궤도 회전이란 무엇입니까? 기본 그림은 충분히 분명합니다. 한 몸은 쉬고 있고, 다른 몸은 그 주위의 원형 또는 타원형 경로를 따릅니다. 문제는 단지 어느 몸이 어느 것이 있는지 알아내는 것입니다. 지구의 표면에 서 있다면 태양이 일년에 한 번 천천히 주위의 궤도를 보는 것으로 보입니다. (물론, 지구가 축에서 회전하기 때문에 하루에 한 번 하늘 전체가 회전하는 것처럼 보입니다. 그러나 우리는 매년 하늘의 나머지 부분에 비해 태양의 움직임에 대해 생각하고 있습니다.) 그러나 태양의 표면에서는 지구가 마치 주위에 또는 비슷한 것처럼 보일 것입니다. 일년에 한 번. 이들 중 어느 것이 명백한 움직임과는 대조적으로 태양계의 진정한 움직임을 반영한 것을 파악하는 것은 한때 열렬한 논쟁의 문제였다.
예를 들어 17 세기 물리학 자 갈릴레오 갈릴리 (Galileo Galilei)는 지구가 고정 된 태양 주위의 궤도를 걱정한다고 주장한 이단으로 유죄 판결을 받았습니다. 그는 인생의 끝을 가택 연금으로 보냈다. 그럼에도 불구하고 그는 1600 년에 지구가 움직 였다는 신념을 포함하여 1600 년에 살아 남아있는 Giordano Bruno보다 더 나은 것을 가졌습니다.
우리는 모두이 이야기가 어떻게 끝나는 지 알고 있습니다. 열쇠는 17 세기 후반의 걸작 인 이삭 뉴턴 (Isaac Newton)이 제공했다. , 태양계의 진정한 움직임을 한 번에 정착시키기 위해 작성되었습니다. 이를 위해 뉴턴은 우주, 시간 및 움직임에 대한 새로운 이론을 만들어 냈으며, 그의 유명한 보편적 중력 이론과 함께 밤하늘의 태양, 행성 및 기타 몸이 서로의 움직임에 어떤 영향을 미쳤는지 설명했습니다. 그의 이론은 둘 다 를 보여 주었다 태양이나 지구는 쉬고 있었다 :태양계의 질량 중심 주위에 궤도가 끊어졌다. 그러나 태양이 너무 커서 태양계의 질량 중심은 태양의 중심에 매우 가깝기 때문에 모든 실용적인 목적을 위해 갈릴레오와 브루노는 일을 제대로 얻었습니다.
적어도 그들은 뉴턴의 이론이 옳은 한 바로 일을 얻었습니다. 오늘날, 물리학 자들은 뉴턴의 중력이 단지 1 세기 전에 아인슈타인이 개발 한 다른 공간, 시간 및 중력에 대한 일반적인 상대성에 대한 유용한 근사치라고 생각합니다. 일반 상대성 이론의 궤도 회전은 뉴턴이나 20 세기 이전의 다른 사람보다 훨씬 미묘하다는 것이 밝혀졌습니다. 실제로, 어바인 캘리포니아 대학교의 물리학 철학자 인 데이비드 말런 (David Malament)은 위의 기본 그림에 부응하는 일반 상대성 이론에서 회전이라는 개념이 없다는 것을 보여 주었다. (전체 공개 :Malament는 UC Irvine의 저의 동료이며, 그 전에는 저의 박사자였습니다.)
신체가 무언가를 회전하는지 테스트하고 싶다고 가정 해 봅시다. 뉴턴의 경우, 당신이 할 수있는 몇 가지 간단한 실험이있었습니다. 단순화를 위해, 원형 링에 대해 생각해보십시오. 링의 중심을 통과하는 가상 축 주위를 회전 시키십시오 (기본적으로, 연결 스포크 없이는 차축 주위에서 회전하는 자전거 휠). 반지이기 때문에 구와 같이 물체의 다른 부분에서 다른 속도에 대해 걱정할 필요가 없습니다. (저 차원 사례에 대해 생각하는 것은 거의 항상 간단합니다.) 그러나이 간단한 경우에도 링이 회전하는지 아닌지에 관한 일반 상대성 이론에는 기본적인 모호성이 있음이 밝혀 질 것입니다.
다음은 링이 회전하는지 테스트하는 실험 중 하나입니다. 링의 중앙의 축에 있다고 가정 해 봅시다. 망원경을 타고 링을 가리키고 링이 움직이는지 확인하십시오. 물론, 이것이 작동하려면, 당신은 당신과 당신의 망원경이 동일한 축을 회전시키지 않도록해야합니다.이 경우 링이 그렇지 않더라도 링이 회전하는 것처럼 보일 수 있기 때문입니다. 원래 Newton에서 제안한 간단한 테스트로이를 확인할 수 있습니다. 물통을 가져 가십시오. 물 표면이 완벽하게 평평한 경우 양동이가 회전하지 않습니다. 물이 양동이의 가장자리 근처에서 상승하고 중간에서 우울합니다. 망원경이 버킷에 대해 회전하지 않는 경우 (예 :망원경을 맨 위에 붙였기 때문에) 링이 여전히 움직이지 않으면 반지가 실제로 회전한다고 결론을 내릴 수 있습니다.
링 자체에 대한 실험을 통해 궤도 회전을 테스트하려고 시도 할 수도 있습니다. 이 작업을 수행하는 한 가지 방법은 링 주위에 일련의 거울을 설정하여 레이저를 비추고 거울이 레이저를 튕겨 지도록하는 것입니다. 링 주변의 두 방향으로 레이저를 비추고 각 방향으로 왕복 시간을 측정해야한다고 가정하십시오. 링이 회전하는 경우, 한 방향으로 빛을 돌리는 빛은 반대 방향으로 이동하는 빛보다 덜 거리를 이동해야합니다. 링은 한 방향과 같은 방향으로 움직 였지만 다른 빛의 빔은 아닙니다. 이러한 방식으로 회전을 측정하는 장치를 SAGNAC 간섭계라고합니다. 그들은 매우 민감하고 내비게이션에 널리 사용됩니다.
그러나 궤도 회전을 측정하는 세 번째 방법은 자이로 스코프를 사용하는 것입니다. 기이로 스코프는 바닥에 휠이베이스에 비해 움직일 수있는 축을 자유롭게 회전시킬 수 있도록베이스에 장착 된 휠입니다. 자이로 스코프는 방향의 변화를 측정합니다. 일단 휠이 일부 축을 주위로 회전하기 시작하면 자이로 스코프의 바닥을 움직이더라도 같은 축 주위에서 계속 회전하는 경향이 있기 때문입니다. 예를 들어 비행기의 태도 변화와 스마트 폰에서 전화의 움직임을 감지하는 데 사용됩니다. 자이로 스코프는 유사하게 사용하여 반지가 회전하는지 여부를 결정할 수 있습니다. 자이로 스코프의 바닥을 링에 부착하고 휠을 링의 축 방향으로 회전시킵니다. 링이 회전하는 경우, 기류 휠의 축은베이스에 비해 움직이게됩니다.베이스는 링과 함께 회전하기 때문입니다. 링이 회전하지 않으면, 자이로 스코프의 축은베이스 (및 링)에 비해 정지 상태로 유지됩니다.
뉴턴 물리학에서는이 세 가지 테스트 모두 항상 동의 할 것입니다. 결국, 그들은 모두 같은 것을 측정합니다 :궤도 회전. 그러나 일반적으로 상대성 이론에서는이 두 가지 테스트 중 두 가지가 모든 경우에 동의하지 않습니다. 이것은 적어도 우리가 그것에 대해 생각하는 데 익숙한 것처럼“궤도 회전”에 대한 설명에 대한 대답에 대한 일반적인 상대성이 없다는 강한 힌트입니다.
이것을 이해하는 열쇠는 아인슈타인이 관성을 어떻게 재구성한지에 있습니다. 뉴턴에게 관성은 중력과 같은 외부 힘에 의해 작용하지 않는 한 일정한 속도로 직선으로 움직이는 신체의 경향이었다. 궤도 회전은 궤도가 직선이 아니기 때문에 반드시 비 영도의 움직임 형태입니다. 일반적인 상대성의 상황은 상당히 다릅니다. 그곳에서, 직선의 관성 궤적에서 몸을 편향시키는 대신, 중력은 우주의 질량과 에너지의 분포에 의존하는 방식으로 직선을 왜곡하여 작용합니다. 이 왜곡은 시공간 곡률이라고합니다. 일반적인 상대성 이론에서 기본적으로 직선을 따르지 않고, 신체는 곡선으로 이동하거나 다른 방법으로 straight 구부러진 공간과 시간의 선.
관성의 작동 방식에서 이러한 변화는 이상한 결과를 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 태양이나 블랙홀과 같은 거대한 몸매가 회전하는 경우 공간과 시간이 지남에 따라 관성 운동과 직선형 비 회전 운동 사이의 Newtonian 연결을 깨뜨립니다. 이 현상은 프레임 드래깅 로 알려져 있습니다 지구를 공전하는 위성을 사용하여 실험적으로 테스트되었습니다.
이것은 지구가 가 아니라는 것을 의미합니까? 태양 주위에 궤도를 바르나요? 그렇게 빠르지 않습니다. 이런 일이 발생하면 Newton의 이론은 태양계에서 일반 상대성 이론에 대한 탁월한 근사치를 제공합니다. 여기서 프레임 드래그의 효과가 매우 작습니다. 따라서 모든 실제 목적을 위해 지구가 태양을 공전한다고 말하는 것이 여전히 적절합니다. 그러나 Malament의 결과가 보여주는 것은 회전이 깨지기 쉬운 개념이라는 것입니다. 회전하는 블랙홀 근처에서 움직이는 우주선과 같은 극단적 인 경우가 더 있습니다. 배가 블랙홀을 공전하고 있는지 묻는 것은 의미가 없습니다. 그러한 경우, 블랙홀은 공간과 시간을 심하게 왜곡하여 회전의 개념이 무너질 수 있습니다.
James Owen Weatherall은 Irvine 캘리포니아 대학교의 논리 및 과학 철학 교수입니다. 그의 가장 최근 책은 입니다 Void :17 세기부터 오늘날까지 물리학의 빈 공간의 구조를 탐구하는 Nothing Nothing의 이상한 물리학 (Yale University Press, 2016). 그의 웹 사이트는 JamesOwenweatherall.com에서 찾을 수 있습니다.
시계 : 프린스턴 물리학자인 Paul J. Steinhardt는 우리가 우주의 과거를 알 수 있는지 논의합니다.
리드 이미지는 Flickr 를 통한 NASA의 Marshall Space Flight Center가 제공합니다. .
