Page semi-protected

상대성 이론

Theory of relativity
이 기사는 과학적 개념에 관한 것이다.상대성 이론에 대한 철학적 또는 존재론적 이론은 상대성 이론을 참조하십시오.무성영화는 아인슈타인 상대성 이론을 참고하세요.
GW150914의 병합을 시뮬레이션하여 블랙홀이 공전 및 병합할 때 중력으로 인한 시공간 왜곡을 보여줍니다.

상대성 이론은 보통 알버트 아인슈타인의 상호 연관된 두 가지 이론을 포함한다:[1] 각각 1905년과 1915년에 제안되고 출판된 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론.특수상대성이론은 중력이 없는 모든 물리적 현상에 적용된다.일반상대성이론은 중력의 법칙과 자연의 [2]다른 힘과의 관계를 설명한다.그것은 [3]천문학을 포함한 우주론 및 천체물리학의 영역에 적용된다.

이 이론은 20세기 동안 이론 물리학과 천문학을 변화시켰고, 아이작 [3][4][5]뉴턴에 의해 주로 창조된 200년 된 역학 이론을 대체했다.시공간 통합실체로서의 4차원 시공간, 동시성의 상대성, 운동학적 및 중력적 시간확장, 길이수축 등의 개념을 소개했다.물리학 분야에서는 상대성이론이 소립자의 과학과 그들의 근본적인 상호작용을 발전시켰고, 핵시대를 열었다.상대성 이론으로, 우주론과 천체물리학은 중성자 별, 블랙홀, 그리고 중력파와 [3][4][5]같은 특별한 천문 현상을 예측했다.

개발 및 승인

주요 기사:특수상대성이론의 역사와 일반상대성이론의 역사
일반상대성이론
Spacetime curvature schematic
기본 개념
현상
시공간
  • 방정식
  • 형식주의
방정식
형식주의
고급 이론
솔루션
과학자

알버트 아인슈타인은 1905년에 특수상대성이론을 발표했는데, 이는 알버트 A에 의해 얻어진 많은 이론적 결과와 경험적 발견에 바탕을 두고 있다. 미셸슨, 헨드릭 로렌츠, 앙리 푸앵카레 등막스 플랑크, 헤르만 민코프스키, 그리고 다른 사람들은 후속 작업을 했다.

아인슈타인은 1907년과 1915년 사이에 일반상대성이론을 발전시켰고, 1915년 이후 많은 다른 이들의 공헌을 받았다.일반 상대성 이론의 최종 형태는 [3]1916년에 출판되었다.

"상대성이론"이라는 용어는 플랑크가 1906년 상대성 원리를 어떻게 사용하는지를 강조한 "상대성이론"(독일어: Relativtherie)이라는 표현에 바탕을 두고 있다.같은 논문의 토론 섹션에서 알프레드 부체러는 처음으로 상대성 이론(독일어: Relativitétheory)[6][7]이라는 표현을 사용했다.

1920년대까지 물리학계는 특수상대성이론을 [8]이해하고 받아들였다.그것은 빠르게 원자 물리학, 핵 물리학, 그리고 양자 역학의 새로운 분야의 이론가들과 실험자들에게 중요하고 필요한 도구가 되었다.

그에 비해 일반상대성이론은 뉴턴 중력 [3]이론의 예측에 사소한 수정을 가하는 것 외에는 유용하게 보이지 않았다.대부분의 주장들이 천문학적인 규모였기 때문에 그것은 실험의 가능성을 거의 제공하지 않는 것처럼 보였다.그것의 수학은 어려웠고 소수의 사람들만이 충분히 이해할 수 있는 것처럼 보였다.1960년경, 일반상대성이론은 물리학과 천문학에서 중심이 되었다.일반상대성이론에 적용하기 위한 새로운 수학적 기법은 계산을 간소화하고 그 개념을 보다 쉽게 시각화했다.퀘이사(1963년), 3켈빈 마이크로파 배경복사(1965년), 펄사(1967년), 최초의 블랙홀 후보(1981년)[3] 등 천문현상이 발견됨에 따라 이들의 속성을 설명하고 측정 결과 이론을 더욱 확인했다.

특수상대성이론

주요 기사:특수상대성이론

특수상대성이론은 시공간 구조의 이론이다.그것은 아인슈타인의 1905년 논문 "움직이는 물체의 전기역학에 대하여"에 소개되었다.특수상대성이론은 고전역학에서 모순되는 두 가지 가설에 기초합니다.

  1. 물리 법칙은 서로 상대적인 관성 기준 프레임의 모든 관찰자에게 동일합니다(상대성 원리).
  2. 진공에서 빛의 속도는 상대적인 움직임이나 광원의 움직임에 관계없이 모든 관측자에게 동일하다.

결과 이론은 고전 역학보다 실험에 더 잘 대처한다.예를 들어, 공식 2는 Michelson-Morley 실험의 결과를 설명한다.게다가, 그 이론은 많은 놀랍고 직관적인 결과들을 가지고 있다.그 중 몇 가지는 다음과 같습니다.

  • 동시성의 상대성:관찰자가 상대적인 움직임을 보이는 경우 한 관찰자에 대해 동시에 발생하는 두 사건은 다른 관찰자에 대해 동시에 발생하지 않을 수 있다.
  • 시간 연장:움직이는 시계는 관찰자의 "정지된" 시계보다 더 느리게 똑딱거리도록 측정됩니다.
  • 길이 수축:개체는 관찰자에 대해 이동하는 방향으로 짧아지는 것으로 측정됩니다.
  • 최대 속도는 유한합니다.어떤 물리적인 물체, 메시지, 필드 라인도 진공 상태에서는 빛의 속도보다 빠르게 이동할 수 없습니다.
    • 중력의 효과는 빛의 속도로만 우주를 여행할 수 있고, 더 빠르거나 즉각적으로 이동할 수 없습니다.
  • 질량-에너지 등가:E = mc2, 에너지와 질량은 동등하고 변환 가능하다.
  • 상대론적 질량, 몇몇 [9]연구자들에 의해 사용된 아이디어입니다.

특수상대성이론의 결정적인 특징은 고전역학의 갈릴레이 변환을 로렌츠 변환으로 대체하는 것이다.(맥스웰의 전자기 방정식 참조).

일반상대성이론

주요 기사:일반상대성이론과 일반상대성이론 입문

일반상대성이론은 1907-1915년에 아인슈타인에 의해 개발된 중력 이론이다.일반 상대성 이론의 발전은 가속 운동과 중력장에서의 정지 상태(예를 들어, 지구 표면에 서 있을 때)가 물리적으로 동일한 등가 원리에서 시작되었다.이것의 결론은 자유낙하는 관성운동이라는 것이다: 자유낙하 물체는 고전 역학에서와 같이 중력의 힘에 의한 것이 아니라, 자유낙하 물체에 가해지는 힘이 없을 때 그렇게 움직이기 때문이다.이것은 고전 역학과 특수 상대성 이론과 양립할 수 없다. 왜냐하면 그 이론들에서는 관성적으로 움직이는 물체는 서로 가속할 수 없지만 자유 낙하하는 물체는 가속하기 때문이다.이 어려움을 해결하기 위해 아인슈타인은 최초로 시공간이 곡선이라고 제안했다.1915년에 그는 시공간의 곡률을 질량, 에너지, 그리고 그 안에 있는 운동량과 연관짓는 아인슈타인 장 방정식을 고안했다.

일반상대성이론의 결과는 다음과 같습니다.

기술적으로, 일반 상대성 이론은 아인슈타인 장 방정식을 사용하는 것이 특징인 중력 이론이다.필드 방정식의 해는 시공간 토폴로지와 물체가 어떻게 관성적으로 움직이는지를 정의하는 미터법 텐서입니다.

실험 증거

아인슈타인은 상대성 이론이 "원리가론"에 속한다고 말했다.이와 같이, 그것은 분석 방법을 채택하고 있는데, 이것은 이 이론의 요소들이 가설에 기초하지 않고 경험적 발견에 기초한다는 것을 의미한다.자연 과정을 관찰함으로써, 우리는 그들의 일반적인 특성을 이해하고, 우리가 관찰한 것을 묘사하기 위한 수학적 모델을 고안하고, 분석적인 수단으로 우리는 충족되어야 하는 필요한 조건을 추론한다.개별 사건의 측정은 이러한 조건을 만족시키고 이론의 [2]결론과 일치해야 한다.

특수 상대성 검정

주요 기사:특수 상대성 검정
Michelson-Morley 실험의 다이어그램

상대성 이론은 반증할 수 있는 이론입니다.실험을 통해 테스트할 수 있는 예측을 합니다.특수상대성이론의 경우 상대성 원리, 빛의 속도의 항상성, 시간확장 [11]등이 있습니다.특수 상대성 이론의 예측은 아인슈타인이 1905년 논문을 발표한 이후 수많은 테스트에서 확인되었지만 1881년에서 1938년 사이에 수행된 세 번의 실험은 그 검증에 결정적인 역할을 했다.이것은 마이클슨-몰리 실험입니다. 케네디는–가시나무 실험, 그리고 Ives-Stilwell 실험.아인슈타인은 1905년 첫 번째 원리에서 로렌츠 변환을 도출했지만, 이 세 가지 실험은 실험 증거로부터 변환을 유도할 수 있게 했다.

맥스웰 방정식 - 고전 전자기학의 기초 - 은 빛을 특징적인 속도로 움직이는 파장으로 묘사합니다.현대의 견해는 빛이 전달 매체를 필요로 하지 않는다는 것이지만, 맥스웰과 그의 동시대인들은 빛파가 공기 중에 전파되는 소리와 비슷한 매체로 전파되고 연못 표면에 퍼지는 파문이 있다고 확신했다.이 가상의 매체는 "고정된 별들"에 상대적인 정지상태로 지구가 움직이는 광원 에테르라고 불렸습니다.플레넬의 부분적인 에테르 끌림 가설은 1차 효과의 측정을 배제했고, 2차 효과의22 관측은 원칙적으로 가능했지만, 맥스웰은 그것들이 그 당시 기술로 [12][13]탐지하기에는 너무 작다고 생각했다.

Michelson-Morley 실험은 지구에 대한 에테르 운동인 "에테르 바람"의 2차 효과를 감지하기 위해 고안되었다.Michelson은 이것을 이루기 위해 Michelson 간섭계라고 불리는 기구를 고안했다.이 장치는 예상된 효과를 감지하기에 충분히 정확했지만, [14]1881년에 첫 번째 실험이 이루어졌을 때, 그리고 [15]1887년에 다시 수행되었을 때, 그는 무효 결과를 얻었다.에테르 바람을 감지하지 못한 것은 실망스러운 일이었지만, 그 결과는 과학계에 [13]의해 받아들여졌다.에테르 패러다임을 살리기 위해 피츠제럴드와 로렌츠는 독립적으로 에테르를 통과하는 [16]운동에 따라 물질 물체의 길이가 변하는 임시 가설을 만들었다.이것이 피츠제럴드-로렌츠 수축의 기원이었고, 그들의 가설은 이론적인 근거가 없었다.미셸슨-몰리 실험의 무효 결과에 대한 해석은 빛의 왕복 이동 시간은 등방성이지만 결과만으로는 에테르 이론을 무시하거나 특수 상대성 [17][18]이론의 예측을 검증하기에 충분하지 않다는 것이다.

케네디–간섭 테두리를 사용한 가시 다이크 실험.

Michelson-Morley 실험은 빛의 속도가 등방성이라는 것을 보여주었지만, 다른 관성 프레임에서 속도의 크기가 어떻게 변화했는지에 대해서는 언급하지 않았다.케네디Thorndike 실험은 이를 위해 고안되었으며 1932년 로이 케네디와 에드워드 손다이크에 [19]의해 처음 수행되었다.그들은 무효 결과를 얻었고, "효과는 없다..."라는 결론을 내렸다.우주에서의 태양계 속도가 궤도에 있는 지구의 절반 이하가 아니라면 말이다."[18][20]그러한 가능성은 허용 가능한 설명을 제공하기에는 너무 우연의 일치로 생각되었기 때문에, 그들의 실험의 무효 결과로부터 빛의 왕복 시간은 모든 관성 [17][18]기준 프레임에서 동일하다는 결론이 내려졌다.

Ives-Stilwell 실험은 Herbert Ives와 G.R. Stilwell에 의해 1938년에[21] 처음 그리고 1941년에 [22]더 나은 정확도로 수행되었습니다.그것은 1905년 아인슈타인에 의해 예측된 가로 방향 도플러 효과, 즉 움직이는 광원에서 그것의 속도에 수직인 방향으로의 빛의 적색 이동을 테스트하기 위해 고안되었다.이 전략은 관찰된 도플러 변화를 고전 이론에 의해 예측된 것과 비교하고 로렌츠 인자 보정을 찾는 것이었다.이러한 보정이 관찰되었고, 그 결과 움직이는 원자 시계의 주파수는 특수 상대성 이론에 [17][18]따라 변화한다는 결론이 내려졌다.

그 고전적인 실험들은 정확성을 높여 여러 번 반복되어 왔다.다른 실험에는 예를 들어, 상대론적 에너지와 고속에서의 운동량 증가, 시간 확장에 대한 실험 실험, 로렌츠 위반에 대한 현대적 탐색 등이 포함됩니다.

일반 상대성 검정

주요 기사:일반 상대성 검정

일반상대성이론 또한 수성 궤도의 근일점 세차 운동, 태양에 의한 빛의 편향, 그리고 빛의 중력 적색편이 등 여러 번 확인되었다.다른 테스트에서는 동등성 원리와 프레임 드래그가 확인되었습니다.

최신 어플리케이션

단순히 이론적인 관심과는 거리가 먼 상대론적 효과는 중요한 실제 공학적인 관심사입니다.위성 기반 측정은 각 위성이 지구에 묶인 사용자에 대해 상대적으로 움직이고, 따라서 상대성 이론 하에서 다른 기준 프레임에 있기 때문에 상대성 영향을 고려해야 한다.GPS, GLONASS, 그리고 갈릴레오와 같은 지구 측위 시스템은 정밀하게 [23]작동하기 위해 지구 중력장의 결과와 같은 모든 상대론적 효과를 설명해야 한다.이것은 시간의 [24]고정밀 측정에서도 마찬가지입니다.전자 현미경에서 입자 가속기에 이르는 기구는 상대론적 고려가 [25]생략되면 작동하지 않을 것이다.

점근 대칭

특수 상대성 이론의 시공간 대칭군은 3개의 로렌츠 부스트, 3개의 회전, 4개의 시공간 변환으로 이루어진 10차원 군인 푸앵카레 군이다.일반 상대성 이론에서 어떤 대칭이 적용될 수 있는지 묻는 것은 논리적이다.다루기 쉬운 경우는 중력장의 모든 원천에서 멀리 떨어진 관측자가 보는 시공간 대칭을 고려하는 것일 수 있다.점근적으로 평탄한 시공간 대칭에 대한 순진한 기대는 단순히 특수 상대성 이론의 평탄한 시공간 대칭을 확장하고 재현하는 것일 수 있다.

1962년에는 헤르만 본디, M. G. 반 데르 부르그, A. W. 메츠너[26], 레이너 K. 삭스는[27] 중력파 전파로 인한 무한대의 에너지 흐름을 조사하기 위해 이 점근대칭 문제를 해결했다.그들의 첫 번째 단계는 측정이 점근 대칭 그룹의 본질에 대한 선험적 가정을 하지 않고 심지어 그러한 그룹이 존재한다는 가정도 하지 않고 점근 대칭 그룹의 의미를 특징짓기 위해 빛과 같은 무한대에서 중력장에 배치할 물리적으로 합리적인 경계 조건을 결정하는 것이었다.그리고 그들이 가장 합리적인 경계 조건으로 간주한 후, 그들은 점근적으로 평평한 중력장에 적합한 경계 조건의 형태를 불변하게 하는 결과적인 점근 대칭 변환의 특성을 조사했다.그들이 발견한 것은 점근대칭 변환이 실제로 그룹을 형성하고 이 그룹의 구조는 우연히 존재하는 특정한 중력장에 의존하지 않는다는 것입니다.이것은 예상대로 적어도 공간 무한대에서 시공간 운동학을 중력장의 역학으로부터 분리할 수 있다는 것을 의미한다.1962년에 놀라운 것은 BMS 그룹의 하위 그룹인 유한 차원 푸앵카레 그룹이 아닌 풍부한 무한 차원 그룹(일명 BMS 그룹)을 점근 대칭 그룹으로 발견했다는 것입니다.로렌츠 변환은 점근 대칭 변환일 뿐만 아니라 로렌츠 변환이 아닌 점근 대칭 변환인 추가 변환도 있습니다.실제로 그들은 슈퍼번역이라 불리는 무한대의 변환 발생기를 발견했다.이는 일반상대성이론이 원거리 [28]: 35 약장의 경우 특수상대성이론으로 환원되지 않는다는 결론을 의미한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Einstein A. (1916), Relativity: The Special and General Theory (Translation 1920), New York: H. Holt and Company
  2. ^ a b Einstein, Albert (28 November 1919). "Time, Space, and Gravitation" . The Times.
  3. ^ a b c d e f Will, Clifford M (2010). "Relativity". Grolier Multimedia Encyclopedia. Archived from the original on 21 May 2020. Retrieved 1 August 2010.
  4. ^ a b Will, Clifford M (2010). "Space-Time Continuum". Grolier Multimedia Encyclopedia. Retrieved 1 August 2010.[영구 데드링크]
  5. ^ a b Will, Clifford M (2010). "Fitzgerald–Lorentz contraction". Grolier Multimedia Encyclopedia. Retrieved 1 August 2010.
  6. ^ Planck, Max (1906), "Die Kaufmannschen Messungen der Ablenkbarkeit der β-Strahlen in ihrer Bedeutung für die Dynamik der Elektronen (The Measurements of Kaufmann on the Deflectability of β-Rays in their Importance for the Dynamics of the Electrons)" , Physikalische Zeitschrift, 7: 753–761
  7. ^ Miller, Arthur I. (1981), Albert Einstein's special theory of relativity. Emergence (1905) and early interpretation (1905–1911), Reading: Addison–Wesley, ISBN 978-0-201-04679-3
  8. ^ Hey, Anthony J.G.; Walters, Patrick (2003). The New Quantum Universe (illustrated, revised ed.). Cambridge University Press. p. 227. Bibcode:2003nqu..book.....H. ISBN 978-0-521-56457-1.
  9. ^ Greene, Brian. "The Theory of Relativity, Then and Now". Retrieved 26 September 2015.
  10. ^ Feynman, Richard Phillips; Morínigo, Fernando B.; Wagner, William; Pines, David; Hatfield, Brian (2002). Feynman Lectures on Gravitation. West view Press. p. 68. ISBN 978-0-8133-4038-8., 강의 5
  11. ^ Roberts, T; Schleif, S; Dlugosz, JM, eds. (2007). "What is the experimental basis of Special Relativity?". Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Retrieved 31 October 2010.
  12. ^ Maxwell, James Clerk (1880), "On a Possible Mode of Detecting a Motion of the Solar System through the Luminiferous Ether" , Nature, 21 (535): 314–315, Bibcode:1880Natur..21S.314., doi:10.1038/021314c0
  13. ^ a b Pais, Abraham (1982). "Subtle is the Lord ...": The Science and the Life of Albert Einstein (1st ed.). Oxford: Oxford Univ. Press. pp. 111–113. ISBN 978-0-19-280672-7.
  14. ^ Michelson, Albert A. (1881). "The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether" . American Journal of Science. 22 (128): 120–129. Bibcode:1881AmJS...22..120M. doi:10.2475/ajs.s3-22.128.120. S2CID 130423116.
  15. ^ Michelson, Albert A. & Morley, Edward W. (1887). "On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether" . American Journal of Science. 34 (203): 333–345. Bibcode:1887AmJS...34..333M. doi:10.2475/ajs.s3-34.203.333. S2CID 124333204.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  16. ^ Pais, Abraham (1982). "Subtle is the Lord ...": The Science and the Life of Albert Einstein (1st ed.). Oxford: Oxford Univ. Press. p. 122. ISBN 978-0-19-280672-7.
  17. ^ a b c Robertson, H.P. (July 1949). "Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity" (PDF). Reviews of Modern Physics. 21 (3): 378–382. Bibcode:1949RvMP...21..378R. doi:10.1103/RevModPhys.21.378.
  18. ^ a b c d Taylor, Edwin F.; John Archibald Wheeler (1992). Spacetime physics: Introduction to Special Relativity (2nd ed.). New York: W.H. Freeman. pp. 84–88. ISBN 978-0-7167-2327-1.
  19. ^ Kennedy, R.J.; Thorndike, E.M. (1932). "Experimental Establishment of the Relativity of Time" (PDF). Physical Review. 42 (3): 400–418. Bibcode:1932PhRv...42..400K. doi:10.1103/PhysRev.42.400. S2CID 121519138. Archived from the original (PDF) on 6 July 2020.
  20. ^ Robertson, H.P. (July 1949). "Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity" (PDF). Reviews of Modern Physics. 21 (3): 381. Bibcode:1949RvMP...21..378R. doi:10.1103/revmodphys.21.378.
  21. ^ Ives, H.E.; Stilwell, G.R. (1938). "An experimental study of the rate of a moving atomic clock". Journal of the Optical Society of America. 28 (7): 215. Bibcode:1938JOSA...28..215I. doi:10.1364/JOSA.28.000215.
  22. ^ Ives, H.E.; Stilwell, G.R. (1941). "An experimental study of the rate of a moving atomic clock. II". Journal of the Optical Society of America. 31 (5): 369. Bibcode:1941JOSA...31..369I. doi:10.1364/JOSA.31.000369.
  23. ^ 애쉬비, N. 위성 측위 시스템의 상대성리빙 상대성 목사 6, 1 (2003)https://doi.org/10.12942/lrr-2003-1: CS1 maint: 타이틀로서의 아카이브 복사 (링크"Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 5 November 2015. Retrieved 9 December 2015.{{cite web}})
  24. ^ Francis, S.; B. Ramsey; S. Stein; Leitner, J.; Moreau, J.M.; Burns, R.; Nelson, R.A.; Bartholomew, T.R.; Gifford, A. (2002). "Timekeeping and Time Dissemination in a Distributed Space-Based Clock Ensemble" (PDF). Proceedings 34th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting: 201–214. Archived from the original (PDF) on 17 February 2013. Retrieved 14 April 2013.
  25. ^ Hey, Tony; Hey, Anthony J. G.; Walters, Patrick (1997). Einstein's Mirror (illustrated ed.). Cambridge University Press. p. x (preface). ISBN 978-0-521-43532-1.
  26. ^ Bondi, H.; Van der Burg, M.G.J.; Metzner, A. (1962). "Gravitational waves in general relativity: VII. Waves from axisymmetric isolated systems". Proceedings of the Royal Society of London A. A269 (1336): 21–52. Bibcode:1962RSPSA.269...21B. doi:10.1098/rspa.1962.0161. S2CID 120125096.
  27. ^ Sachs, R. (1962). "Asymptotic symmetries in gravitational theory". Physical Review. 128 (6): 2851–2864. Bibcode:1962PhRv..128.2851S. doi:10.1103/PhysRev.128.2851.
  28. ^ Strominger, Andrew (2017). "Lectures on the Infrared Structure of Gravity and Gauge Theory". arXiv:1703.05448. ...redacted transcript of a course given by the author at Harvard in spring semester 2016. It contains a pedagogical overview of recent developments connecting the subjects of soft theorems, the memory effect and asymptotic symmetries in four-dimensional QED, nonabelian gauge theory and gravity with applications to black holes. To be published Princeton University Press, 158 pages. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)

추가 정보

외부 링크

위키 인용문에는 상대성 이론과 관련된 인용문이 있다.
Wikisource는 '상대성'이라는 주제에 대한 독창적인 저작을 가지고 있습니다.
Wikisource에는 다음 기사와 관련된 원본 텍스트가 있습니다.
Wikibooks는 다음과 같은 토픽에 관한 책을 가지고 있습니다.카테고리:상대성 이론
Wikdiversity는 일반상대성이론에 대한 학습 자원을 가지고 있다.