시공간이란 무엇인가? 시공간을 발견한 사람과 작동 방식

시공간의 구조에 대한 간단한 설명

시공간의 구조는 3차원의 공간과 4차원의 시간을 결합한 개념적 모델입니다. 현재 최고의 물리 이론에 따르면, 시공간은 빛의 속도에 가까운 이동과 우주의 거대한 물체의 움직임에서 발생하는 특이한 상대론적 효과를 설명합니다.

 

시공간을 발견한 사람은 누구인가?

유명한 물리학자 알베르트 아인슈타인은 상대성 이론의 일부로 시공간 개념을 발전시키는 데 도움을 주었습니다. 나사에 따르면 그의 선구적인 연구 이전에 과학자들은 물리적 현상을 설명하기 위해 두 가지 별도의 이론을 가지고 있었습니다. 나사에 따르면 아이작 뉴턴의 물리 법칙은 거대한 물체의 운동을 설명하는 반면 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 모델은 빛의 특성을 설명했습니다. 그러나 19세기 말에 행해진 실험에서는 빛에 뭔가 특별한 것이 있음을 시사했습니다. 측정 결과, 빛은 무슨 일이 있어도 항상 같은 속도로 이동하는 것으로 나타났습니다. 그리고 1898년에 프랑스의 물리학자이자 수학자인 앙리 푸앵카레는 빛의 속도가 극복할 수 없는 한계일 수 있다고 추측했습니다. 같은 시기에 다른 연구자들은 물체의 속도에 따라 크기와 질량이 변할 가능성을 고려하고 있었습니다.

 

아인슈타인은 1905년 특수 상대성 이론에서 이 모든 아이디어를 하나로 묶어 빛의 속도가 일정하다고 가정했습니다. 이것이 사실이 되려면 공간과 시간이 모든 관찰자에게 빛의 속도를 동일하게 유지하도록 공모하는 단일 프레임워크로 결합되어야 했습니다. 초고속 로켓을 탄 사람은 훨씬 느린 속도로 여행하는 사람에 비해 느리게 움직이는 시간과 물체의 길이를 측정할 수 있습니다. 공간과 시간은 상대적이기 때문입니다. 즉, 관찰자의 속도에 따라 달라집니다. 그러나 빛의 속도는 이 둘보다 더 근본적입니다. 시공간이 하나의 조직이라는 결론은 아인슈타인이 스스로 도달한 결론이 아니었습니다. 이 아이디어는 독일 수학자 헤르만 민코프스키가 1908년 한 학회에서 "이제부터 공간 그 자체와 시간 그 자체는 단순한 그림자 속으로 사라질 운명에 처해 있으며, 둘의 일종의 결합만이 독립적인 현실을 보존할 것이다"라고 말한 것에서 나왔습니다. 그가 설명한 시공간은 여전히 민코프스키 시공간으로 알려져 있으며, 상대성 이론과 양자장 이론 모두에서 계산의 배경이 됩니다. 천체 물리학자이자 과학 작가인 에단 시겔에 따르면 후자는 아원자 입자의 역학을 장으로 설명합니다.

 

시공간이 작동하는 방식

요즘 사람들은 시공간을 이야기할 때 흔히 고무판과 같다고 표현합니다. 이것 역시 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발전시키면서 중력이 시공간 구조의 곡선에 기인한다는 사실을 깨달았을 때 나온 것입니다. 지구나 태양 또는 당신과 같은 거대한 물체는 시공간을 왜곡시켜 구부러지게 만듭니다. 물체는 이 뒤틀린 곡률을 따라 경로를 따라야 하기 때문에 이러한 곡선은 우주의 모든 것이 움직이는 방식을 제한합니다. 중력으로 인한 운동은 실제로 시공간이 뒤틀리고 회전하는 운동입니다.

 

중력 탐사선 B라는 나사의 임무는 2011년에 지구 주위의 시공간 소용돌이의 모양을 측정한 결과 그것이 아인슈타인의 예측과 밀접하게 일치한다는 것을 발견했습니다. 그러나 이 중 많은 부분은 대부분의 사람들이 머리를 감싸는데 여전히 어렵습니다. 시공간을 고무판과 유사하다고 논의할 수 있지만, 결국 그 비유는 무너집니다. 고무 시트는 2차원이지만, 시공간은 4차원입니다. 시트가 나타내는 것은 공간의 뒤틀림뿐만 아니라 시간의 뒤틀림이기도 합니다. 이 모든 것을 설명하는 데 사용되는 복잡한 방정식은 물리학자조차 다루기 까다롭습니다. 과학 학술지에 따르면 천체물리학자인 폴 M. 서터는 "아인슈타인은 아름다운 기계를 만들었지만, 우리에게 사용자 설명서를 남기지 않았다"라며, "정확하게 말하면 일반상대성이론은 너무 복잡해서 누군가가 방정식의 해를 발견하면 그 해의 이름을 따서 그 해의 이름을 얻게 되고 그 자체로 반쯤 전설적인 존재가 된다"라고 썼습니다.

 

과학자들이 시공간에 대해 아직도 모르는 것

복잡함에도 불구하고 상대성 이론은 우리가 알고 있는 물리적 현상을 설명하는 가장 좋은 방법으로 남아 있습니다. 그러나 과학자들은 상대성 이론이 아원자 입자의 특성을 극도로 정밀하게 설명하지만, 중력을 포함하지 않는 양자 역학과 아직 완전히 조화되지 않았기 때문에 자신의 모델이 불완전하다는 것을 알고 있습니다. 양자역학은 우주를 구성하는 작은 조각들이 이산적이거나 양자화되어 있다는 사실에 기초합니다. 따라서 빛을 구성하는 입자인 광자는 별개의 패킷으로 들어오는 작은 빛 덩어리와 같습니다. 일부 이론가들은 아마도 시공간 자체도 이러한 양자화된 덩어리로 나타나 상대성과 양자 역학을 연결하는 데 도움이 될 것이라고 추측했습니다. 유럽 우주국의 연구원들은 시공간 양자 탐사를 위한 감마선 천문학 국제 연구소 임무를 제안했습니다. 이 연구소는 지구 주위를 비행하고 감마선 폭발이라고 불리는 멀리 떨어져 있는 강력한 폭발을 매우 정확하게 측정합니다. 시공간의 본질을 가까이서 드러낼 수 있는 임무는 적어도 15년 동안은 발사되지 않을 것이지만, 만약 그렇다면 아마도 물리학에 남아 있는 가장 큰 미스터리 중 일부를 해결하는 데 도움이 될 것입니다.