우주의 모든 문제가 갑자기 사라 졌다면 공간이 여전히 존재합니까? 이삭 뉴턴은 그렇게 생각했다. 그는 우주가 스타 트렉의 와 같은 것이라고 상상했다 사람과 장소와 물건을 시뮬레이션 한 3 차원 가상 현실 그리드 인 Holodeck. 뉴턴이 그의 원칙 의 초기 페이지에 넣었습니다. :"외부의 어떤 것도 언급하지 않고 그 자체의 절대적인 공간은 항상 균질하고 움직일 수없는 상태로 남아 있습니다."
이것은 일상 생활에서 설득력있는 것 같습니다. 나는 동쪽으로 걷고 있고 서쪽으로 걷고 있으며 우체국은 계속 남아 있습니다. 참조 프레임은 정적입니다. 그러나 뉴턴의 현대인 독일 수학자이자 철학자 인 Gottfried Leibniz는 절대적인 공간에 대한이 아이디어를 발휘했습니다. 그는 우주를 구성하는 다양한 대상을 빼앗아 갔으며,“공간”은 더 이상 어떤 의미도 가지고 있지 않다고 주장했다. 실제로, Leibniz의 사례는 우주로 향하면 훨씬 더 강해 보이기 시작합니다. 여기서 태양과 다양한 행성, 모두 서로 관련된 물체 만 주목할 수 있습니다. Leibniz는 유일한 합리적인 결론은 공간이“관계 적”이라고 주장했다. “절대 현실”이 아니라 당신과 그 다양한 대상 (그리고 서로의 거리) 사이의 끊임없이 변화하는 거리 세트.
Au Contraire는 Newton에게 대답했습니다. 절대 공간의 효과는 상당히 관찰 가능합니다. 그리고 이삭 경은 그것을 증명하기위한 실험을 가졌다 :회전하는 물통. 실험이 들릴 수 있듯이 단순하면, 오늘날까지 계속되는 공간, 시간, 움직임, 가속 및 힘의 본질에 대한 토론을 시작했습니다.
원칙 에서 , 뉴턴은 밧줄에서 손잡이로 매달린 물통을 상상해 보라고 요청합니다. 버킷을 시계 방향으로 돌리면 로프가 감다. 놓아 주면 어떻게됩니까? 버킷은 처음에는 천천히 천천히 돌리기 시작합니다. 그러나 뉴턴이 쓴 바와 같이, 물의 표면은“오목한 모양을 가정하면 물의 표면은“중간에서 점차 물러나서 용기의 측면을 올라갈 것”이라고 말했다. 잠시 동안 양동이와 물이 함께 회전합니다. 결국, 버킷은 느려지고 스핀이 반전됩니다. 물이 느려져 점차 평평하게 다시 평평합니다.
고등학생들은“원심력”에 대해 배웁니다. 그 이름을 갖는 것이 좋습니다. 그러나 실제로 물이 양동이의 가장자리에 물이 올라가는 원인은 무엇입니까? 뉴턴은 물이 가장 빠르게 회전 할 때 물의 표면이 가장 빠르게 왜곡되기 때문에 물통에 대한 물의 움직임 일 수는 없다고 말했다. 물론, 버킷과 물은 지구와 관련하여 회전하고 있지만, 우주에서 비슷한 실험이 수행 된 비슷한 실험이 동일한 결과를 낳을 것이라고 믿었 기 때문에 설명이 될 수는 없습니다.
.뉴턴의 경우, 버킷 실험을 설명하는 유일한 방법은 절대 공간과 관련하여 물이 회전하고 있다고 말하는 것이 었습니다. 이것은 관성을 호출하는 것을 의미했습니다 - Principia 의 다른 주요 아이디어 - 속도 나 운동 방향의 변화에 대한 신체의 저항. 양동이와 물이 회전하면 양동이의 측면은 물이 직선으로 움직이는 것을 방지합니다. 대신 림을 향해 올라갑니다.
그러나 왜 물체가 를 가지고 있습니까? 처음에 관성? 19 세기, 오스트리아 물리학 자 에른스트 마흐 (Ernst Mach)는 회전하는 양동이에서 물의 움직임을 포함하여 운동과 관성에 대한 설명이 우주의 나머지 문제와 관련하여 이해 될 수 있다고 믿게되었습니다. 마하의 경우 버킷의 스케일 업 버전은 지구 자체에서 볼 수 있습니다. 태양계가 형성된 이래로 수십억 년 전 지구는 방적 버킷의 물과 마찬가지로 적도“부풀어 오른”상태로 회전했습니다. 마하는 궁금해했다. 만약 지구의 회전이 중단 될 수 있고, 대신 나머지 행성과 별이 그 주위에 회전하면 지구의 적도가 여전히 팽창할까요?
뉴턴은 아니요 :스핀도없고, 벌지도 없을 것입니다. 그러나 Mach는 그 대답이 물체의 관성이 어디에서 왔는지에 의존한다는 것을 깨달았습니다. 만약 그것이 어떻게 든 우주의 문제의 대부분의 결과라면, 나머지 행성과 별들이 그 주위를 돌면서 실제로 지구는 여전히 팽창 할 것입니다. 이것은 스테로이드에 대한 Leibniz의 관계형 그림입니다. Mach는 운동의 상대적 일뿐 만 아니라 관성은 관계 의 척도입니다. 대상과 우주의 나머지 부분 사이. Mach의 견해가 옳다면, 별과 은하는 어떤 의미에서는 Newton의 회전 버킷에서 지구의 모양과 물의 오목한 모양을 담당합니다. 그러나 마하는 어떻게 를 말하지 않았다 그 먼 별들과 은하들이 그들의 영향력을 발휘했습니다. 그리고 오늘날에도 대답은 분명하지 않습니다.
아마도 마하의 가장 예리한 독자는 아마도 젊은 앨버트 아인슈타인 (Albert Einstein)이었을 것입니다. 그는 나중에 자신이“마하의 원리”라고 부르는 것을 통합하기 위해 고군분투했을 것입니다.
아인슈타인 이론의 압도적 인 성공은 뉴턴의 절대 공간에 대한 마지막 타격이었다. 그러나 절대 공간이 없다면 우리는 뉴턴의 양동이를 이해하기 위해 계속 노력하고있다. 그의 인기있는 책 우주의 직물 물리학 자 Brian Greene은 아인슈타인의 이론이 뉴턴의 절대 공간을 철거했지만 시공간으로 알려진 4 차원 구조 인 그 대신에 우리에게 다른 것을 제공했으며, 그 Greene은 다음과 같이 설명합니다. 당신과 나는 퍼레이드 기간이나 행진이 다루는 거리에 대해 동의하지 않을 수도 있지만, 퍼레이드의 시작과 끝 사이의 시공간을 통한 총 거리에 동의합니다. 우리는 4 차원으로 볼 수 없기 때문에 그림이 어렵지만 아인슈타인 이론의 방정식에 의해 보장됩니다.
.그럼에도 불구하고 이것은 그 문제에 대한 Greene의 마지막 단어가 아닙니다. 물리학 자들은 이제 입자를 질량으로 부여하는 것으로 여겨지고 우주에 스며 들었다. 아인슈타인의 시공간은 가속도를 측정 할 수있는 기준 프레임 역할을 할 수 있지만, HIGGS 필드는 더 잘 진행됩니다.이를 통과하는 모든 것에 저항을 제공함으로써 물체가 처음에 관성이있는 이유를 설명 할 수 있습니다.
또 다른 아이디어는 애리조나 주립 대학 물리학 자 폴 데이비스 (Paul Davies)에서 나온다. 그는이 양자“진공 장난감”은 절대 공간을 대체 할 수 있다고 말했다.
3 세기가 넘은 후, 뉴턴의 회전하는 양동이 (공간과 움직임, 질량과 관성에 관한 질문은 물리학 자와 철학자 모두에게 문제를 일으키기 위해 촉발되었습니다. 뭔가 물이 양동이 측면에 물을 올라가게합니다. 그러나 궁극적으로 시공간의 구조, 히그 스 필드, 또는 어떤 종류의 양자 거품 이든도 남아 있습니다.
Dan Falk는 토론토에있는 과학 기자입니다. 그의 책에는 가 포함됩니다 셰익스피어의 과학 및 시간을 찾아서 . 트위터에서 그를 따르십시오 @danfalk.
참조
1. 코헨, I.B. &Whitman, A. Isaac Newton / The Principia :자연 철학의 수학적 원리 :새로운 번역 캘리포니아 대학교 출판부, 버클리 CA (1999). 의 모든 인용문 원칙 이 판에서 온 것입니다.
2. Alexander, H.G. Leibniz-Clarke 서신, Newton 's Principia 및 Opticks의 추출물과 함께 맨체스터 대학교 출판부, 맨체스터 (1956).
3. Barbour, J. &Pfister, H. (Eds.) Mach 's Principle :Newton's Bucket에서 Quantum Gravity까지 ( 아인슈타인 연구, 볼륨 6 ) Birkhäuser, Boston, MA (1995).
시계 : 우주가 확장 된 이유
이 고전적인 사실 So Romantic Post는 원래 2016 년 1 월에 출판되었습니다.
