▲별은 시공간 연속체를 왜곡시켜 중력 효과를 일으킨다.
수천 년 동안 우리는 우주를 응시하면서 그 이상한 특징에 대해 궁금해하고, 단순히 표면을 조사하면서 별과 행성, 태양과 달이 지구와 어떻게 관련되어 있는지 보려고 노력했습니다. 태양과 달의 움직임은 시간, 일, 달, 연도를 측정하는 하늘의 인간 시계입니다. 그러나 공간과 시간은 별개의 개념으로 취급됩니다. 그러나 20세기 초부터 우리와 공간, 시간의 관계는 변화하기 시작했다. 아인슈타인 이후 그 둘은 시공간 연속체로 밀접하게 통합되었으며, 우주 연구의 초점은 '거기에 무엇이 있는가'뿐만 아니라 우리 우주의 과거와 가능한 미래에도 있습니다.
시간 기록의 간략한 역사
하루의 흐름은 쉽게 알 수 있지만, 일 년 내내 변화의 패턴은 기록하고 세어보아야만 분명해집니다. 사람들이 시간을 추적했다는 최초의 증거는 약 20,000년 전으로 거슬러 올라갑니다. 사람들이 천체의 움직임을 추적하고 예측하는 방법을 배우면서 수학과 초기 천문학 지식이 등장했을 수도 있습니다.
▲ 물시계는 고대 그리스에서 시간을 측정하는 데 사용되었으며 [1] 이러한 유형의 물시계는 수천 년 동안 사용되었습니다.
하루의 경과를 측정하는 것은 초기에는 해시계의 바늘과 유사한 헬리오돈을 사용하여 이루어졌으며, 태양 측량의 진행 상황을 추적하기 위해 태양이 드리우는 그림자에 의존했습니다. 수천 년 동안 이것은 시간의 흐름을 나타내는 가장 좋은 지표였습니다. 나중에 17세기에 갈릴레오는 흔들리는 샹들리에를 자신의 맥박과 비교하여 주기적인 진자 운동을 발견했습니다. 진자는 완전한 스윙을 완료하는 데 항상 동일한 시간이 걸립니다. 스윙의 진폭이 감소함에 따라 진자의 운동은 주기를 일정하게 유지하기 위해 점차 느려집니다.
갈릴레오는 진자시계를 설계했지만 실제로는 만들어지지 않았습니다. 1656년 최초의 진자시계를 만든 사람은 크리스티안 호이겐스(Christian Huygens)였습니다. 나중에 로버트 훅(Robert Hooke)은 스프링의 자연 진동을 사용하여 기계식 시계의 작동을 제어했습니다. 기계적으로 시간을 측정하는 것은 1927년 뉴저지의 벨 전화 연구소에서 근무하던 캐나다 통신 엔지니어인 워렌 매리슨(Warren Marrison)이 회로에서 수정 진동을 사용하여 시간을 정확하게 측정할 수 있다는 사실을 발견하기 전까지는 표준이었습니다.
내일모레
시계는 인간의 삶에 매우 편리한 선형 시간을 측정하지만 전체 내용을 말해주지는 않습니다. 기원전 500년경 부처와 피타고라스는 시간이 비선형일 수 있다는 생각을 제안했습니다. 그들은 시간이 앞뒤로 움직일 수 있고 인간이 죽은 후에도 부활할 수 있다고 믿었습니다. 플라톤은 모든 것이 시작될 때 시간이 창조되었다고 믿었습니다. 그러나 아리스토텔레스에게 시간은 움직임이 있는 곳에서만 존재합니다. 철학자 Zeno (기원전 490년경 - 기원전 430년) [2]는 시간도 운동도 존재할 수 없음을 드러내는 것처럼 보이는 명백한 역설을 제안했습니다. 시간을 더 작은 부분으로 나눌수록 움직이는 화살표가 이동하는 거리가 짧아집니다. "이 순간"까지 화살표는 움직이지 않습니다. 하지만 그 상황에서는 화살표의 움직임이 전혀 없습니다. 왜냐하면 시간은 발생하지 않는 무한한 '순간'으로 구성되어 있기 때문입니다. 기독교 철학자 성 아우구스티노(354 AD - 430 AD)는 관찰하는 지성이 없으면 시간은 존재하지 않는다고 결론지었습니다. 왜냐하면 과거의 일에 대한 기억과 미래의 사건에 대한 기대만이 이 순간이 아닌 다른 시간에 존재할 수 있기 때문입니다.
▲ 기계식 시계의 작동은 시간을 정확하게 알려주는 첫 번째 방법을 제공합니다.
... 절대적이고 실제적인 수학적 시간은... 본질상 외부의 어떤 것과도 독립적으로 균일하게 전달됩니다.
——아이작 뉴턴
프랑스 수학자 니콜 오레스메(1323-1382)는 천구의 시간, 즉 천체의 움직임으로 측정되는 시간이 측정 가능한지, 즉 천체의 움직임을 정수로 측정할 수 있는 단위가 있는지 물었습니다. 그는 지성 있는 창조자는 의심할 바 없이 이런 식으로 행동할 것이라고 제안했지만, 공통 단위가 없다는 것은 하나님이 존재하지 않는다는 것을 의미한다는 것을 깨닫지 못했습니다.
▲성 어거스틴
공간과 시간의 결혼
시간에 대한 우리의 개인적인 경험은 간단합니다. 시간은 과거에서 현재를 거쳐 미래로 흐른다. 과거를 되돌아보는 것도, 앞으로 도약하는 것도, 현재를 동결시키는 것도 불가능하다. 일정한 속도로 한 방향으로 움직입니다. 수천 년 동안 우리는 이것이 시간의 본질이라고 가정해 왔다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 그렇지 않을 수도 있습니다.
모든 것은 상대적이다
모든 움직임은 관찰자의 위치나 움직임에 상대적입니다. 따라서 귀하가 방을 가로질러 걸을 때 방에 정지해 있는 누군가가 귀하의 속도를 시속 약 5km(시속 3마일)로 판단할 수 있습니다. 당신과 관찰자는 실제로 거의 초당 30킬로미터(초당 19마일)의 선형 속도로 공간을 통해 이동하는 회전하는 지구에 있지만, 방을 가로지르는 당신의 움직임만 관찰됩니다. 그러나 먼 행성에 있는 관찰자는 (좋은 망원경을 가지고) 지구의 자전과 공전도 볼 수 있습니다. (갈릴레오는 망원경을 통해 지구를 보는 외계인이 아니라 해안에서 배에 있는 사람들을 보는 관찰자들에 대해 이야기하고 있었지만 이를 알고 있었습니다.) 따라서 물체가 움직이는 속도는 기준틀에 따라 달라집니다. 움직임은 다른 물체나 관찰자가 측정한 것에 대해서만 상대적일 수 있습니다. 기준틀은 위에서 언급한 방, 배, 행성 또는 은하계일 수 있습니다.
중력을 극한까지 끌어올리다: 블랙홀
블랙홀은 공간과 시간의 "특이점"입니다. 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나오지 못하고, 너무 가까이 다가가면 무엇이든 빨려 들어가는 곳이다. 별이 극도로 작은 크기로 붕괴되면 밀도가 매우 높은 블랙홀이 형성될 수 있으며, 어떤 경우에는 원자핵보다 크지 않을 수도 있습니다. 블랙홀을 떠나는 데 필요한 탈출 속도는 빛의 속도보다 빠릅니다. 블랙홀의 크기를 측정하는 척도는 사건의 지평선, 즉 아무것도 탈출할 수 없는 경계입니다. 블랙홀에 빠진 우주비행사는 사건의 지평선을 넘어갈 때 이상한 점을 전혀 눈치채지 못할 수도 있지만, 외부의 관찰자는 그 사람의 시간이 느려지는 것을 볼 수 있습니다. 사건의 지평선 가장자리에서는 시간이 정지된 것처럼 보입니다.
블랙홀의 개념(이름은 아님)은 1795년 피에르 사이먼 라플라스(Pierre-Simon Laplace)와 1784년 영국 철학자 존 미셸(1724-1793) 두 사람에 의해 처음으로 독립적으로 제안되었습니다.
밀도가 너무 높고 중력이 너무 강해서 어떤 빛도 빠져나올 수 없는 별을 미셸은 '어두운 별'이라고 부릅니다. 1916년, 그가 죽기 직전, 독일의 물리학자 카를 슈바르츠실트(1873-1916)는 별과 붕괴하는 별의 중력장을 계산하면서 이 아이디어를 되살렸습니다. 블랙홀이라는 용어는 1967년 미국의 이론 물리학자 존 아치볼드 휠러(1911~2008)가 우주론자들이 블랙홀의 존재 신호를 처음 발견하면서 만들어낸 용어이다.
아인슈타인은 이 기본 규칙에서 예외인 빛을 발견했으며, 관찰자가 아무리 빠르게 움직이더라도 빛의 속도는 항상 동일하다고 말했습니다. 그는 당신이 아무리 빨리 움직이더라도 당신을 지나가는 빛의 광선의 속도는 초당 299,792,458미터라고 설명했습니다. [4]. 빛의 속도는 일정하기 때문에 다른 것들은 일정할 수 없습니다. 그중 하나가 시간입니다. 실제로 우리가 빛의 속도에 가까워질수록 시간은 느려지고 거리도 줄어듭니다. 아인슈타인의 견해는 1971년에 확인되었습니다. 고속 항공기에 탑재된 원자시계는 지상에 정지해 있는 동일한 원자시계가 기록한 것보다 약간 더 짧은 시간을 기록합니다. 그러나 고속 비행기를 타는 것은 수명을 연장하는 좋은 방법이 아닙니다. 1초를 절약하려면 전 세계를 18억 번이나 여행해야 합니다.
▲왼쪽 아래 밝은 점은 허블 망원경으로 포착한 초신성이다.
1915년에 발표된 아인슈타인 , 마치 신축성 있는 담요에 공을 던지면 움푹 들어간 부분이 생깁니다. 이러한 굽힘에 반응하여 다른 물체와 빛이 움직이는 방식을 우리는 중력 효과라고 설명합니다. 따라서 작은 공이 카펫 위의 큰 공이 만든 오목한 부분을 향해 자연스럽게 굴러가는 것처럼, 공간의 작은 물체는 시공간 곡률의 제약을 받아 자연스럽게 큰 물체 쪽으로 끌리게 됩니다. 이러한 종류의 곡률은 아인슈타인의 아이디어가 그가 죽은 후인 1867년부터 1868년까지 출판되기 오래전에 독일의 수학자 베른하르트 라이만(1826-1866)에 의해 제안되었습니다. 그러나 아인슈타인은 리만보다 더 나아가 이 곡률을 설명하고 예측하는 방정식을 생각해 냈습니다.
아주 먼 옛날
공간에 대한 우리의 관심이 시간 및 빛의 속도와 얽히는 덜 이론적이거나 복잡한 또 다른 방식이 있습니다. 별을 볼 때 그 빛이 우리에게 도달하는 데 시간이 걸리기 때문에 우리는 별을 예전의 모습으로 봅니다. 심지어 태양의 빛도 우리가 보기 8분 전에 방출되었습니다. 2분 전에 해가 졌다면 우리는 다가오는 재난을 알지 못한 채 6분 동안 여전히 빛나고 있는 것을 보았을 것입니다.
태양계에 가장 가까운 별은 프록시마 센터우리(Proxima Centauri)이며, 이 별에서 나오는 빛이 우리에게 도달하는 데 4년 3개월이 걸립니다. 1988년에 처음 발견된 초신성은 지금까지 발견된 별 중 가장 밝은 별 중 하나입니다. 초신성은 별의 죽음을 의미하므로, 초신성이 발생하면 별은 더 이상 존재하지 않게 됩니다. 50억 광년 떨어져 있으므로 1988년에 본 빛은 별이 50억 년 전에, 심지어 우리 태양계가 형성되기 전에 죽었다는 것을 의미합니다. 1604년에 케플러와 갈릴레오가 목격한 초신성은 약 20,000광년 떨어져 있었습니다. 따라서 매머드가 얼어붙은 대륙을 돌아다닐 무렵에는 그 별은 더 이상 존재하지 않았습니다.
처음으로 돌아가기
물론 별과 행성이 무엇인지 아는 사람이 아무도 없으면 그것이 어떻게 거기에 이르렀는지 말하기가 어렵고 몇 가지 주목할만한 예외를 제외하고 대부분의 문화에서는 그 문제를 종교에 맡깁니다. 제임스 어셔(James Ussher) 대주교(1581-1656)는 성경에 기록된 족보를 바탕으로 창조연대(우주의 나이를 추정할 수 있는 날짜)를 기원전 4004년 10월 22일로 계산했다. 다른 많은 문명에서는 자신만의 창조 날짜를 제안했습니다. 마야인이 제시한 창조 날짜는 기원전 3114년 8월 11일로 해석됩니다. 유대교에서는 창조일을 기원전 3760년 9월 22일 또는 3월 29일로 설정합니다. 힌두 푸라나(Puranas)는 다른 방향으로 나아가 창조 시간을 158조 7000억 년 전으로 끌어올렸다. 다른 사람들은 우주가 항상 거기에 있었다고 제안합니다. 예를 들어, 아리스토텔레스는 우주가 유한하지만 영원하다고 믿었습니다.
혼돈에서
아낙사고라스는 기원전 5세기에 우주가 미분화된 불활성 물질 덩어리로 시작되었다고 제안했습니다. 아무 일도 일어나지 않는 무한한 시간이 지난 어느 시점에서 영(우주의 자연법칙에 대한 그의 비유)이 이 문제에 작용하기 시작하여 소용돌이 운동을 일으킵니다. 이 우주 모델은 현대 천문학자들이 개발한 것과 크게 다르지 않습니다. 거대한 먼지 구름이 행성 전 원반에 합쳐져 태양계가 형성되었고, 중력에 의해 제공되는 구심력을 통해 행성이 형성되었습니다. Anaxagoras는 단순히 논리적 추론(및 많은 상상력)의 도움으로 작업했습니다.
철학자 데모크리토스(Democritus)와 레우키포스(Leucippus)(기원전 5세기)는 자이로스코프 운동이 원자를 유도하여 물질을 형성할 때 우주가 형성되었다고 믿었습니다. 우주는 시간과 공간이 무한하고 무한한 수의 원자를 포함하고 있기 때문에 모든 가능한 세계와 원자 구성이 존재할 것입니다. 따라서 우리의 세계와 인간의 존재는 특별한 것이 아니라 자연스러운 것입니다. 모든 것이 끊임없이 변화하기 때문에 우주는 탄생하고 결국에는 붕괴될 것이며, 그 불멸의 원자는 새로운 우주에서 다시 제 역할을 하게 될 것입니다. 우리는 짧은 시간 동안에도 죽은 별 시스템의 원자가 결국 재활용된다는 것을 알고 있습니다.
▲데카르트는 공간을 여러 영역으로 나누었고, 각 영역은 중심을 중심으로 회전하는 입자를 포함합니다, 1644
르네 데카르트는 공간이 비어 있지 않고 소용돌이 또는 소용돌이에서 소용돌이치는 물질로 채워져 나중에 중력 효과로 알려진 효과를 생성하는 "소용돌이" 우주를 설명했습니다. 1687년에 뉴턴은 물질이 (대규모로) 고르게 분포되어 있는 정적이고 무한한 정상 상태 우주를 제안했습니다. 그의 우주는 중력적으로 균형을 이루고 있지만 불안정합니다. 이는 20세기까지 과학적 모델로 계속 이어졌습니다. 아인슈타인조차도 다르게 입증된 것이 발견될 때까지 이를 당연한 것으로 받아들였습니다.
기원전 3세기 그리스 스토아 철학자들은 우주가 영원히 유동하는 상태에서 무한한 공허로 둘러싸인 섬과 같다고 믿었습니다. 스토아학파의 우주는 리드미컬하게 뛰고 크기가 변했으며 주기적인 격변과 화재를 겪었습니다. 모든 부분은 서로 연결되어 있기 때문에 한 곳에서 일어나는 일은 다른 곳에서 일어나는 일에 영향을 미치며, 이는 양자 얽힘에 반영되는 환상적인 아이디어입니다.
현대 우주 모델
아인슈타인의 일반 상대성 이론 방정식의 한 가지 특징은 "손재주"에 의지하지 않고는 정적인 우주를 설명할 수 없다는 것입니다. 아인슈타인은 우주가 정적이라고 믿었기 때문에 방정식이 작동하도록 방정식에 "우주 상수"를 추가했습니다. 그러나 다른 사람들은 아인슈타인의 방정식을 다르게 해석했습니다. 팽창하는 우주를 제안한 최초의 사람은 러시아의 우주학자이자 수학자인 알렉산더 프리드만(Alexander Friedmann, 1888-1925)이었습니다. 아인슈타인의 상대성 방정식을 사용하여 프리드만은 1922년 논문에서 팽창하는 우주의 수학적 모델을 제안했습니다. 그는 크리미아에서 휴가를 보내던 중 장티푸스에 걸려 불과 37세의 나이에 사망했으며 그의 업적은 크게 무시되었습니다. 아인슈타인은 프리드먼의 논문을 읽은 몇 안 되는 사람 중 한 명이었지만 그는 아무 생각 없이 그 논문을 무시했습니다. 그러나 프리드만을 뒷받침하는 증거가 나타난 후 아인슈타인은 자신의 초기 모델을 거부하고 우주 상수를 포기해야 했습니다.
적색 편이
별이 방출하는 빛에 대한 스펙트럼 분석을 수행하면 별이 관찰자에게 가까이 있으면 빛이 스펙트럼의 파란색 띠로 "압착"되는 것을 볼 수 있습니다(파란색 이동). 관찰자는 빛이 스펙트럼 전체에 걸쳐 "늘어나는" 것을 볼 수 있습니다(적색 편이). 이것을 도플러 효과라고 합니다. 음파에도 동일한 효과가 발생합니다. 경찰차가 청취자에게 가까울수록 음파가 압축되기 때문에 사이렌의 음조가 더 높게 들립니다. 경찰차가 멀어지면 음파가 발생하기 때문에 사이렌의 음조가 낮아집니다. 뻗어있다. 그러나 허블이 관측한 적색 편의는 은하의 별들의 움직임으로 인한 도플러 효과 때문이 아닙니다(이로 인해 적색 편의가 발생할 수도 있음). 대신, 그것은 우리 은하계와 먼 은하계 사이의 공간이 늘어나면서 발생하며, 이것이 바로 우주가 팽창하는 방식입니다. 늘어난 공간을 통과하는 빛의 파장도 늘어납니다. 빛의 파장이 길수록 색이 붉어지므로 적색 편의가 발생합니다. 이것이 적색편이의 존재가 팽창하는 우주의 증거인 이유이다. 1917년에 미국의 천문학자 베스토 슬리퍼(1875-1969)는 먼 은하계의 적색편이를 최초로 측정하고 기술했습니다. 그러나 적색 편의의 보편성과 가장 멀리 떨어진 은하가 가장 빠르게 멀어진다는 사실을 발견한 사람은 허블이었습니다. 허블은 이 사실을 "은하 외 성운 사이의 거리와 시선 속도의 관계"라는 논문에 써서 출판했습니다.
▲빛의 파동이 스펙트럼의 빨간색 끝쪽으로 이동하는지 파란색 끝쪽으로 이동하는지 여부는 파동의 소스가 관찰자로부터 멀어지는지, 가까워지는지에 따라 달라집니다.
1929년에 미국의 천문학자 에드윈 허블(1889-1953)은 모든 방향의 먼 은하들이 우리 우주 영역에서 멀어지고 있음을 확인했습니다. 허블은 이들 은하에 대한 스펙트럼 분석을 수행하여 그 빛이 소위 "적색 편이"라고 불리는 스펙트럼의 적색 끝 쪽으로 이동한다는 사실을 발견했습니다. 이러한 발견은 우주가 실제로 팽창하고 있다는 증거로 받아들여졌습니다. 아인슈타인은 이제 일반적으로 프리드만의 모델을 받아들였지만, 빅뱅 이후 우주는 팽창과 수축 사이에서 진동할 것이며, 중력은 결국 모든 물질을 다시 끌어당겨 빅 크런치와 특이점을 일으키며, 이 특이점은 또 다른 큰 폭발로 폭발할 것이라고 믿었습니다. 이 주기는 영원히 계속되지만 시간은 공간을 따르기 때문에 공간과 시간 모두 시작이나 끝이 없습니다 (또는 어떻게 보려는지에 따라 시작과 끝이 무한합니다).
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