모든 것이 어떻게 시작 되었습니까?
19세기 말에 물리학은 위기에 빠졌습니다.
특수 상대성 이론
그러나 이들 저명한 물리학자들 중 누구도전체 이야기를 하나로 묶는 데 성공했습니다. 그 당시 이미 새로운 방식으로 문제에 접근하기 시작한 젊은 Albert Einstein에게 희망은 남아있었습니다. 열여섯 살 때, 그는 한줄기의 빛을 가지고 여행하는 것이 어떤 것인지 궁금했습니다. 1905년에 그는 피츠제럴드와 로렌츠의 결과가 하나의 단순하지만 급진적인 가정에서 나온 것임을 보여주었습니다. 물리 법칙과 빛의 속도는 상대 운동 상태에 관계없이 균일하게 움직이는 모든 관찰자에게 동일해야 합니다.
이것이 "작동"하려면 더 많은 공간과 시간이 있습니다독립할 수 없습니다. 오히려 그들은 모든 관찰자에게 빛의 속도가 일정하게 유지되는 방식으로 서로 "변환"합니다. 이것이 피츠제럴드와 로렌츠가 이론화한 것처럼 움직이는 물체가 수축하는 것처럼 보이는 이유이며, 푸앵카레가 이론화한 것처럼 움직이는 관찰자가 시간을 다르게 측정할 수 있는 이유입니다. 공간과 시간은 상대적입니다. 즉, 즉, 그것들은 그것들을 측정하는 관찰자의 움직임에 달려 있으며, 빛은 이 둘보다 더 근본적입니다. 이것이 아인슈타인의 특수 상대성 이론("특수"는 등속운동의 한계를 의미함)의 기초입니다.
등가 원리
그의 특별한 이론을 완성한 직후아인슈타인은 "인생에서 가장 행복한 생각"을 했습니다. 1907년에 그는 베른 특허청 의자에 앉아 건물 측면에서 떨어지는 동안 공을 떨어뜨리려고 시도하는 것이 어떤 것인지 궁금해하고 있었습니다. 아인슈타인은 공을 가지고 아래쪽으로 가속하는 사람은 공에 대한 중력의 영향을 감지할 수 없다는 것을 깨달았습니다. 관찰자는 '변신'할 수 있습니다. 어떤 물체를 떨어뜨리더라도 이 가속된 기준계로 이동하기만 하면 중력(적어도 바로 근처에서)이 가능합니다. 중력은 (국지적으로) 가속도와 동일합니다. 이것이 동등의 원리이다.
그가 정말 얼마나 멋진지 이해하려면등가 원리를 바탕으로 중력이 다른 힘과 같은 방식으로 작용한다면 어떤 일이 일어날지 상상해 보세요. 예를 들어 중력이 전기와 같다면 전하가 더 많은 공은 지구에 더 강하게 끌리게 되어 전하가 적은 공보다 더 빨리 떨어질 것입니다. 모든 개체에 대해 동일한 가속 참조 프레임으로 이동하여 이러한 효과를 변환할 수 있는 방법은 없습니다. 그러나 중력은 “물질에 대해 무감각”합니다. 즉, 모든 물체에 동일하게 영향을 미칩니다. 이 사실로부터 아인슈타인은 중력이 물질의 특성에 의존하지 않는다는 인상적인 결론을 내렸습니다(예를 들어 전기는 전하에 의존합니다). 오히려 중력 현상은 시공간의 어떤 속성에서 비롯되어야 합니다.
휘어진 시공간의 중력
아인슈타인은 결국 속성을 결정중력과 곡률을 담당하는 시공간. 아인슈타인의 우주에서 공간과 시간은 더 이상 평평하지 않으며(뉴턴이 암묵적으로 가정한 것처럼) 물질에 의해 당겨지고 늘어나고 휘어질 수 있습니다. 중력은 시공간이 가장 많이 휘어진 곳에서 가장 강하게 느껴지고, 시공간이 평평한 곳에서는 중력이 사라진다. 이것이 바로 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 핵심인데, 이는 종종 다음과 같은 말로 표현될 수 있습니다. "물질은 시공간이 어떻게 구부러지는지 알려주고, 휘어진 시공간은 물질이 어떻게 움직이는지 알려준다."
이 아이디어를 설명하는 표준 방법은 다음과 같습니다.볼링 공(예를 들어, 태양과 같은 거대한 물체를 나타냄)을 늘어난 고무 시트(시공간을 나타냄) 위에 놓습니다. 고무판에 공을 놓으면 볼링 공 쪽으로 굴러가며 볼링 공 주위의 "궤도"에 놓일 수도 있습니다. 이것은 더 작은 질량이 더 큰 질량에서 나오는 힘에 의해 "끌어당기기" 때문이 아니라 더 큰 질량의 존재에 의해 변형된 표면을 따라 움직이기 때문입니다.
마찬가지로 아인슈타인 이론의 중력시공간을 전파하는 힘이 아니라 시공 그 자체의 특성으로 발생한다. 아인슈타인에 따르면 지구상의 체중은 몸이 구부러진 시공간을 여행한다는 사실 때문입니다.
일반 상대성 이론
일반 상대성 이론 (일반 상대성 이론; 그것.allgemeine Relativitätstheorie)는 중력과 관성력이 같은 성질을 갖는다고 가정하는 특수 상대성 이론(SRT)을 발전시키는 기하학적 중력 이론입니다.
따라서 중력 효과는 다음과 같습니다.시공간에 위치한 물체와 장의 힘 상호 작용에 의해 발생하는 것이 아니라 특히 질량 에너지의 존재와 관련된 시공 자체의 변형에 의해 발생합니다.
일반 상대성 이론은 아인슈타인의 방정식을 사용하여 시공간의 곡률을 그 안에 존재하는 물질과 관련시킨다는 점에서 다른 미터법 중력 이론과 다릅니다.
일반 상대성 이론은 물리 기반그러나 이 이론은 또한 두 번째, 더 수학적 기초를 가지고 있습니다. 일반 공분산 원리로 알려진 이것은 만유인력의 법칙이 설명된 좌표에 관계없이 모든 관측자, 심지어 가속하는 관측자에 대해 동일해야 한다는 요구 사항입니다. 이러한 이유로 아인슈타인은 그의 새로운 이론을 "특수" 상대성 이론이 아니라 "일반" 이론이라고 불렀습니다. 그는 균일하게 움직이는 관찰자에 대한 기존의 제한을 제거했습니다. 이것은 아인슈타인이 직면한 가장 어려운 문제로 판명되었습니다. 그가 나중에 말했듯이 좌표없이 물리 법칙을 표현하는 것은 "말없이 생각을 설명하는 것과 같습니다." 물리학자는 표면의 추상 수학과 텐서의 관점에서 표면 설명을 마스터해야 했습니다.
과학자들은 무엇을 알아 냈습니까?
블랙홀의 중력은 너무 강해서공간을 구부린다. 그것은 일종의 돋보기 역할을 하기 때문에 이 우주 물체의 그림자가 실제보다 더 크게 나타나는 것입니다. EHT(사건 지평선 망원경) 과학자들은 이러한 시각적 왜곡을 연구한 결과 M87 블랙홀 그림자의 실제 크기가 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 예측과 일치한다는 사실을 발견했습니다.
EHT 과학위원회 위원인 아사다 게이이치(Keiichi Asada)가 언급한 바와 같습니다.Academia Sinica Institute of Astronomy and Asphysics의 블랙홀 전파 관측 전문가인 이들의 방법은 "초거대 블랙홀을 사용하여 일반 상대성 이론을 테스트하는 완전히 새로운 방법"입니다.
과학자들은 어떻게 결론을 내렸습니까?
2019년 4월 첫 출간 당시블랙홀의 이미지는 알베르트 아인슈타인의 중력 이론 또는 일반 상대성 이론을 강력하게 확증해 주었습니다. 이 이론은 물질이 시공간을 어떻게 왜곡하는지 설명할 뿐만 아니라 크기를 포함하여 블랙홀의 존재 자체를 예측합니다. 밀도가 높은 물체 주위를 회전하는 밝은 원반 물질에 블랙홀이 드리운 그림자.
테스트를 수행하기 위해 팀은 첫 번째를 사용했습니다.작년에 EHT가 촬영한, 약 5,500만 광년 떨어진 이웃 은하 M87의 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 이미지입니다.
초거대 블랙의 상징적인 이미지구멍은 그림자가 크기에 관한 일반 상대성 이론의 예측과 완전히 일치한다는 것을 보여주었습니다. 즉, 이번에도 아인슈타인이 옳았습니다.
Event Horizon Telescope Collaboration에서 보고한 이 결과는 한 가지 질문에 대한 답변이었습니다. M87의 블랙홀 크기가 일반 상대성 이론과 일치합니까?
하지만 “그 반대의 대답을 하는 것은 매우 어렵다.문제는 일반 상대성 이론을 얼마나 조정하고 [블랙홀] 치수와 일치시킬 수 있습니까? 이 질문은 다른 중력 이론이 우주를 설명할 수 있지만 일반 상대성 이론으로 위장할 수 있기 때문에 여전히 중요합니다.
아인슈타인의 틀릴 확률이 500배 감소했습니다.
10월 1일 Physical Review Letters에 발표된 연구에서 Psaltis와 동료들은 블랙홀 M87의 그림자를 사용하여 이러한 대안 이론을 반증하는 중요한 단계를 밟았습니다.
팀은 많은 항목에 대해 매우 광범위한 분석을 수행했습니다.블랙홀 그림자의 크기를 결정하는 중력 이론의 고유한 특성을 정의하기 위한 일반 상대성 이론의 수정. 과학자들은 태양계에서 이전의 모든 테스트를 통과한 여러 대안에 집중했습니다.
“우리가 개발한 센서를 사용하여M87에서 측정된 블랙홀 그림자의 크기는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 수정할 수 있는 여지를 태양계에서 이전의 테스트에 비해 거의 500배 정도 좁히는 것으로 나타났다"고 Uarizona 천체 물리학 교수 Ferial Ozel은 설명합니다. EHT 협업. "이 새롭고 더 강력한 블랙홀 그림자 테스트에서는 일반 상대성 이론을 변경하는 많은 방법이 실패합니다."
M87의 그림자 크기 측정에 대한 수정된 중력 이론의 예측을 테스트하기 위해 설계된 새로운 센서의 시각화입니다.
출처: 애리조나 대학교 D. Psaltis; EHT
과학자들은 결과에 자신감을 가지기 위해블랙홀의 크기를 사용하여 일반 상대성 이론에 대한 "2차" 테스트를 수행했습니다. 이는 중력장이 너무 약하기 때문에 "태양계에서는 불가능하다"고 EHT 회원이자 프린스턴 고등연구소의 레아 메데이로스(Leah Medeiros)는 설명합니다.
아인슈타인의 이론 테스트
일반적으로 이제 물리학자들은 일반 이론을 제시합니다.뉴턴의 중력 이론에 대한 수정 또는 추가의 집합으로서의 상대성 이론. 일반 상대성 이론은 이러한 상부 구조가 무엇인지 예측합니다. 우주에서 중력이 어떻게 작용하는지에 대한 측정값이 이러한 예측에서 벗어나면 물리학자들은 일반 상대성 이론이 전부가 아니라는 것을 알고 있습니다. 테스트에 더 많은 추가 또는 요소가 추가될수록 결과에 대한 신뢰도가 높아집니다. 블랙홀에 대한 새로운 테스트와 점검은 오래 걸리지 않을 것입니다.
M87 블랙홀 표시 시뮬레이션블랙홀 주위를 소용돌이 치는 플라즈마의 움직임. 파란색으로 볼 수 있는 밝고 얇은 고리는 우리가 블랙홀의 그림자라고 부르는 것의 가장자리입니다. 사진: L. Medeiros; 케이찬; D. 프살티스; F. 오셀; U아리조나; IAS.
그러나 일반 상대성 이론이 확인된 경우 일부 물리학자들은 왜 그 결과에 불만이 있습니까? 요점은 일반 상대성 이론이 양자 역학과 충돌한다는 것입니다.
상대성 이론 대 양자 역학: 우주를 위한 전투
물리학자들은 매우 다른 두 이론을 조화시키려고 수십 년을 보냈습니다. 그리고 일반 상대성 이론으로 모든 것이 명확하다면 왜 양자 역학은 아인슈타인의 법칙을 따르기를 거부합니까?
물리학자들은 현재 두 가지 별도의 연구를 가지고 있습니다.자연이 어떻게 작동하는지 설명하는 일련의 규칙. 중력과 그것이 결정하는 모든 것, 즉 행성의 회전, 은하의 충돌, 팽창하는 우주 전체의 역학을 완벽하게 설명하는 일반 상대성 이론이 있습니다. 이것이 '큰 것들의 과학'이다.
그리고 양자역학도 있습니다.전자기력과 두 가지 핵력이라는 세 가지 다른 힘이 있습니다. 양자 이론은 우라늄 원자가 붕괴할 때나 빛의 개별 입자가 태양 전지에 들어갈 때 어떤 일이 일어나는지 설명하는 데 매우 능숙합니다. 이것이 '작은 것의 과학'이다.
양자 역학 - 이론 섹션행동이 플랑크 상수에 필적하는 물리적 현상을 설명하는 물리학. 양자 역학의 예측은 고전 역학의 예측과 크게 다를 수 있습니다.
현실에 대한 진정으로 양립할 수 없는 기술의 충돌
이제 문제로:상대성 이론과 양자 역학은 공식이 다른 근본적으로 다른 이론입니다. 이것은 단지 과학 용어의 문제가 아닙니다. 그것은 현실에 대한 진정으로 양립할 수 없는 설명의 충돌입니다.
물리학의 두 반쪽 사이의 갈등은 1905년에 두 개의 아인슈타인의 작품에 의해 촉발된 세기 이상 동안 양조되어 왔습니다. 그 중 하나는 상대성 이론을 설명하고 다른 하나는 양자를 설명합니다.
본질적으로 당신은 사이의 구분을 생각할 수 있습니다"부드럽고" "짧다"는 상대성 이론과 양자 시스템. 일반 상대성 이론에서 사건은 연속적이고 결정론적입니다. 즉, 각 원인은 특정 지역 효과에 해당합니다.
양자역학에서는 다음에 의해 발생하는 사건을아원자 입자의 상호작용은 확실한 결과보다는 확률적인 결과로 도약(예, 양자 도약)으로 발생합니다. 양자 규칙은 고전 물리학에서 금지된 연결을 허용합니다. 이는 널리 논의된 실험에서 입증되었습니다. 그런 다음 과학자들은 두 개의 입자(이 경우 전자)가 몇 마일 떨어져 있어도 즉시 서로 영향을 미칠 수 있음을 입증했습니다. 매끄러운 상대론적 법칙을 간결한 양자 스타일로 해석하려고 하거나 그 반대로 해석하려고 하면 상황이 계획대로 진행되지 않습니다.
의미없는 답변
상대성이론은 무의미한 답을 준다.당신은 그것을 양자 크기로 줄이려고 노력하고 있으며 결국 중력에 대한 설명에서 무한한 값으로 떨어집니다. 마찬가지로 양자 역학은 우주 비율로 부풀릴 때 심각한 문제에 봉착합니다. 양자장은 겉보기에 텅 빈 공간에서도 일정량의 에너지를 전달하며, 장이 커질수록 에너지의 양도 증가한다. 아인슈타인에 따르면 에너지와 질량은 동일하므로(이 메시지는 E = mc 2임) 에너지를 축적하는 것은 질량을 축적하는 것과 정확히 같습니다. 충분히 크면 양자장의 에너지 양이 너무 커져서 우주가 저절로 접히도록 하는 블랙홀이 생성될 것입니다. 그러나 보시다시피 이것은 발생하지 않습니다.
간단히 말해서, 양자 역학은 일반 상대성 이론과 양립할 수 없습니다. 왜냐하면 양자장 이론에서 힘은 잘 정의된 양자의 교환을 통해 국부적으로 작용하기 때문입니다.
결론은 무엇입니까?
결과적으로 새로운 결과는 약간 실망스럽습니다.아인슈타인의 이론에서 균열을 찾기를 희망하는 물리학자들. 일반 상대성 이론의 편차를 찾는 것은 새로운 물리학의 길을 가리킬 수 있습니다. 또는 일반 상대성 이론, 초대형 물리학, 아원자 입자 및 원자와 같은 매우 작은 물체의 물리학을 설명하는 주요 이론인 양자 역학을 결합하는 데 도움이 될 수 있습니다. 일반 상대성 이론이 여전히 순종하기를 거부한다는 사실은 "우리가 평생에 걸쳐 답을 얻을 수 있기를 바라는 우리를 걱정하게 한다"고 Psaltis는 말합니다.
중력 이론을 테스트하는 것은 끊임없는 탐색입니다.일반 상대성 이론의 예측은 천체 물리학자들이 일반 상대성 이론의 가능한 차이점이나 수정에 대해 걱정하지 않는 다양한 천체 물리학 대상에 대해 충분히 좋은가?
중력장의 다양한 강점에 대한 그림,우주론적 테스트, 태양계 테스트 및 블랙홀과 함께 탐구됩니다. 이미지 제공: D. Psaltis, University of Arizona; NASA / WMAP; ESA/카시니; EHT
그러나 EHT에 대한 향후 관찰은 훨씬 더 많은 것을 만들 것입니다.일반 상대성 이론의 정확한 테스트, 특히 은하수 중심에 있는 블랙홀인 Sgr A *(궁수자리 A *)의 미공개 이미지를 사용합니다. 다른 어떤 초대질량 블랙홀보다 훨씬 더 정확한 Sgr A * 질량 측정을 통해 이 이미지는 일반 상대성 이론을 변경할 수 있습니다.
궁수자리 A *. 이 사진은 NASA의 X선 관측소인 찬드라가 촬영한 것이다. 가벼운 에코는 타원으로 표시됩니다. 전체 이미지 - 12.5분(출처)
“블랙홀의 이미지는 완전히 드러납니다아인슈타인의 일반 상대성 이론을 테스트하기 위한 새로운 각도입니다.”라고 Max Planck Institute for Radio Astronomy 소장이자 EHT 협력 회원인 Michael Kramer는 설명합니다.
"중력파 관측과 함께 이것은 블랙홀 천체 물리학의 새로운 시대의 시작을 의미합니다."라고 Psaltis는 확신합니다.
Ozel은 "우리 은하의 중심에 있는 블랙홀의 이미지를 얻을 때 일반 상대성 이론의 편차를 더욱 제한할 수 있습니다."라고 결론지었습니다.
그러면 아인슈타인이 옳을까요? 그리고 양자역학의 운명은?
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