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먼별, 은하, 퀘이사 등과 같은 우주 물체까지의 거리에 대해 말할 때 우리는 일반적으로 이를 광년 단위로 측정합니다. 이는 물질에 무엇을 하든, 얼마나 많은 운동 에너지를 추가하든 관계없이 모든 형태의 물질은 물리학 법칙 자체에 의해 설정된 최대 속도 제한에 접근할 수만 있고 결코 도달할 수 없다는 것을 이해하고 있기 때문입니다. 빛의 속도. 광자, 글루온, 중력파와 같은 질량이 없는 실체만이 실제로 우주 구조를 통해 299,792,458m/s의 최대 속도에 도달할 수 있는 반면, 다른 모든 것들은 더 천천히 이동하도록 운명지어져 있으며 여전히 그 속도에 도달할 수 없습니다. 물리 법칙을 준수합니다.
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그것은 필연적으로 우리를 포함하여 상상할 수 있는 가장 진보된 외계 종조차도 더 빠르고 더 빠른 방식으로 우주를 여행할 수 없다는 것을 필연적으로 의미합니까? Stephen Johnson이 보낸 질문은 다음과 같습니다.
“외계인의 우주 여행이 빛의 속도에 의해 제한된다고 안전하게 가정할 수 있습니까? 이것은 외계인이 어떻게 여행할 수 있는지에 대한 가정으로 만들어졌습니다. (분명히 웜홀 등 공상 과학적인 대안이 많이 있습니다.) 그러나 과학적 사고를 뒤집는 발견의 오랜 역사를 고려할 때 외계인이 "우주 속도 제한"에 의해 제한된다고 자신있게 선언하는 것이 오만합니까?
보수적인 기대는 그렇습니다. 빛의 속도는 극복할 수 없는 한계이지만, 아마도 이를 피할 수 있는 방법이 있을 수 있다고 믿을 만한 몇 가지 아주 좋은 이유가 있습니다. 아마도 새로운 물리학 법칙을 적용하지 않더라도 결국 빛의 속도는 궁극적인 한계를 설정하지 못할 수도 있습니다. 방법은 다음과 같습니다.
이 사진은 Hafele, Keating 및 그들이 시간 확장을 실험적으로 테스트한 세계 일주 비행 중 두 개의 원자 시계를 보여줍니다. 신원을 알 수 없는 승무원이 지켜보고 있다. 1972년의 이 비행은 특수상대성이론과 일반상대성이론을 결합하여 방향성 시간 팽창을 직접 측정한 최초의 실험이었습니다.
출처 : 대중 역학, 1972
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우리 대부분은 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 것을 생각할 때 가능한 가장 짧은 거리, 즉 직선을 따라 이동하는 것을 생각합니다. 이동 시간을 최소화하려면 최단 경로를 택하고 가능한 한 빨리 이동해야 합니다. 이는 기존의 비상대론적(즉, 뉴턴 또는 갈릴리식) 운동 시나리오뿐만 아니라 아인슈타인의 특수 운동을 포함하는 경우에도 의미가 있습니다. 상대성.
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특수 상대성 이론의 규칙은 운동, 시간, 거리가 모두 각 관찰자 사이에 상대적이며 측정할 수 있는 "절대" 운동, 시간, 거리 같은 것은 없다고 명시하기 때문에 약간 직관에 어긋납니다. 모든 관찰자들이 동의할 것이다. 절대적인 한 가지, 아마도 기이하게도 모든 관찰자가 항상 동일한 값인 299,792,458m/s를 갖는 것으로 측정하는 빛의 속도입니다.
출발점에서 목적지까지 이동하면서 우주선 안에서 일정한 속도로 원하는 만큼 더 빠르고 빠르게 자신을 가속하는 것을 상상할 수 있습니다. 그러나 우리가 여기 지구에서 경험하는 것과 동일한 가속도인 9.8m/s²로 음력 12개월(354일) 동안 가속하면 30,591,070초 동안 가속하더라도 빛의 속도에 도달하지 못할 것입니다. 수학적으로는 30,591,070s × 9.8m/s² = 299,792,458m/s입니다.
시간 팽창(왼쪽)과 길이 수축(오른쪽)은 빛의 속도에 가까워질수록 시간이 느리게 흐르고 거리가 작아지는 모습을 보여줍니다. 빛의 속도에 가까워지면 시계는 전혀 흐르지 않는 시간 쪽으로 팽창하고, 거리는 극소량으로 줄어듭니다.
출처 : Wikimedia Commons 사용자 zayani(L) 및 JRobbins59(R)
이는 익숙한 방식으로 단순히 속도를 추가할 수 없기 때문입니다. +15m/s의 속도로 이동하고 또 다른 +15m/s의 속도로 입자를 앞으로 던진다면 입자가 지상에 있거나 정지해 있는 사람에 비해 +30m로 움직이는 것처럼 보일 것이라고 완전히 예상할 수 있습니다. /s, 15 + 15 = 30. 그러나 +150,000,000m/s의 속도로 이동하고 입자를 앞으로 +150,000,000m/s로 쏘면 해당 입자는 +300,000,000m/s의 속도로 움직이는 것처럼 보이지 않습니다. 휴식중인 사람과 관련하여; 속도는 전통적인 갈릴리/뉴턴 법칙이 아니라 상대론적으로만 추가되어야 하기 때문에 약 +240,000,000m/s의 속도로만 움직이는 것을 볼 수 있습니다 .
실제로 멀리 있는 천체를 향해 9.8m/s²의 속도로 지속적으로 가속하면 빛의 속도에 전혀 도달하지 못하고 아래에서만 접근한다는 것을 알 수 있습니다. 당신은 계속해서 더 빠르고 빠르게 움직이며 목적지가 점점 더 가까워지고 있다는 것을 알게 될 것입니다. (그리고 또한 당신이 점점 더 빠른 속도를 달성함에 따라 그곳에서 나오는 빛은 점점 더 청색편이로 나타날 것입니다) 그러나 모든 광자는 당신은 여전히 방출했습니다 :
우주선을 타고 여행 내내 1g(지구의 가속도)로 가속한다면 불과 몇 년만 가속해도 거의 빛의 속도에 가까운 여행을 할 수 있습니다. 속도를 빛의 속도에 가까워질수록 시간 팽창의 효과는 점점 더 심해집니다.
출처 : P. Fraundorf/Wikimedia Commons
그러나 상대론적(즉, 빛의 속도에 가까운) 여정에서는 두 가지가 극적으로 바뀔 것입니다. 즉, 출발지, 목적지 또는 위치에 정지해 있는 사람과 관련하여 거리와 시간을 모두 경험하는 방식입니다. 여행 중 다른 지점.
출발지나 도착지 등 출발지점이나 목적지와 같은 위치에 머무르는 사람은 정상적으로 계속해서 나이를 먹는 반면, 같은 간격 동안 상당한 양의 공간을 여행한 사람은 시간의 흐름이 더 짧아진다. 그리고 그것이 더 짧아지는 정도는 전적으로 그들이 여행하는 동안 빛의 속도에 얼마나 가까워졌는지에 달려 있습니다. 더 빨리 갈수록 여행자인 당신에게 걸리는 시간은 줄어들지만, 출발지나 목적지에서 관찰자가 측정한 바에 따르면 최소한 여기에서 저기로 이동하는 데 광선이 걸리는 시간만큼은 됩니다. 우주 여행을 하는 여행자가 같은 거리를 횡단하려면 필요합니다.
두 개의 거울 사이에서 반사되는 광자로 형성된 광시계는 모든 관찰자의 시간을 정의합니다. 두 관찰자가 얼마나 많은 시간이 흐르고 있는지에 대해서는 서로 동의하지 않을 수 있지만 물리 법칙과 빛의 속도와 같은 우주 상수에 대해서는 동의할 것입니다. 상대성이론을 올바르게 적용하면 측정값이 서로 동일하다는 것을 알 수 있습니다. 1890년대 로렌츠가 처음으로 도출한 시간 팽창 현상은 아인슈타인이 곧 특수 상대성 이론을 발견하도록 이끌었습니다.
출처 : John D. Norton/피츠버그 대학교
타키오닉 운동
물론 이 모든 것은 일반 물질과 반물질, 즉 실제 양의 질량을 갖는 입자에 대한 것입니다. 아인슈타인의 가장 유명한 방정식 E = mc² 때문에 우리는 입자의 질량( m )이 무엇이든 입자가 갖고 있는 특정 형태의 에너지( E ), 즉 정지 질량 에너지를 나타낸다는 사실도 알고 있습니다. 입자(또는 반입자)에 내재할 수 있는 다른 형태의 에너지도 있습니다. 그 예로 운동 에너지나 운동 에너지가 있습니다. 사실 E = mc²를 빠르고 쉽게, 그리고 종종 별 생각 없이 적어도 이는 입자의 에너지를 설명하는 방정식 의 절반에 불과 합니다. 즉, 문제의 입자가 정지해 있는 경우에만 절반이 적용됩니다. 모든 종류의 일반 운동을 하는 입자의 경우 실제 방정식은 다음과 같습니다.
E = √ ( m²c⁴ + p²c² ),
여기서 E 는 에너지, m 은 정지 질량, c 는 빛의 속도, 일반적으로 표시되지 않는 용어에서 p 는 입자의 운동량입니다. 일반적으로 알려진 모든 입자의 정지 질량은 양수(쿼크 및 반쿼크, 중성미자와 반중성미자, 하전된 렙톤 및 반틸렙톤 등)이거나 0(광자, 글루온 또는 중력파와 같은 질량이 없는 입자의 경우)일 수 있습니다. 그 양자 유사체는 중력이 될 것입니다). 하지만 이 우주에는 아직 존재할 수 있는 또 다른 가능성이 있습니다. 즉, 허수 i가 √ (-1) 로 정의되는 허수 질량을 가진 입자입니다 .
일반 물질과 반물질 입자는 빛의 속도(질량이 없는 경우) 또는 그 이하(무거운 경우)로만 이동할 수 있는 반면, 또 다른 가능성은 음의 에너지 상태 또는 상상의 질량 상태가 있을 수 있다는 것입니다. 상태. 그러한 수학적 가능성이 우리 우주에서 물리적으로 뒷받침된다면 빛보다 빠른 여행이 필요합니다.
크레딧 : 크리스티안 오티즈/플리커
허수 질량이 있는 경우 방정식 E = √ ( m²c⁴ + p²c² )는 운동량이 충분히 낮으면 음수를 제공할 수 있습니다. 타키온이라고 알려진 이 가상의 입자 유형에 대해 음의 에너지 상태를 가질 수 있습니다.
타키온이 존재한다는 것이 입증되지는 않았지만 매우 기이하고 반직관적인 특성을 가지고 있습니다. 즉, 타키온에 더 많은 에너지를 넣을수록 일반 물질과 마찬가지로 빛의 속도에 점점 더 가까워집니다. 다만 타키온의 경우 아래가 아닌 위에서 빛의 속도에 접근한다. 즉, 가장 느리게 움직이는 타키온과 가장 빠르게 움직이는 양의 질량 입자는 둘 다 실제로 도달할 수 없는 동일한 속도, 즉 빛의 속도에 접근합니다.
양의 질량 입자가 있고 운동 에너지를 점점 더 많이 빼앗으면 속도가 떨어지고 운동 에너지(또는 운동량)가 전혀 없으면 0까지 떨어질 수 있습니다. 그러나 타키온, 즉 가상의 질량 입자의 경우 운동 에너지를 더 많이 제거할수록 속도는 더 빨라집니다. 운동 에너지(또는 운동량)가 전혀 없는 타키온 입자의 경우 최대 무한 속도에 이릅니다. . 타키온이 존재할 수 있다는 증거는 없지만 다음을 조작할 수 있는 능력을 발견했습니다.
갑자기 그리고 확실하게 빛보다 빠른 우주 여행의 가능성을 허용하게 될 것입니다.
관측 가능한 우주가 전체 구조의 작은 부분일 수 있는 3-토러스 공간 모델의 시각화입니다. 우리 우주(또는 모든 3차원 공간)가 2차원 경계로 둘러싸여 있다고 상상하는 것과 유사하게, 우리의 3차원 공간은 실제로 더 높은 차원 공간 주위의 경계일 수 있습니다. 이러한 추가 차원의 속성과 수에는 제한이 있지만 가능성을 배제할 수는 없으며, 특수 상대성 이론이 일반적으로 수행하는 것보다 더 빠르게 두 점 사이를 이동하기 위해 추가 차원을 통과하는 "지름길"을 취하는 것이 가능할 수도 있습니다. 허용하다.
신용 : 브라이언 브란덴부르크/위키미디어 공용
일반 상대론적 가능성
좋아요, 어쩌면 여러분은 타키온이 존재하지 않는다고 생각할 충분한 이유가 있을 것입니다. 그리고 우주 조직 자체에 내재된 0이 아닌 양의 에너지( 암흑 에너지 )가 있음에도 불구하고 물리적으로 존재하지 않을 수도 있다고 생각할 충분한 이유가 있을 것입니다. 당신이 무엇을 하든 진정한 부정적인 에너지 상태를 달성하세요. 그렇다면 타키온이 없다면 빛보다 빠른 속도로 여행하는 것이 실제로 불가능하다는 뜻일까요?
대답은 "반드시 그런 것은 아니다"입니다. 일반 상대성이론이 아닌 특수 상대성 이론에서는 빛의 이동보다 빠른 속도만 금지하기 때문입니다. 일반 상대성 이론의 주요 통찰은 공간과 시간이 관찰자에 상대적일 뿐만 아니라 함께 꿰매어진 두 가지의 기본 구조, 즉 시공간 구조가 모든 곳의 물질과 에너지의 분포로 인해 왜곡된다는 점을 기억하세요. 시간의 모든 순간에 공간 전체에 걸쳐. 일반 상대론적 그림에서:
우주에 있는 대부분의 천체물리학적 물체(예: 별 및 행성)는 시공간 구조를 아주 작은 양만큼만 왜곡하지만, 블랙홀과 같이 엄청난 시공간 곡률을 생성할 수 있는 몇 가지 물체가 있습니다.
웜홀은 일반 상대성이론의 맥락에서 시공간에서 두 개의 이질적이고 단절된 사건 사이의 즉각적인 이동이 발생할 수 있는 한 가지 방법입니다. 이러한 "다리"는 현재 시점에서만 수학적 호기심을 불러일으킬 수 있습니다. 물리적 웜홀은 존재하는 것으로 발견되거나 생성된 적이 없지만, 발견되면 일반 상대성 이론의 예측과 다른 경쟁자를 즉시 테스트할 수 있습니다.
크레딧 : vchalup / Adobe Stock
시공간이 한 위치뿐만 아니라 서로 다른 여러 위치에서 심하게 구부러지면 심한 곡률의 한 영역이 다른 영역과 연결되어 구어적으로 웜홀 또는 아인슈타인-로젠 다리 로 이어질 수 있다고 상상할 수 있습니다 . 이 두 위치를 분리하는 광대한 우주 거리를 가로질러 이동하는 대신(특히 웜홀을 안정화하여 중력 조석력에 의해 물질이 찢겨지지 않고 통과할 수 있는 경우) 다음을 포함한 실제 물질을 보내는 것이 가능할 수 있습니다. 전체 우주선은 웜홀을 통과하여 빛의 속도보다 더 빠르게 출발지에서 목적지까지 먼 길을 가는 지름길입니다.
일반 상대성 이론 내에서도 빛보다 빠른 속도로 여행하는 방법에 대한 다른 가능성이 있습니다. 부정적인 에너지 소스가 있는 경우(타키온에 필요한 것처럼 절대적으로 부정적인 것은 아니지만 빈 공간의 (양의) 영점 에너지에 비해 부정적인 경우) 긍정적인 에너지의 혼합을 사용할 수 있습니다. 우주선)과 부정적인 에너지(우주선 뒤)를 사용하여 특정 방식으로 공간 구조를 왜곡합니다.
이것은 아마도 가장 유명한 초광속 여행 아이디어인 Star Trek의 워프 드라이브를 만들어내는 물리적으로 그럴듯한 메커니즘입니다 .
사실적인 워프 드라이브를 만드는 방법에는 우주선 주변 지역의 에너지 장과 시공간 곡률을 조작하는 것이 포함됩니다. 뒤의 공간을 좁히는 대신 앞의 공간을 압축함으로써 출발지와 목적지 사이의 거리를 단축하는 것이 가능합니다.
크레딧 : Trekky0623/Wikimedia Commons
사실, 반중력의 원천은 우리가 워프 드라이브를 만들거나 여러 영리한 메커니즘을 통해 빛보다 빠른 여행을 가능하게 할 수 있습니다. 아마도 이러한 가능성에 흥분한 많은 이론가들은 1990년대, 2000년대, 2010년대 내내 반물질의 중력 거동이 아직 측정된 적이 없다고 지적했습니다. 우리는 그것이 양의 관성 질량( 뉴턴의 F = m a 와 같은 방정식에서 " m ") 을 갖는 것처럼 동작한다는 것을 알았지 만 중력적으로 어떻게 동작하는지는 몰랐습니다. 많은 시도 끝에 CERN 반물질 공장의 ALPHA-g 실험은 마침내 중요한 측정을 수행했습니다. 반물질은 일반 물질과 마찬가지로 붕괴되어 워프 드라이브에 대한 가장 현실적인 희망을 무너뜨렸습니다 .
천체물리학자 Ethan Siegel과 함께 우주를 여행해보세요. 구독자는 매주 토요일 뉴스레터를 받게 됩니다. 모든 배를 타고!
* 로 표시된 필드는 필수입니다.
타키온이 불가능하고 웜홀이 불가능하며 워프 드라이브도 불가능하다면 일종의 새로운 물리학을 요구하지 않는 초광속 여행에 대한 희망이 남아 있습니까?
한 가지 가능성이 있을 수 있습니다. 일반 상대성 이론에서 닫힌 시간형 루프 로 알려진 가능성은 현실적이고 회전하는 블랙홀을 설명하는 시공간인 Kerr 메트릭을 포함하여 (아마도) 많은 시공간에서 발생합니다. 닫힌 시간 곡선이 있는 경우 다음을 수행할 수 있습니다.
즉, 마치 무한한(0) 시간 동안 유한한 양의 공간을 여행한 것과 같습니다. 일종의 빛보다 빠른 여행이 발생했음을 절대적으로 나타내는 무언가가 발생했습니다.
이 그림은 두 가지 다른 유형의 시간 곡선을 보여줍니다. 맨 위의 (a)는 가상의 웜홀의 한쪽 끝으로 들어가는 관찰자가 이전 시간으로 점프하여 과거 자신과 상호 작용할 수 있는 닫힌 시간 곡선의 물리적 시각화를 묘사한 반면, (b)는 그러한 상호 작용이 없는 경우를 묘사합니다. 발생: 열린 시간 곡선. 닫힌 시간 곡선이 가능하다면 빛보다 빠른 여행은 필연적으로 사실입니다.
출처 : X. Yuan 외, Nature Quantum Information, 2015
물론, 오늘날 알려진 물리 법칙과 알려진 물질 형태를 보면, 임의로 발전한 종이라도 우주 자체가 정한 속도 제한, 즉 빛의 속도를 극복할 수 없을 것이라고 가정하기 쉽습니다. 그러나 우리는 현실적으로 현대 인류의 과학 사업이 불과 몇 백 년 밖에 되지 않았으며 운동과 중력의 기본 법칙도 겨우 500년 이내에 밝혀졌다는 점을 기억해야 합니다. 수천 년 또는 수백만 년이 지난 후, 우리는 현대 과학자들이 아리스토텔레스 과학을 되돌아보는 방식으로 우주에 대한 현재의 이해를 되돌아볼 수 있습니다. 현실에 대한 가장 정확한 그림을 캐리커처로 표현한 것입니다.
이 모든 질문(그리고 여기서 다루지 않은 다른 가능성)에 대한 대답이 '아니오'라고 확신할 수 없다면, 충분히 진보한 외계인, 그리고 아마도 먼 미래의 인류조차도 그럴 가능성을 배제할 수 없습니다. 언젠가는 가장 유명한 아인슈타인의 한계조차 극복하게 될 것입니다. 빛의 속도는 기존 방식으로 공간을 이동하는 알려진 모든 형태의 물질과 에너지의 한계 속도입니다. 그 이상의 일이 발생할 수 있다면 가능성은 사실상 무한합니다.
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