시간 팽창 효과의 이론적 근거

시간 팽창 효과는 우주광선에서 처음 관찰되었다. 상대성론에서 공간과 시간의 척도는 관찰자의 속도에 따라 변한다. 예를 들어, 우리가 우리를 향해 움직이고 있는 한 시계가 나타내는 시간을 측정한다면, 우리는 그것이 우리와 상대적으로 정지된 다른 정상 시간의 시계보다 더 느리게 걷는다는 것을 알게 될 것이다. (존 F. 케네디, 시간명언) 반면에, 우리가 이 운동 시계의 속도로 함께 움직인다고 가정하면, 그 시간은 다시 정상으로 돌아옵니다. < P > 우리는 보통 시계가 광속으로 우리에게 날아오는 것을 볼 수 없지만, 방사성 쇠퇴는 시계와 같다. 이는 방사성 물질이 완전히 확정된 시간자, 즉 반감기를 포함하고 있기 때문이다. 우리가 우리에게 날아오는 우주선 M 을 측정했을 때, 그것의 반감기가 실험실에서 측정한 22 마이크로초보다 훨씬 길다는 것을 발견했다. 이런 의미에서, 우리 관찰자의 관점에서 볼 때, M 내부의 시계는 확실히 좀 느리게 간다. 시간 과정이 길어졌다는 것은 시간이 팽창했다는 뜻이다. < P > 상대성론 (Relativity) 의 기본 가정은 상대성의 원리입니다. 즉, 물리법칙은 참조 시스템의 선택, 질량이 큰 물체가 시공간을 왜곡하여 물체의 이동 방향을 바꾸는 것과는 무관합니다. 특수 상대성론과 일반 상대성론의 차이점은 등속 직선 운동의 참조 시스템 (관성 참조 시스템) 사이의 물리 법칙에 대해 논의하고, 후자는 가속이 있는 참조 시스템 (비관성 시스템) 으로 확대되며, 동등한 원리의 가정 하에 중력장에 광범위하게 적용된다는 것이다. 상대성 이론과 양자역학은 현대물리학의 두 가지 기본 기둥이다. 고전 물리학의 기초인 고전 역학은 고속 운동의 물체와 미시 분야에 적용되지 않는다. 상대성 이론은 고속 운동 문제를 해결했다. 양자역학은 미시 아원자 조건 하에서의 문제를 해결했다. 상대성론은 우주와 자연에 대한 인간의' 상식성' 관념을 뒤엎고' 시간과 공간의 상대성',' 4 차원 시공간',' 구부러진 공간' 등 새로운 개념을 제시했다. < P > 협의상대성론은 195 년, 광의상대성론은 1915 년 (아인슈타인은 1915 년 말 광의상대성론 창설을 마치고 1916 년 초 관련 논문을 공식 발표했다. < P > 뉴턴의 법칙이 좁은 상대성론에 어려움을 제기했기 때문에, 즉 어떤 공간 위치의 어떤 물체라도 힘의 작용을 받아야 한다. 따라서 우주 전체에 관성 관측자가 없다. 아인슈타인은 이 문제를 해결하기 위해 또 일반 상대성 이론을 제시했다. 특수 상대성 이론의 가장 유명한 추론은 질량이 에너지 증가에 따라 증가한다는 것을 보여주는 질량 에너지 공식이다. 핵반응이 방출하는 엄청난 에너지를 설명하는 데도 사용할 수 있지만 원자폭탄의 탄생을 초래한 원인은 아니다. 광의상대성론이 예언한 중력렌즈와 블랙홀은 일부 천문 관측과 일치한다. < P > 협의와 광의상대성론의 분야 전통에서 아인슈타인이 방금 상대성론을 제기한 초기에 논의된 문제가 비관성 참고계를 포함하는지 여부를 협의와 광의상대성론 분류의 상징으로 삼았다. 상대성 이론의 발전과 함께, 이 분류 방법은 점점 더 그 단점을 드러내고 있다. 참고계는 관찰자와 관련이 있고, 이와 같은 상대적 물리적 대상으로 물리 이론을 나누는 것은 문제의 본질을 더 반영하지 못하는 것으로 여겨진다. (윌리엄 셰익스피어, 윈스턴, 과학명언) (윌리엄 셰익스피어, 윈스턴, 과학명언) < P > 일반적으로 협의와 광의상대성론의 차이는 논의된 문제가 중력 (구부러진 시공간) 을 포함하는지, 즉 협의상대성론은 중력작용이 없거나 중력작용이 무시할 수 있는 문제만 다루고, 광의상대성론은 중력작용이 있을 때의 물리학을 토론하는 것으로 여겨진다. 상대성론의 언어로 볼 때, 좁은 상대성론의 배경 시공간은 평평하다. 즉, 4 차원 일반 흐름형은 민씨도, 곡률 텐서는 , 일명 민씨시공이다. 일반 상대성 이론의 배경 시공간은 구부러지며 곡률 텐서는 이 아닙니다. 시간 팽창에 대한 새로운 해석. 19 세기 중반에 맥스웰은 전자기장 이론을 세우고 광속 C 로 전파되는 전자파의 존재를 예언했다. 19 세기 말까지, 실험은 맥스웰 이론을 완전히 증명했다. 전자파는 무엇입니까? 그것의 전파 속도 C 는 누구에게 있는 것입니까? 당시 유행했던 견해는 우주 전체가' 이더넷' 이라는 특수한 물질로 가득 찼고, 전자파는 에테르진동의 전파였다. 하지만 사람들은 이것이 모순으로 가득 찬 이론이라는 것을 알게 되었습니다. 지구가 정지된 에테르에서 움직인다고 생각한다면, 속도 중첩 원리에 따라 지구에서 다른 방향으로 전파되는 빛의 속도는 반드시 다를 것이다. 그러나 실험은 이 결론을 부정한다. 에테르가 지구에 끌려갔다고 생각한다면 천문학상의 관측 결과와 분명히 일치하지 않는다. 마이클슨 모레의 실험 도식도

1887 년 마이클슨과 모레는 빛의 간섭 현상을 이용하여 매우 정확한 측정을 했지만, 여전히 지구가 에테르와 관련된 어떤 움직임도 발견하지 못했다. 이에 대해 로렌즈 (H．A．Lorentz) 는 에테르에서 움직이는 모든 물체가 운동 방향으로 수축해야 한다는 가정을 제시했다. 이로써 그는 지구가 에테르를 기준으로 운동을 하더라도 마이클슨이 그것을 발견할 수 없다는 것을 증명했다. 아인슈타인은 완전히 다른 생각에서 이 문제를 연구했다. 그는 뉴턴이 확립한 절대 공간과 절대 시간의 개념을 포기하기만 하면 모든 어려움이 해결될 수 있으며 에테르가 전혀 필요하지 않다고 지적했다. (이더넷: 그리스 학자들이 제시한 빛 전파의 매체로 간주) 고전 역학의 속도 합성 법칙은 실제로 다음과 같은 두 가지 가정에 의존한다. < P > 1. 두 사건이 발생하는 시간 간격은 시간을 측정하는 데 사용되는 시계의 운동 상태와 관련이 없다. < P > 2. 두 점의 공간 거리는 거리를 측정하는 데 사용되는 자의 운동 상태와 무관하다. < P > 아인슈타인은 광속불변 원칙이 상대성의 원리와 호환된다는 것을 인정한다면 이 두 가설은 모두 버려야 한다는 것을 발견했다. 이때, 한 시계는 동시에 발생하는 사건이고, 다른 시계에 대해서는 반드시 동시성이 있는 것은 아니며, 동시성은 상대적이다. 상대 동작이 있는 두 좌표계에서 두 특정 점 사이의 거리를 측정한 값은 더 이상 동일하지 않습니다. 거리에도 상대성이 생겼다. K 좌표계의 이벤트는 3 개의 공간 좌표 x, y, z 및 1 개의 시간 좌표 t 로 결정될 수 있고 K' 좌표계의 동일한 이벤트는 x', y', z' 및 t' 로 결정될 수 있는 경우 아인슈타인은 x', y', z' 및 t 를 발견했습니다 두 좌표계의 상대 운동 속도와 광속 C 는 방정식의 유일한 매개변수이다. 이 방정식은 최초로 로렌츠가 얻은 것이기 때문에 로렌츠 변환이라고 불린다. < P > 로렌즈 전환을 이용하면 운동으로 인해 시계가 느려지고, 눈금자는 정지시보다 짧아지고, 속도의 합은 새로운 법칙을 충족한다는 것을 쉽게 증명할 수 있다. 상대성의 원리도 명확한 수학 조건으로 표현됩니다. 즉, 로렌츠 변환에서, 삐뚤어진 시공간 변수 X', Y', Z', T' 는 시공간 변수 X, Y, Z, T 를 대체하며, 모든 자연법칙의 표현식은 여전히 원본과 같은 형태를 취합니다. 사람들이 보편적인 자연법칙이라고 부르는 것은 로렌츠 변환에 공변적이다. 이것은 우리가 보편적인 자연의 법칙을 탐구하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 고전 물리학에서 시간은 절대적이다. 항상 세 개의 공간 좌표와 다른 독립적인 역할을 합니다. 아인슈타인의 상대성 이론은 시간을 공간과 연결시켰다. 물리학의 현실 세계는 각 사건으로 구성되어 있으며, 각 사건은 네 개의 숫자로 묘사되어 있다. 이 네 숫자는 시공좌표 T 와 X, Y, Z 로, 일반적으로 민코프스키 4 차원 공간이라고 하는 4 차원 연속 공간을 형성합니다. 상대성론에서 4 차원 방식으로 물리학의 현실 세계를 고찰하는 것은 자연스럽다. < P > 특수 상대성 이론의 또 다른 중요한 결과는 질량과 에너지의 관계에 관한 것이다. 아인슈타인 이전에 물리학자들은 질량과 에너지가 매우 다르다고 생각했고, 그것들은 각각 일정한 양이었다. 아인슈타인은 상대성 이론에서 질량과 에너지는 불가분의 관계이며, 두 개의 보존 법칙이 하나의 법칙으로 결합되었다는 것을 발견했다. < P > 그는 유명한 질량-에너지 공식을 제시했다: E = MC 2, 여기서 C 는 광속이다. 그래서 질량은 에너지의 척도로 볼 수 있습니다. 계산에 따르면 작은 질량에는 엄청난 에너지가 내포되어 있다. 이 기묘한 공식은 인류가 엄청난 에너지를 얻고, 원자폭탄과 수소폭탄을 제조하고, 원자력발전 등을 이용하기 위한 이론적 토대를 마련했다. < P > 아인슈타인이 도입한 이 새로운 개념들, 대부분의 물리학자들, 상대성 전환 관계의 창시자인 로렌즈를 포함해 받아들이기 어렵다. 낡은 사고방식의 장애물은 한 세대가 지나서야 많은 물리학자들에게 친숙해졌고, 스웨덴 왕립과학원도 1922 년 아인슈타인에게 노벨상을 수여했을 때, "이론물리학에 대한 그의 공헌으로 인해 광전효과의 법칙을 발견했기 때문" 이라고 말했다. (윌리엄 셰익스피어, Northern Exposure, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언). " 상대성 이론에 대해서는 아무 말도 하지 않았다. 마하와 흄의 철학은 아인슈타인에게 큰 영향을 미쳤다. 마하는 시간과 공간의 측정이 물질 운동과 관련이 있다고 생각한다. 시공간의 관념은 경험을 통해 형성된 것이다. 절대 시공간은 어떤 경험에 근거해도 파악할 수 없다. 흄은 좀 더 구체적으로 말했다: 공간과 광연은 다른 것이 아니라 일정한 순서로 분포된 보이는 대상이 공간을 가득 채웠다. 시간은 항상 변할 수 있는 대상의 감지 가능한 변화로 발견된다. < P > 4 차원 시공간은 현실 세계를 구성하는 가장 낮은 차원이다. 우리 세계는 마침 4 차원이다. 고차원 실제 공간에는 아직 감지할 수 없다. 예를 들어, 통치자가 3 차원 공간 (시간 없음) 에서 회전하면 길이는 변하지 않지만 회전할 때 좌표 값이 변경되고 좌표 사이에 연관성이 있습니다. 4 차원 시공간의 의미는 시간이 4 차원 좌표라는 것이다. 그것은 공간 좌표와 관련이 있다. 즉 시공간은 통일되고 분할할 수 없는 전체이며, 그것들은 일종의' 서로의 길이 제거' 관계이다. < P > 4 차원 시공간은 이것에만 국한되지 않습니다. 질량과 에너지는 실제로 같은 것입니다. 질량 (또는 에너지) 은 독립적이지 않고 운동 상태와 관련이 있습니다. 예를 들어 속도가 클수록 질량이 커집니다. 4 차원 시공간에서 질량 (또는 에너지) 은 실제로 4 차원 운동량의 4 차원 성분이며, 운동량은 물질의 움직임을 묘사하는 양이므로 질량이 운동 상태와 관련된 것은 당연하다. 4 차원 시공간에서는 운동량과 에너지가 통일을 이루는데, 이를 에너지 운동량 4 화살이라고 한다. 또 4 차원 시공간에서는 4 차원 속도, 4 차원 가속도, 4 차원 힘, 전자기장 방정식의 4 차원 형식 등도 정의했다. 흥미롭게도 전자기장 방정식의 4 차원 형태는 더욱 완벽하고, 전기와 자기는 완전히 통일되어 있으며, 전기장과 자기장은 하나의 통일된 전자기장 텐서로 묘사되어 있다. 4 차원 시공간의 물리 법칙은 3 차원 법칙보다 훨씬 완벽하다. 이는 우리 세계가 확실히 4 차원이라는 것을 보여준다. 적어도 뉴턴 역학보다 더 완벽하다고 할 수 있습니다. 적어도 그것의 완벽성으로 우리는 그것에 대해 함부로 의심할 수 없다. < P > 상대성 이론에서 시간과 공간은 불가분의 전체인 4 차원 시공간을 형성하고, 에너지와 운동량도 불가분의 전체인 4 차원 운동량을 구성한다. 이것은 자연계에서 전혀 상관이 없어 보이는 양 사이에 깊은 연관이 있을 수 있다는 것을 보여준다. 앞으로 광의상대성론을 언급할 때 시공간과 에너지 운동량 4 벡터 사이에도 깊은 연관이 있다는 것을 알 수 있다. < P > 좁은 상대성의 원리에 따르면 관성계는 완전히 동등하기 때문에 같은 관성계에서는 동시성이라고 하는 통일된 시간이 있고 상대성론은 서로 다른 관성계에서는 통일된 동시성이 없다는 것을 증명한다. 즉, 두 사건 (시공점) 이 하나의 관성계 내에 있는 동시에 앞으로의 광의상대성론에서 알 수 있듯이, 비관성계에서는 시공간이 균일하지 않다는 것을 알 수 있다. 즉, 같은 비관성계에서는 통일된 시간이 없기 때문에 통일된 동시성을 세울 수 없다. < P > 상대성론은 서로 다른 관성계 간의 시간 진도 관계를 도출해 운동의 관성계 시간 진도가 느리다는 것을 발견했는데, 이것이 이른바 시계 슬로우 효과다. 운동 시계가 정지된 시계보다 느리게 가고, 운동 속도가 빠를수록 시계가 느리게 가고, 빛의 속도에 가까울 때 시계가 거의 멈춘다는 것은 통속적으로 이해할 수 있다. 자의 길이는 관성계에서 동시에 얻은 두 끝점의 좌표값의 차이다. 동시 상대성으로 인해 관성계에 따라 측정된 길이도 다르다. 상대성론은 자 길이 방향으로 움직이는 자가 정지된 자보다 짧다는 것을 증명한다. 이른바 자 수축 효과라고 하는데, 속도가 광속에 가까워지면 자가 한 점으로 움츠러든다. < P > 위의 진술에서 알 수 있듯이, 시계가 느리고 자 수축하는 원리는 시간 진도가 상대적이라는 것이다. 즉, 시간 진행은 참조 시스템과 관련이 있습니다. 이것은 근본적으로 뉴턴의 절대 시공관을 부정한다. 상대성론은 절대 시간이 존재하지 않는다고 생각하지만, 시간은 여전히 객관적인 양이다. 예를 들어 쌍둥이 이상 실험에서 형이 우주선을 타고 돌아온 지 15 세, 동생은 이미 45 세인지 시간이 상대적이라는 것을 설명하지만, 형은 확실히 15 년을 살았고, 동생도 자신이 45 년을 살았다고 생각했는데, 이때는 참고계와 무관하고 시간은 절대적이었다. 이것은 물체의 운동 상태에 관계없이 그 자체가 경험하는 시간이 객관적인 양이며 절대적이라는 것을 보여 줍니다. 이를 고유 시간이라고 합니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언) 즉, 어떤 형태로든 운동을 하든, 커피를 마시는 속도가 정상이라고 생각하며, 생활 법칙이 흐트러지지 않았다고 생각하지만, 다른 사람들은 커피를 마시는 데 1 년이 걸린 것을 볼 수 있습니다. 컵을 내려놓는 것부터 숙면까지 1 초밖에 걸리지 않았다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언) 아인슈타인은 1915 년에 일반 상대성 이론을 한층 더 세웠다. 좁은 상대성의 원리는 또한 상대적으로 일정한 속도로 움직이는 두 개의 좌표계로 제한되며, 넓은 의미의 상대성성 원리에서 일정한 속도로 움직이는 이 제한은 취소되었다. 그는 우리가 중력 효과와 비균일 운동, 즉 비균일 운동과 중력을 구분할 수 없다는 동등한 원리를 도입했다. 그는 한 행성 근처를 통과할 때 중력에 의해 휘어지는 빛의 현상을 분석해 중력의 개념 자체가 완전히 불필요하다고 판단했다. 행성의 질량이 그 부근의 공간을 휘게 하고, 빛이 가장 짧은 선을 걷는 것으로 볼 수 있다. < P > 이러한 토론을 바탕으로 아인슈타인은 물질의 존재로 인해 발생하는 곡선 공간의 형상을 결정하는 방정식 세트를 내보냈습니다. 이 방정식을 이용하여 아인슈타인은 수성의 근일점의 변위량을 계산하여 실험 관측치와 정확히 일치하여 오랫동안 해석할 수 없는 어려운 문제를 해결하여 아인슈타인을 흥분시켰다. < P > 그는 엘렌피스트에게 편지를 쓰면서 이렇게 썼다. "...... 방정식은 근일의 정확한 수치를 주는데, 너는 내가 얼마나 기뻤는지 상상할 수 있다. 며칠 동안, 나는 어떻게 해야 좋을지 몰라서 기뻤다. " < P > 일반 상대성 이론은 모든 물리학자들을 깜짝 놀라게 했다. 중력은 생각보다 훨씬 복잡했다. 지금까지 아인슈타인의 필드 방정식도 몇 안 되는 몇 가지 확실한 해법을 얻었다. 그것의 아름다운 수학 형식은 지금까지 물리학자들을 놀라게 했다. 일반 상대성 이론이 큰 성과를 거두면서 코펜하겐 학파가 창설하고 발전시킨 양자역학도 중대한 돌파구를 만들었다. 그러나 물리학자들은 두 가지 주요 이론이 서로 맞지 않으며 적어도 하나는 수정해야 한다는 것을 곧 알게 되었다. 아인슈타인과 코펜하겐 학파라는 유명한 논쟁을 불러일으켰다. 지금까지 논쟁은 멈추지 않았지만, 점점 더 많은 물리학자들이 양자 이론을 선호한다. < P > 광의상대성론을 건립한 후 아인슈타인은 이후 약 4 년 동안 통일장론을 탐구하고 중력과 전자기력을 통일하여 물리학의 완전한 통일을 완성하려고 시도했다. 처음 몇 년 동안 그는 승리가 그립다고 생각하여 매우 낙관적이었다. 나중에 어려움이 겹겹이 발견되었다. 당시 대부분의 물리학자들은 그의 일을 잘 보지 못했기 때문에 그의 처지는 매우 고립되어 있었다. 비록 그는 시종일관 그러지 않았지만.