오면 기존 시계를 사용해도 흐르는 시간의 차이가 눈에 띕니다.
이상한 점은 우리가 다루고 있는 빠른 속도로 인해 시계가 다르게 작동하는 것이 아니라 시간 자체가 다른 속도로 흘러간다는 것입니다.
이미지 출처: John D. Norton, http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/index.html 을 통해 .
시계와 시계가 빠른 속도에서 느리게 움직이는 것은 시간과 공간이 연결되어 있다는 더 넓은 현상의 인공물일 뿐이며, 공간을 통한 빠른 움직임은 시간을 통한 느린 움직임을 의미합니다. 공간과 시간 사이의 연결은 빛의 속도에 의해 결정됩니다. 빛의 속도에 가까울수록 시간의 흐름은 점점 더 점근적으로 0에 가까워집니다.
이것이 바로 평균 수명이 2마이크로초에 불과한 불안정한 입자인 뮤온이 빛의 속도에 매우 가까운 속도로 대기권 상단에서 생성되어 지구 표면까지 도달 할 수 있는 이유입니다. 이는 약 100km의 여행이지만, 2.2마이크로초 동안 300,000km/s(빛의 속도)로만 이동했다면 필요한 거리의 0.6%만 이동한 후 붕괴됩니다. 뮤온이 지구 표면에 도달할 수 있는 이유(손을 뻗으면 매초마다 약 1개의 뮤온이 통과함)는 이러한 상대성 효과 때문입니다.
이미지 출처: Konrad Bernlöhr , 경유: http://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/CosmicRay/Showers.html .
그렇다면 이제 팽창하는 우주는 어떻게 될까요? 은하계를 보면 평균적으로 은하계가 우리로부터 멀리 떨어져 있을수록 우리로부터 멀어지는 속도가 더 빨라지는 것처럼 보입니다. 약 5천만~6천만 광년 떨어져 있는 처녀자리 은하단의 은하들은 평균 약 1200km/s의 속도로 우리로부터 멀어지고 있습니다. 약 3억 3천만 광년 떨어져 있는 머리털자리 은하단의 은하들은 우리로부터 7000km/s의 속도로 멀어지는 것처럼 보입니다.
이미지 출처: Jim Thommes( http://www.jthommes.com/MiscAstro/Archives/ComaClusterA.htm 참조 )
우리가 멀리 볼수록 이러한 은하와 성단은 더 빨리 멀어지는 것처럼 보입니다. 물론, 국지적인 움직임과 인근 중력의 영향으로 인해 초당 수백 또는 심지어 수천 킬로미터의 작은 변화가 있지만, 규모가 가장 크고 거리가 멀면 더 멀리 볼수록 알 수 있습니다. , 이 은하들이 우리로부터 멀어지는 속도가 빨라집니다. 1920년대에 에드윈 허블이 처음으로 행한 이 관찰은 허블의 법칙, 즉 우주 팽창을 지배하는 법칙을 탄생시켰습니다. 우리가 이용할 수 있는 최고의 현대 관측을 통해 이 법칙은 모든 방향에서 수십억 광년 동안 지속됩니다.
이미지 출처: Ned Wright, http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html 경유 .
“잠깐만요.” 당신이 항의하는 소리가 들립니다. “빛의 속도는 어떻습니까?”
실제로 빛의 속도는 어떻습니까? 물론 모든 형태의 물질이 특정 속도 이상으로 이동하는 것을 막는 보이지 않는 장벽이 작동하여 은하계가 특정 지점 이상으로 후퇴하는 것을 방지하지 않을까요? 당신이 그 속도에 접근하면 시간은 점근하고 지나가기를 멈추고, 0보다 작은 속도로 지나가는 것은 영원히 금지됩니다. 그렇지 않으면 이 은하들은 시간을 거슬러 움직일 것입니다. 그렇죠?
그렇게 생각할 수도 있지만 우리는 퍼즐의 중요한 부분을 빠뜨렸습니다. 빛의 속도는 한계로서 공간의 동일한 위치에서 서로 상대적으로 움직이는 물체에만 적용됩니다 .
이미지 출처: Physics4me, http://physicsforme.com/2012/04/26/the-twin-paradox-in-relativity-revisited/ 경유 .
친구가 비행기를 타고 떠났다가 시계를 약간 뒤로 가지고 돌아왔을 때, 같은 장소에서 다시 만났기 때문입니다. 우주비행사들이 지구로 돌아왔을 때, 그들의 여행은 당신보다 몇 초 더 짧았는데, 그것은 당신이 같은 장소에 도착했기 때문입니다. 빛의 속도에 가깝게 움직이는 뮤온조차도 여기 지구상에서 여러분이 기준으로 삼는 기준계를 기준으로 이동했기 때문에 그 효과가 관찰될 수 있었습니다.
하지만 저 멀리 떨어진 우주에 있는 이 은하들은 실제로 전혀 움직 이지 않습니다 . 오히려 그들 사이의 공간은 확장되고 있지만 개별 은하 자체는 공간 자체에 비해 다소 고정되어 있습니다.
“어떻게 아세요?”라고 항의할 수도 있습니다.
음, 여러분이 할 수 있는 테스트가 있습니다. 이 먼 은하들을 관찰하고 적색편이와 거리를 측정함으로써 여러분은 상대성이론이 제시하는 예측과 비교하여 그들이 어떻게 엄청난 거리 에서 움직이는지 확인할 수 있습니다.
알다시피, 상대성 이론은 두 가지 형태로 나타납니다. 평평하고 정적인 공간에 존재하며 공간과 시간을 통한 물체의 운동만 존재하는 특수 상대성 이론과 공간 자체가 시간이 지남에 따라 물질과 현상에 따라 진화 및/또는 수축하는 일반 상대성 이론입니다. - 시공간의 곡률을 결정하는 에너지와 그 위에 존재하는 특수 상대성 이론.
두 예측의 차이점은 다음과 같습니다.
이미지 크레디트: Wikimedia Commons 사용자 Redshiftimprove .
꽤 드라마틱하지 않나요? 밝혀진 바와 같이, 우리의 관찰은 확실히 일반 상대론적 해석을 선호하고 공간이 정적이라는 해석을 완전히 배제합니다.
그렇다면 모든 것을 하나로 합친다는 것은 무엇을 의미합니까? 우리가 혼합에 암흑 에너지를 추가하더라도 팽창하는 우주에는 무엇을 의미합니까?
이미지 출처: RASC Calgary Center의 Larry McNish( http://calgary.rasc.ca/redshift.htm ) .
이는 시간이 지남에 따라 먼 은하에서 방출되는 빛이 스펙트럼의 적색 부분쪽으로 상당히 많이 이동하여 우주적 적색 편이가 발생한다는 것을 의미합니다.
천체물리학자 Ethan Siegel과 함께 우주를 여행해보세요. 구독자는 매주 토요일 뉴스레터를 받게 됩니다. 모든 배를 타고!
* 로 표시된 필드는 필수입니다.
이는 우주의 일부 부분이 너무 멀리 떨어져 있어 그곳에서 방출되는 빛이 결코 우리에게 도달할 수 없다는 것을 의미합니다. 현재 그 지점은 우리로부터 약 461억 광년 이상 떨어져 있습니다.
이는 약 4.5기가파섹(또는 140억 ~ 150억 광년)을 넘는 어떤 물체도 이 시점부터 우리가 또는 우리가 하는 어떤 일을 해도 결코 도달할 수 없다는 것을 의미합니다. 관측 가능한 우주의 97%를 차지하는 모든 물체(부피 기준)는 모두 현재 우리의 손이 닿지 않는 곳에 있습니다. 지금 당장 방출되는 광자라도 그것이 우리의 목적지라면 결코 그곳에 도착하지 못할 것입니다.
이미지 출처: NASA, ESA, J. Jee(캘리포니아 대학교, 데이비스), J. Hughes(Rutgers 대학교), F. Menanteau(Rutgers 대학교 및 일리노이 대학교, Urbana-Champaign), C. Sifon(Leiden Observatory), R. Mandelbum(카네기 멜론 대학교), L. Barrientos(칠레 카톨릭 대학교), K. Ng(캘리포니아 대학교 데이비스).
그렇습니다. 시간이 지남에 따라 우주 팽창에 휩싸인 모든 물체는 점점 더 빠르게 우리에게서 멀어질 것입니다. 시간이 충분히 흐르면 결국 모든 것들은 빛의 속도보다 빠르게 멀어지게 될 것입니다. 우리가 만드는 로켓의 속도나 발사하는 신호의 수, 빛 자체의 속도에 상관없이 원칙적으로는 우리가 도달할 수 없습니다.
우리가 할 수 있는 유일한 일은?
이미지 출처: http://stargate.wikia.com/wiki/McKay/Carter_Intergalactic_Gate_Bridge 를 통한 Stargate SG-1 .
너무 늦기 전에 함께 행동하고 가능한 한 빨리 은하계 여행을 시작하세요. 오늘날 우리가 살고 있는 우주는 우주의 가속 팽창으로 인해 사라지고 있습니다. 어떤 물체도 빛의 속도보다 빠르게 직물 공간 자체를 통과하여 이동할 수는 없지만 공간 직물의 확장에는 속도 제한이 없습니다 . 그것은 단지 원하는 대로 됩니다.
좋은 질문 주셔서 감사합니다, 데미안. 대답이 다소 불명확하더라도 그것을 동기로 삼으세요. 우주 에 대해 뭔가 조치를 취하지 않으면 우주는 인류의 시야에서 사라질 것입니다. 먼 은하계를 발견하거나, 만약 우리가 길을 찾을 수 있다면, 그 먼 은하계를 우리에게 다시 가져오는 것입니다. 다음 Ask Ethan에 귀하의 질문이 소개되는 것을 보고 싶으시다면 여기로 귀하의 아이디어와 제안을 보내주세요 !
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