물리학은 종종 당황 스럽지만 한 가지 원칙은 에너지 보존 법칙입니다. 세상에는 금액이 바뀌지 않는“에너지”라는 것이 포함되어 있습니다. 그것은 형태를 바꾸거나 한 신체에서 다른 신체로 갈 수 있지만 총액은 일정하게 유지됩니다. 잘 알고있는 축구의 아크에서 자동차 엔진 퍼링에 이르기까지 모든 것은이 법에 달려 있습니다. 그것은 에너지를 소중한 상품으로 만들고, 계산하고, 비축하고, 싸웠습니다.
우리 물리학 자들은 우리 몸이 에너지를 사용하는 것이 아니라 그로 구성되어 있다는 것을 배웠습니다. 아인슈타인의 공식 e = mc 질량을 에너지의 형태로, 다른 형태 (예 :핵폭탄으로) 또는 그 형태 (입자 충돌기)에서 생성 될 수있는 에너지의 형태로 식별합니다. 공식은 에너지가 기본적인 것들이 만들어지는 직관을 강화시킵니다. 물리학에 더 깊이 빠져들 때, 거의 1 세기 전에 독일 수학자 에미 노 에테르 (Emmy Noether)가 처음으로 인식 한 바와 같이, 보존법이 대칭과 밀접한 관련이 있음을 알게된다. 자연의 법칙이 제 시간에 대칭이기 때문에 에너지가 보존됩니다. 순간마다 변하지 않습니다.
그러나 물리학은 지속적으로 의문을 제기하지 않았다면 물리학이 아닙니다. 아인슈타인이 유명한 공식을 파생 한 지 얼마되지 않아 그는 중력 이론, 일반적인 상대성 이론을 만들기 시작했습니다. 에너지 절약은 약간 살인되었습니다. 개별 관찰자는 즉시 주변의 에너지 밀도를 측정하고 현지화 된 시스템의 총 에너지가 일정하게 유지됨을 확인할 수 있지만, 엄격하게 보존되는 전체 에너지를 정의하는 것은 불가능합니다. 전 세계 에너지가 아니라 국소의 에너지를 정의 할 수있는 것은 이상하게 들릴 수 있습니다. 그리고 그것은.
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우리 자신의 확장 된 우주는 그 이상 함의 좋은 예입니다. 물질의 에너지 밀도는 공간의 부피에 비례하여 감소합니다. 예를 들어, 은하가 분리되어 에너지 절약에 따라 주어진 부피에 그중 수가 적습니다. 그러나 별빛의 에너지 밀도와 다른 형태의 방사선은 더 가파른 속도로 감소합니다. 그들의 에너지는 상실됩니다. 다른 형태로 들어 가지 않습니다. 확장 된 우주가 제 시간에 대칭이 아니기 때문에 이것은 허용됩니다. 그것의 성장은 과거를 미래와 차별화합니다. 따라서 일반적인 상대성 이론은 에너지가 다른 모든 것이 만들어지는 근본적인 것임을 견해를 유지하기가 어렵습니다.
그것은 단지 시작일뿐입니다. 20 세기의 물리학, 양자 역학에 혁명을 일으킨 다른 이론을 고려하십시오. 양자 세계는 불확실하다. 에너지와 같은 속성은 잘못 정의되거나 퍼지입니다. 더 나쁜 것은, 이론은 매우 심각한 개념적 결함을 가지고 있으며, 에너지 보존의 궁극적 인 운명을 검토 할 때 고려해야한다.
.즉, 양자 역학은 입자의 입자 또는 시스템이 제 시간에 어떻게 진화하는지 결정하기 위해 두 가지 별개적이고 양립 할 수없는 레시피를 포함합니다. 첫 번째는 시스템이 관찰되지 않을 때, 두 번째는 관찰되면 적용됩니다. 이론은 어떤 레시피를 사용할 것인지에 대해 모호합니다. 측정 또는 관찰을 정확히 구성하는 것은 무엇입니까? 의식이 관련되어야합니까? 벼룩이 측정 할 수 있습니까? 바이러스? 이 문제는 다양한 비평가들이 언급 한 바와 같이 측정 문제로 알려져 있습니다.이 문제는 현실 문제라고 불려야합니다. 이론은 우리의 인식과 독립적으로“존재하는 것”이 무엇인지 불분명합니다.
뉴욕 대학교의 팀 마우든 (Tim Maudlin)이 논의한 것처럼 문제를 다루는 접근 방식은 세 가지 유형으로 나옵니다. 하나는 시스템 상태에 대한 자세한 설명을 제공하기 위해 소위 숨겨진 변수 (일반 양자 이론이 제공하는 것 이상의 중재 질환을 추가합니다. 가장 잘 알려진 예는 De Broglie – Bohm 이론이며, 파도 기능 외에 표준 양자 형식이 포착되지 않는 확실한 위치를 갖는 입자가 있다고 가정합니다. 파도 기능은 단순히 양의 개처럼 그들을 안내합니다.
두 번째 종류의 접근 방식은 시스템의 불확실성을 무너 뜨리고 퍼지를 제거하는 임의의 과정을 가정합니다. 세 번째 솔루션은 다수의 우주를 포함합니다. 우리가 측정이라고 부르는 것은 어떻게 든 우주를 많은 가지로 분할하는 데 해당합니다. 하나는 각 가능한 결과에 해당합니다. 이 모든 아이디어는 측정을위한 문제가있는 레시피를 분배합니다. 아무도 문제가 없지만 그게 그렇지 않습니다.
올해 멕시코 국립 자율 대학의 엘리아 오콘 (Elias Okon), 저는이 세 가지 접근법에서 보존법의 운명을 연구하기 시작했습니다. 우리의 분석에는 일반적인 고려 사항과 다양한 사고 실험이 포함되었습니다.
양자 시스템 (예 :몇 개의 광자)이 두 경로의 "중첩"으로 알려진 특성 양자 유형의 조합으로 변하는 표준 실험을 고려하십시오. 이는 고전적 수준에서 에너지의 다른 값에 해당하는 상황으로 이어집니다. 한 경로는 광자를 먼 은하계로 가져 가서 뒤로, 우주 팽창으로 인해 에너지를 잃게 만듭니다. 다른 경로는 원래 에너지에 변화가 없습니다. 양자 이론의 중심 교리에 따르면, 각 광자는 두 경로를 모두 취합니다.
양자 물리학의 표준 스토리는 측정기구에 의해 공급되거나 흡수 된 에너지를 고려하여 모든 비 보존을 설명 할 수 있다는 것입니다. 우리는 측정을 원격으로 만들기 위해 다른 양자 효과 인 얽힘을 사용하여 해당 옵션을 제거합니다.
세 가지 해석 접근법은 에너지에 일어나는 일에 대한 다른 설명을 제공합니다. 자발적 고정 이론에서, 시스템은 충분히 오랜 시간이 지나면 에너지 값 중 하나로 갑자기 붕괴되어 에너지 보존으로 이어집니다. De Broglie – Bohm 접근 방식에서, 일반적으로 보존 될 가능성이있는 에너지 개념은 입자와 안내 파 함수를 모두 포함해야합니다. 파도 함수는 실험실에서 분할되고 나중에 재결합되며, 재회에서 발생하는 간섭은 에너지가 보존되지 않는 방식으로 광자가 행동하게 만듭니다. 많은 세계 환경에서, 세계가 나뉘어지는 모든 지점의 평균 에너지는 보존 될 수 있지만, 각 지점 에너지는 보존되지 않을 것이다. 각 지점의 관점에서 발생하는 것은 붕괴 이론과 동일합니다.
요컨대, 우리는 아무도 엄격하게 보존 된 시스템의 글로벌 에너지에 대한 합리적인 정의를 제공하지 않는다고 결론지었습니다. 일반적인 상대성 이론이 내부적으로 일관되도록 지역 에너지 절약이 필요하기 때문에 지역 에너지 절약에 대한 개념을 제공 한 사람은 없습니다.
.양자 역학과 일반적인 상대성 이론을 조정하려면 양자 이론이 필요합니다. 물리학 자들은 그러한 이론이 어떻게 보일지에 대해 격렬하게 동의하지 않지만, 대부분의 일에 동의합니다. 시공간의 개념은 근본적인 양자 중심 수준에서 사라질 것입니다. 이 경우 보존법은 관련성을 완전히 상실합니다. 기본 수준에 시간이 없으면 시간이 지남에 따라 특정 수량이 변하지 않는다고 어떻게 말할 수 있습니까?
실제적인 수준에서, 엄격한 보존과의 편차는 미미할 것으로 예상되며 인간이 에너지로 직면 한 구체적인 문제에 도움이되지 않을 것입니다. 그러나 많은 이론가들에게 모든 위반은 신성 모독합니다. 그럼에도 불구하고 보상이있을 수 있습니다.
스탠포드 대학교의 제임스 Bjorken, 마르세유 대학교의 Thibaut Josset과 Alejandro Perez는 일반 상대성 (원래 아인슈타인 자신이 고려)에 대한 수정이 지역 에너지 보존으로부터 작은 편차를 허용한다는 것을 보여주었습니다. 그러한 이론은 현대 과학에서 가장 큰 미스터리 중 하나 인 암흑 에너지를 해결하기위한 길을 제공 할 수 있습니다.
암흑 에너지는 우주의 신비한 구성 요소 (총 함량의 70 %)로 확장이 가속화됩니다. 우리의 분석에 따르면, 암흑 에너지는 우주의 역사에서 일어난 지역 에너지 절약의 모든 위반에 대한 일종의 누적 기억입니다. 고려 된 특정 모델 중 하나에서 예측 값은 완전히 자연스럽게 관측치와 일치합니다.
물론 상황은 정착되지 않았습니다. 이러한 문제와 관련 문제의 탐구는 여전히 초기 단계에 있습니다. 그러나 우리가 당연한 것으로 여겨지는 원칙을 새롭게 보일 때, 우리는 그 의미에 계속 놀라게 될 것으로 기대합니다.
Daniel Sudarksy는 멕시코 시티에있는 México 국립 México University의 이론 물리학 자입니다. 그는 아인슈타인의 일반 이론 상대성 이론과 양자 물리학의 상호 작용에 중점을 두어 마찰 지점에 초점을 맞추면서 내 발굴 된 더 깊은 이론에 대한 단서를 찾습니다. .
참조
1. Maudlin, T. 세 가지 측정 문제. topoi 14 , 7-15 (1995).
2. Maudlin, T., Okon, E., &Sudarsky, D. 물리학 보존법의 상태 :반전 중력에 대한 시사점. ARXIV :1910.06473 (2019).
3. Josset, T., Perez, A., &Sudarsky, D. 에너지 절약 위반으로 인한 암흑 에너지. 물리적 검토 편지 118 , 021102 (2017).
4. Perez, A., Sudarsky, D., &Bjorken, J.D. 출현 우주 상수를위한 미세한 모델. International Journal of Modern Physics D 27 , 1846002 (2018).
5. Perez, A. &Sudarsky, D. 양자 중력 구동성의 암흑 에너지. 물리적 검토 편지 122 , 221302 (2019).
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