Albert Einstein의 세기 오래된 통찰력의 화려한 과일은 이제 인기있는 상상력에 깊이 포함되어 있습니다. 블랙홀, 타임 워프 및 웜홀은 영화, 서적, TV 쇼의 줄거리로 정기적으로 나타납니다. 동시에, 그들은 최첨단 연구에 연료를 공급하여 물리학자가 공간, 시간, 심지어 정보 자체의 본질에 대한 의문을 제기하도록 돕습니다.
아마도 아이러니하게도 아인슈타인의 유산에서 가장 혁명적 인 부분은 거의 주목을받지 않습니다. 그것은 중력파, 블랙홀의 당기기 또는 심지어 쿼크의 매력이 없습니다. 그러나이 모든 이국적인 현상의 커튼 바로 뒤에 숨어있는 것은 레버를 당기고, 조각이 어떻게 맞는 지 보여주고 앞으로 경로를 밝히는 기만적으로 간단한 아이디어입니다.
아이디어는 이것입니다. 일부 변화는 아무것도 바꾸지 않습니다. 자연의 가장 근본적인 측면은 예상치 못한 방식으로 모양으로 보이는 것처럼 동일하게 유지됩니다. 아인슈타인의 1905 년 상대성에 관한 논문은 에너지와 질량 자체가 크게 다른 형태를 취할 수 있지만 에너지와 질량의 관계는 변하지 않는다는 틀림없이 결론을 내렸다. 태양 에너지는 지구에 도착하여 녹색 잎의 형태로 질량이되어 우리가 먹고 생각할 수있는 음식을 만듭니다. (“우리의 마음은 무엇입니까? 의식이있는이 원자는 무엇입니까?”Richard Feynman 후기에 물었다.“지난 주 감자!”) 그것이 e 의 의미입니다. = MC . “ c ”는 빛의 속도, 매우 많은 수를 의미하므로 막대한 양의 에너지를 생산하는 데 큰 도움이되지 않습니다. 사실, 태양은 매 초마다 수백만 톤의 질량을 에너지로 바꿉니다.
이 끝없는 물질을 에너지로 (그리고 그 반대도 마찬가지)는 우주, 물질, 생명을 강화합니다. 그러나 모든 것을 통해 우주의 에너지가있는 내용은 결코 변하지 않습니다. 이상하지만 사실 :물질과 에너지 자체는 그들 사이의 근본적인 관계보다 덜 근본적입니다.
우리는 현실의 핵심으로 관계가 아니라 사물을 생각하는 경향이 있습니다. 그러나 가장 자주, 그 반대는 사실입니다. 브라운 대학 물리학 자 Stephon Alexander가 말했다.
.아인슈타인은 공간과 시간과 같은“물건”에 대해 마찬가지로 마찬가지입니다. 사실, 우주 계약과 시간이 확장되는 경우에도 항상 동일하게 유지되는 공간과 시간의 관계입니다. 에너지와 물질과 마찬가지로 공간과 시간은 더 깊고 흔들리지 않는 기초의 변이 가능한 표현입니다.
“아인슈타인의 깊은 견해는 공간과 시간이 기본적으로 일어나는 일들 사이의 관계에 의해 기본적으로 구축된다는 것이 었습니다.
결국 아인슈타인의 유산에 가장 중요한 관계는 대칭이었습니다. 과학자들은 종종 대칭을 실제로 변화시키지 않는 변화, 차이를 만들지 않는 차이, 깊은 관계를 변하지 않는 변화로 묘사합니다. 예는 일상 생활에서 쉽게 찾을 수 있습니다. 눈송이를 60도 회전시킬 수 있으며 동일하게 보입니다. Teeter-Totter의 장소를 전환하고 잔액을 화나게 할 수 있습니다. 더 복잡한 대칭은 물리학 자들이 중성미자에서 쿼크에 이르기까지 모든 것을 발견하게 만들었습니다. 그들은 심지어 중력이 시공간의 곡률이라는 아인슈타인 자신의 발견으로 이어졌습니다.
지난 수십 년 동안, 일부 물리학 자들은 대칭에 초점을 맞추는 것이 여전히 예전만큼 생산적인지 의문을 가지기 시작했습니다. 대칭에 기초한 이론에 의해 예측 된 새로운 입자는 기대했던대로 실험에 나타나지 않았으며, 검출 된 Higgs Boson은 알려진 대칭 체계에 맞지 않기에는 너무 가벼웠다. 대칭은 아직 중력이 왜 그렇게 약한 지, 왜 진공 에너지가 그렇게 작은지, 왜 암흑 물질이 투명하게 남아 있는지 설명하는 데 도움이되지 않았습니다.
펜실베니아 대학교 (Pennsylvania) 대학의 물리학 자 Justin Khoury는“입자 물리학에는 자연에 대한 우리의 설명의 근원에 있다는이 편견이있었습니다. “그 아이디어는 매우 강력했습니다. 하지만 누가 알 겠어요? 어쩌면 우리는 정말 잘 작동 한 아름답고 소중한 원칙을 포기해야 할 것입니다. 그래서 지금은 매우 흥미로운 시간입니다.”
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아인슈타인은 1905 년에 첫 상대성 논문을 썼을 때 불변이나 대칭에 대해 생각하지 않았지만 역사가들은 스위스 특허청에서 고용하는 동안 물리학 공동체와의 격리가 사람들이 당연히 받아 들인 불필요한 함정을 지나치게 도와 주었다고 추측합니다.
.그의 당시의 다른 물리학 자들과 마찬가지로 아인슈타인은 몇 가지 겉보기에 관련이없는 퍼즐을 숙고하고있었습니다. 제임스 서기 맥스웰 (James Clerk Maxwell)의 방정식은 전기장과 자기장 사이의 친밀한 연결이 관찰자가 움직이든 휴식을 취하든 다른 참조 프레임에서 매우 다르게 보였다. 더욱이, 전자기장이 공간을 통해 전파되는 속도는 실험에 의해 반복적으로 측정 된 빛의 속도와 거의 정확하게 일치했습니다. 관찰자가 빛을 향해 달려 가거나 그로부터 돌진 할 수 있으며 속도는 변하지 않았습니다.
아인슈타인은 점을 연결했습니다. 빛의 속도는 전기장과 자기장 사이의 대칭 관계의 측정 가능한 표현이었습니다. 즉, 공간 자체보다 더 근본적인 개념입니다. 빛은 자체가 전자기장 이었기 때문에 여행 할 것이 필요하지 않았습니다. Isaac Newton이 발명 한 정적 "빈 공간"인“At Rest”의 개념은 불필요하고 무의미했습니다. 보편적 인 "여기"또는 "지금"은 없었습니다. 이벤트는 한 관찰자에게 동시에 나타날 수 있지만 다른 관찰자는 아니며 두 관점 모두 정확합니다.
광선을 쫓는 것은 또 다른 호기심 많은 영향을 미쳤습니다. 아인슈타인의 두 번째 상대성 논문의 주제 인“신체의 관성은 에너지 함량에 의존합니까?” 대답은 그렇습니다. 더 빨리 추격할수록 더 빨리 가기가 더 어려워집니다. 변화에 대한 저항은 빛의 속도에서 무한합니다. 그 저항은 관성이고 관성은 질량의 척도이기 때문에 운동의 에너지는 질량으로 변형됩니다. 아인슈타인은“질량과 에너지 사이에는 필수적인 차이가 없습니다.
아인슈타인은 공간과 시간이 단일 시공간 직물의 불가분의 관계로 짜여진 스레드라는 것을 받아들이는 데 몇 년이 걸렸으며, 풀기가 불가능합니다. 매사추세츠 공과 대학의 물리학 자이자 과학 역사가 인 데이비드 카이저 (David Kaiser)는“그는 여전히 완전히 통일 된 시공간의 방식으로 생각하지 않았다”고 말했다.
통일 된 시공간은 우리의 마음을 감싸는 어려운 개념입니다. 그러나 우리가“속도”의 진정한 의미에 대해 생각하면 이해하기 시작합니다. 어떤 속도와 마찬가지로 빛의 속도는 관계입니다. 시간이 지남에 따라 이동하는 거리. 그러나 빛의 속도는 변할 수 없기 때문에 특별합니다. 레이저 빔은 과속 위성에서 촬영 되었기 때문에 더 빨리 발전하지 않습니다. 따라서 거리와 시간의 측정은 자신의 움직임 상태에 따라 대신 변경되어 "공간 수축"및 "시간 확장"으로 알려진 효과로 이어집니다. 불변은 이것입니다. 두 사람이 서로에 대해 얼마나 빨리 여행하든 항상 동일한 "시공간 간격"을 측정합니다. 책상에 앉아 시간이 지남에 따라 공간을 거의 겪지 않습니다. 우주 광선은 거의 빛의 속도로 광대 한 거리에서 날아 다니지 만 거의 시간이 없어서 젊은이가 남아 있습니다. 관계는 사물을 어떻게 전환하든 변하지 않습니다.
gravity
아인슈타인의 특별한 상대성 이론은 우선적으로 "특별한"이론은 지구로 떨어지는 물체의 움직임과 같은 움직임을 가속화하지 않고 시공간을 통해 안정되고 변하지 않는 움직임에만 적용되기 때문입니다. 아인슈타인은 그의 이론에 중력이 포함되지 않았으며, 그것을 포함시키기위한 그의 투쟁은 그의 사고의 중심에 대칭을 만들었다. Kaiser는“일반 상대성 이론에 완전히 참여할 때, 그는 모든 관찰자들과 동일 해야하는 불변의 개념과 시공간 간격에 훨씬 더 많은 투자를하고있다”고 말했다.
구체적으로, 아인슈타인은 차이를 만들지 않는 차이, 의미가없는 대칭으로 당황했습니다. 갈릴레오가 피사 (Pisa)의 탑에서 가볍고 무거운 공을 떨어 뜨려 (적어도 묵시적으로) 시연 한 것처럼 거의 마술처럼지면을 동시에 쳤다는 것을 알기 위해 뭉친 종이와 무거운 열쇠 세트를 나란히 떨어 뜨리는 것은 여전히 놀랍습니다. 중력의 힘이 질량에 의존하면 물체가 더 큰 대상이 될수록 현명하게 떨어질 것입니다. 설명 할 수 없을 정도로, 그렇지 않습니다.
주요 통찰력은 그의 유명한 사고 실험 중 하나에서 아인슈타인에게 왔습니다. 그는 한 남자가 건물에서 떨어지는 것을 상상했다. 그 남자는 땅이 길을 갈 때까지 우주의 우주 비행사만큼 행복하게 떠 다니고있을 것입니다. 아인슈타인은 자유롭게 떨어지는 사람이 무중력을 느낄 것이라는 것을 깨달았을 때, 그 발견은 자신의 삶에 대한 가장 행복한 생각이라고 묘사했습니다. 그가 일반 상대성 이론의 수학적 세부 사항을 고정시키는 데 시간이 걸렸지 만, 중력의 수수께끼는 중력이 지구와 같은 거대한 물체에 의해 생성 된 시공간 자체의 곡률임을 보여 주면 해결되었습니다. 아인슈타인의 가상 남자 나 갈릴레오의 공과 같은 근처의“떨어지는”물건은 단순히 그들을 위해 조각 된 시공간 길을 따릅니다.
특수 버전 10 년 후 일반 상대성 이론이 처음 출판되었을 때, 문제가 발생했습니다. 시공간 시공간에서 에너지가 보존되지 않을 수 있습니다. 자연의 특정 수량은 항상 보존되는 것으로 잘 알려져 있습니다. 수학 연금술의 놀라운 위업에서 독일 수학자 에미 노에 터 (Emmy Noether)는 이러한 보존 된 양이 특정 대칭과 관련이 있음을 증명했습니다.
Noether는 일반적인 상대성 이론의 대칭 (다른 기준 프레임 사이의 변형 하에서 불변성)의 대칭이 에너지가 항상 보존되도록 보장한다는 것을 보여 주었다. 아인슈타인의 이론은 저장되었습니다. Noether와 Symmetry는 그 이후로 물리학의 중심 무대를 점령했습니다.
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아인슈타인 이후, 대칭의 당김은 더욱 강력 해졌다. Paul Dirac은 특수 상대성 이론의 대칭 요구 사항과 양자 역학을 호환하려고 시도한 Paul Dirac은 책의 균형을 맞추기 위해“반물질”이 존재해야한다는 방정식에서 마이너스 부호를 발견했습니다. 그렇습니다. 얼마 후, Wolfgang Pauli는 방사성 입자의 붕괴 동안 누락 된 에너지를 설명하기 위해, 아마도 누락 된 에너지가 알려지지 않은 애매한 입자에 의해 쫓겨 났다고 추측했다. 그것은 그 입자 였고 그 입자는 중성미자입니다.
1950 년대부터 불변은 자신의 삶을 살았으며 카이저가 시공간의 대칭으로부터 말한 것처럼“도약”이되었다. Kaiser는“게이지”불변으로 알려진이 새로운 대칭은“세상을 제공하는”매우 생산적이되었다고 Kaiser는 말했다. "우리는 대칭이 너무 근본적인 대칭이 있다고 생각하기 때문에 모든 비용으로 보호되어야하는 대칭이기 때문에 새로운 것을 발명했습니다." 게이지 대칭은“다른 성분을 소개 해야하는 다른 성분을 지시합니다.” 120도 회전에서 변하지 않는 삼각형은 3 개의 동일한면을 가져야한다고 말하는 것과 거의 같은 종류의 대칭입니다.
게이지 대칭은 세상을 채우는 입자 시스템의 내부 구조를 설명합니다. 그들은 물리학 자들이 중요한 것을 변화시키지 않으면 서 방정식을 바꾸고, 회전하고, 왜곡하며 일반적으로 엉망으로 만들 수있는 모든 방법을 나타냅니다. 알렉산더는“대칭은 당신이 물건을 뒤집을 수있는 방법을 알려주고, 힘의 작동 방식을 바꾸고, 아무것도 바꾸지 않는다”고 말했다. 결과는 자연의 기본 성분을 지원하는 숨겨진 발판을 엿볼 수 있습니다.
게이지 대칭의 추상성은 일부 분기에서 특정 불안을 유발합니다. Dijkgraaf는“전체 장치를 볼 수 없으며 결과 만 볼 수 있습니다. "게이지 대칭으로는 여전히 많은 혼란이 있다고 생각합니다."
문제를 해결하기 위해 게이지 대칭은 펜실베이니아 대학교 (University of Pennsylvania)의 물리학자인 마크 트로든 (Mark Trodden)이 말한 것처럼 단일 물리 시스템을 설명하는 다양한 방법을 생성합니다. Trodden 은이 이론 의이 속성은“매우 복잡한”계산을 렌더링합니다. 계산 페이지와 페이지는 매우 간단한 답변으로 이어집니다. “그리고 그것은 당신이 궁금해합니다. 왜? 중간의 모든 복잡성은 어디에서 왔습니까? 그리고 그것에 대한 가능한 한 가지 가능한 대답은 게이지 대칭이 당신에게 제공하는이 중복 설명입니다.”
.이러한 내부 복잡성은 대칭이 정상적으로 제공하는 것과 반대입니다 :단순성. Dijkgraaf는“타일링 패턴을 반복하는 타일링 패턴으로“조금만 살펴보면 나머지 부분을 예측할 수 있습니다”라고 Dijkgraaf는 말했습니다. 에너지 보존을위한 한 가지 법이 필요하지 않으며, 하나만 할 수있는 문제에 대해서는 다른 법칙이 필요하지 않습니다. 우주는 대규모로 균질하다는 점에서 대칭 적입니다. 왼쪽 또는 오른쪽, 위 또는 아래가 없습니다. Khoury는“그렇지 않으면 우주론은 큰 혼란이 될 것입니다.
깨진 대칭
가장 큰 문제는 현재 이해되는 대칭이 물리학에서 가장 큰 질문에 대답하지 못하는 것 같습니다. 사실, 대칭은 물리학 자들에게 히그 스 보손과 중력 파도를 어디에서 찾아야하는지, 그리고 지난 10 년간의 두 가지 중대한 발견. 동시에, 대칭 기반 추론은 우주의 누락 된 암흑 물질로 작용할 수있는“초대칭”입자를 포함하여 어떤 실험에도 나타나지 않은 많은 것들을 예측했으며, 전자기 및 다른 모든 힘에 비해 중력이 왜 그렇게 약한 지 설명했습니다.
.어떤 경우에는 자연의 기본 법칙에 존재하는 대칭이 실제로 깨진 것으로 보인다. 예를 들어, 에너지가 좋은 오래된 e 을 통해 물질에 고정 될 때 = MC 결과는 동일한 양의 물질과 반물질 - 대칭입니다. 그러나 빅뱅의 에너지가 물질과 반물질을 동등하게 만들어 냈다면, 그들은 서로를 소멸 시켜서 뒤에 물질의 흔적을 남기지 않아야합니다. 그러나 우리는 여기 있습니다.
우주의 초기 뜨거운 순간에 존재했던 완벽한 대칭은 어떻게 든 식히면서 파괴되었다. (눈송이는 6 가지 방향으로 동일하게 보일 수 있지만 녹은 눈송이는 모든 방향에서 동일하게 보입니다.)
Trodden은“모든 사람이 자발적으로 부러진 대칭에 관심이 있습니다. "자연의 법칙은 대칭을 준수하지만 관심있는 솔루션은 그렇지 않습니다."
.그러나 물질과 반물질 사이의 대칭은 무엇입니까?
아인슈타인 이전에 사람들을 잘못 인도 한“빈 공간”이라는 개념과 마찬가지로 오늘날 물리학이 불필요한 비계에 부담을주는 것으로 판명되면 아무도 놀라운 일이 될 것입니다. 오늘날의 잘못된 방향은 적어도 현재 이해 된대로 대칭 자체에 대한 집착과 관련이있을 수도 있습니다.
.Dijkgraaf는“이러한 이중성에는 차원의 수가 포함되어 있습니다. 우리는 변하지 않는 것으로 생각합니다. 모든 승무원 계산과 함께 두 가지 동등한 설명이 존재하면“매우 깊고 거의 철학적 인 요점 :물리적 현실을 설명하는 변하지 않는 방법이 있습니까?”
어느 누구도 곧 대칭을 포기하지 않고 부분적으로는 너무 강력하고 또한 많은 물리학 자에게“자연스도”를 포기하는 것을 의미하기 때문에 일부는 우주가 이유를 위해 정확히 그대로되어야한다는 생각을 의미하기 때문에 가구는 다른 방식으로 상상할 수 없었습니다.
. .분명히, 행성의 궤도와 같은 자연의 일부 측면은 대칭이 아닌 역사와 사고의 결과입니다. 생물학적 진화는 알려진 메커니즘과 기회의 조합입니다. 아마도 Max Born은 아인슈타인의 지속적인 반대에 반응했을 때 옳았을 것이다.
물리학의 특정 측면은 손상되지 않아야합니다 - 예를 들어 인과 관계. 알렉산더는“효과는 원인보다 우선 할 수 없다”고 말했다. 다른 것들은 거의 확실하지 않을 것입니다.
미래에 핵심적인 역할을하지 않는 한 가지 측면은 아인슈타인의 작품을 근거로 한 빛의 속도입니다. 한 세기 전에 시공간 아인슈타인의 부드러운 직물은 필연적으로 블랙홀 내부와 빅뱅의 순간에 찢어지게됩니다. 알렉산더는“시공간이 무너지면 빛의 속도는 일정하게 유지 될 수 없다”고 말했다. "시공간이 무너지면 변하지 않는 것은 무엇입니까?"
특정 이원성은 시공간이 더 기본적인 것, 그리고 모든 것의 가장 이상한 관계에서 나오는 것을 제안합니다. 아인슈타인이 얽힌 양자 입자 사이의“으스스한”연결이라고 불렀습니다. 많은 연구자들은 이러한 장거리 링크가 시공간에 스티치를 함께 링크한다고 생각합니다. Kaiser가 말한 것처럼,“시공간 연속체와 같은 것이 얽힘 관계를 포함하여보다 근본적인 관계의 2 차 효과로 나타날 수 있기를 바랍니다.” 이 경우 그는 고전적이고 지속적인 시공간 시간이“환상”이 될 것이라고 말했다.
.새로운 아이디어의 높은 기준은 양자 역학 및 상대성과 같은 지속적으로 신뢰할 수있는 이론과 모순 될 수 없다는 것입니다.
아인슈타인은 한때 새로운 이론을 세우는 것과 산을 오르는 것과 비교했습니다. 더 높은 관점에서, 당신은 오래된 이론이 여전히 서있는 것을 볼 수 있지만, 그것이 바뀌고, 더 크고 더 포괄적 인 풍경에 맞는 위치를 볼 수 있습니다. Feynman이 제안한 것처럼 지난주 감자와 함께 미래의 사상가들은 양자 얽힘으로 인코딩 된 정보를 사용하여 물리학을 숙고 할 수 있습니다.
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