상대성 원리
Principle of relativity| 특수상대성이론 |
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물리학에서, 상대성 원리는 물리 법칙을 설명하는 방정식이 모든 허용 가능한 기준 틀에서 동일한 형태를 갖는 것을 요구하는 것입니다.
예를 들어 특수 상대성 이론의 틀에서 맥스웰 방정식은 모든 관성 기준 프레임에서 동일한 형태를 가진다.일반 상대성 이론의 틀에서 맥스웰 방정식이나 아인슈타인 장 방정식은 임의의 기준 틀에서 같은 형태를 가진다.
몇몇 상대성 원리가 과학 전반에 걸쳐 성공적으로 적용되었는데, 이는 암시적으로나 명시적으로나 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론에서나 마찬가지이다.
기본 개념
대부분의 과학 분야에서는 어떤 상대성 원리가 널리 가정되어 왔다.가장 널리 퍼진 것 중 하나는 자연의 법칙은 항상 같아야 한다는 믿음이다; 그리고 과학적 조사는 일반적으로 자연의 법칙이 측정자와 상관없이 동일하다고 가정한다.이러한 종류의 원칙들은 가장 기본적인 수준의 과학적 연구에 통합되었다.
상대성 원리는 자연 법칙의 대칭성을 규정한다. 즉, 법칙은 다른 관찰자에게와 똑같이 보여야 한다.노에터의 정리라고 불리는 이론적 결과에 따르면, 그러한 대칭은 또한 [1][2]보존 법칙을 의미할 것이다.예를 들어, 서로 다른 시간에 있는 두 관측자가 동일한 법칙을 발견하면 에너지라는 양이 보존됩니다.이런 관점에서, 상대성 원리는 자연이 어떻게 행동하는지 시험할 수 있는 예측을 하고, 과학자들이 어떻게 법칙을 써야 하는지에 대한 단순한 진술이 아니다.
특수 상대성 원리
특수 상대성 [3]이론의 첫 번째 가설에 따르면:
특수 상대성 원리:좌표계 K가 물리법칙이 가장 단순한 형태로 유효하도록 선택되면 K에 대해 균일한 번역으로 이동하는 다른 좌표계 K'에 대해서도 동일한 법칙이 유효하다.
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이 공식은 관성 기준 프레임을 정의합니다.
특수 상대성 원리는 물리 법칙은 모든 관성 기준 프레임에서 동일해야 하지만, 비관성 기준 프레임에 따라 달라질 수 있다고 말한다.이 원리는 뉴턴 역학과 특수 상대성 이론 모두에서 사용된다.후자의 영향력은 막스 플랑크가 [4]원리의 이름을 따서 이론을 명명했을 정도로 강력하다.
이 원리는 물리 법칙이 정지 상태의 물체와 같은 속도로 움직이는 물체에 대해 동일해야 한다고 요구한다.그 결과 관성 기준 프레임 내의 관찰자는 우주에서의 절대 속도 또는 이동 방향을 결정할 수 없으며, 다른 물체에 대한 속도 또는 방향만 말할 수 있다.
비관성 기준 프레임은 일반적으로 동일한 물리 법칙을 따르지 않는 것으로 보이기 때문에 이 원리는 비관성 기준 프레임으로 확장되지 않습니다.고전 물리학에서는 비관성 기준 프레임의 가속도를 설명하기 위해 가공의 힘이 사용됩니다.
뉴턴 역학에서
특수 상대성 원리는 1632년 갈릴레오 갈릴레이에 의해 갈릴레오의 배의 은유를 사용하여 그의 두 개의 주요 세계 시스템에 관한 대화에서 처음으로 명확하게 설명되었습니다.
뉴턴 역학은 운동의 법칙, 중력의 법칙, 그리고 절대 시간의 주장을 포함한 몇 가지 다른 개념을 특수 원리에 추가했습니다.이러한 법칙의 맥락에서 공식화될 때, 특수 상대성 원리는 역학의 법칙이 갈릴레오 변환 하에서 불변하다는 것을 말한다.
특수 상대성 이론에서
조셉 라모르와 헨드릭 로렌츠는 전자기학 이론에서 사용되는 맥스웰의 방정식은 오직 특정한 시간과 길이 단위에 의해서만 변하지 않는다는 것을 발견했습니다.이로 인해 물리학자들 사이에 약간의 혼동을 남겼는데, 이들 중 많은 이들은 밝은 에테르가 앙리 푸앵카레가 정의한 방식으로 상대성 원리와 양립할 수 없다고 생각했다.
물리현상의 법칙이 동일해야 하는 상대성 원리.물리현상의 법칙은 고정된 관찰자에게도, 균일한 번역의 움직임으로 관찰자에게도 동일해야 한다.따라서 우리는 그러한 움직임에 따라 움직이는지 아닌지를 판별할 수 있는 수단을 가질 수 없었다.
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앙리 푸앵카레와 알베르 아인슈타인은 1905년 전기역학 논문에서 로렌츠 변환으로 상대성 원리가 완벽하게 유지된다고 설명했다.아인슈타인은 (특수) 상대성 원리를 이론의 가정으로 끌어올렸고, 이 원리에서 (진공에서) 광속의 독립성의 원리와 결합된 로렌츠 변환을 이끌어냈다.이 두 가지 원칙은 공간과 시간 간격의 근본적인 의미에 대한 재검토를 통해 서로 조화되었다.
특수 상대성 이론의 강점은 관성 기준 프레임의 이동 하에서의 물리 법칙의 불변성과 진공에서의 빛의 속도의 불변성을 포함한 단순하고 기본적인 원리의 사용에 있다.(「」도 참조해 주세요.로렌츠 공분산).
상대성 원리에서만 로렌츠 변환의 형태를 도출할 수 있다.공간의 등방성과 특수 상대성 원리에 의해 암시된 대칭만을 사용하여 관성 프레임 사이의 시공간 변환이 갈릴레오 또는 로렌츠라는 것을 보여줄 수 있다.변환이 실제로 갈릴레오인지 로렌츠인지는 물리 실험을 통해 결정되어야 한다.빛의 속도가 수학 논리만으로는 불변이라고 단정할 수 없다.로렌츠의 경우, 상대론적 간격 보존과 [6]빛의 속도의 항상성을 얻을 수 있다.
일반 상대성 원리
일반 상대성 원리는 다음과 같다.[7]
모든 기준 시스템은 물리학의 기본 법칙의 공식화와 동등합니다.
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즉, 물리 법칙은 모든 참조 프레임(관입 또는 비관입)에서 동일합니다.가속된 하전 입자는 싱크로트론 방사선을 방출할 수 있지만 정지 상태의 입자는 방출하지 않습니다.같은 가속 하전 입자가 비관성 정지 프레임에 있다고 생각하면 정지 상태에서 방사선을 방출합니다.
비관성 기준 프레임의 물리학은 먼저 관성 기준 프레임으로 좌표 변환하여 필요한 계산을 수행하고 다른 것을 사용하여 비관성 기준 프레임으로 돌아가는 방식으로 역사적으로 처리되었다.대부분의 경우 예측 가능한 가공의 힘을 고려한다면 동일한 물리 법칙을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 균일하게 회전하는 기준 프레임은 가공의 원심력과 코리올리 힘을 고려한다면 관성 기준 프레임으로 취급할 수 있습니다.
관련된 문제들이 항상 그렇게 사소한 것은 아니다.특수상대성이론은 관성 기준 프레임에 있는 관찰자가 빛의 속도보다 더 빠르게 움직이는 물체를 보지 못한다고 예측한다.그러나 지구의 한 지점을 고정된 점으로 간주하는 지구의 비관성 기준 프레임에서는 별이 하루에 한 바퀴씩 지구를 돌며 하늘에서 움직이는 것을 관찰합니다.별들이 광년 떨어져 있기 때문에, 이 관측은 지구의 비관성 기준 프레임에서 별을 보는 사람은 누구나 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 것으로 보이는 물체를 보고 있다는 것을 의미합니다.
비관성 기준 프레임은 특수 상대성 원리를 따르지 않기 때문에 이러한 상황은 자가 모순되지 않습니다.
일반상대성이론
일반상대성이론은 1907년부터 1915년까지 아인슈타인에 의해 개발되었다.일반상대성이론은 특수상대성이론의 글로벌 로렌츠 공분산이 물질의 존재 하에서 국소 로렌츠 공분산이 된다고 가정한다.물질의 존재는 시공간을 "곡선"시키고, 이 곡률은 자유 입자의 경로(그리고 빛의 경로)에 영향을 미칩니다.일반상대성이론은 중력을 시공간 기하학의 효과로 설명하기 위해 미분기하학과 텐서의 수학을 사용한다.아인슈타인은 이 새로운 이론을 일반 상대성 원리에 기초했고, 그는 그 이론을 기본 원리의 이름을 따 명명했다.
「 」를 참조해 주세요.
주 및 참고 자료
- ^ Deriglazov, Alexei (2010). Classical Mechanics: Hamiltonian and Lagrangian Formalism. Springer. p. 111. ISBN 978-3-642-14037-2. 111페이지 발췌
- ^ Schwarzbach, Bertram E.; Kosmann-Schwarzbach, Yvette (2010). The Noether Theorems: Invariance and Conservation Laws in the Twentieth Century. Springer. p. 174. ISBN 978-0-387-87868-3. 174쪽 발췌
- ^ Einstein, A., Lorentz, H. A., Minkowski, H., and Weyl, H. (1952) [1923]. Arnold Sommerfeld (ed.). The Principle of Relativity: A Collection of Original Memoirs on the Special and General Theory of Relativity. Mineola, NY: Dover Publications. p. 111. ISBN 0-486-60081-5.
{{cite book}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크) - ^ Weistein, Galina (2015). Einstein's Pathway to the Special Theory of Relativity. Cambridge Scholars Publishing. p. 272. ISBN 978-1-4438-7889-0. 272페이지 발췌
- ^ Poincaré, Henri (1904–1906). . Congress of arts and science, universal exposition, St. Louis, 1904. Vol. 1. Boston and New York: Houghton, Mifflin and Company. pp. 604–622.
- ^ Yaakov Friedman, 균질공의 물리적 응용, 수학물리학의 진보, Birkhauser, 2004년, 1-21페이지.
- ^ C. Møller (1952). The Theory of Relativity (2nd ed.). Delhi: Oxford University Press. p. 220. ISBN 0-19-560539-X.
추가 정보
특수상대성이론 참조와 일반상대성이론 참조를 참조하십시오.
외부 링크
- Wikibooks: 특수 상대성 이론
- Living Reviews in Relativity - 모든 상대성 연구 분야를 망라한 공개적인 접근, 동료가 추천하는 온라인 물리학 저널입니다.
- Math Pages - Reflections on Relativity - 상대성에 관한 완전한 온라인 코스입니다.
- 특수 상대성 시뮬레이터
- Caltech의 상대성 튜토리얼 - 천체물리학뿐만 아니라 특수상대성 및 일반상대성 개념에 대한 기본적인 소개입니다.
- 상대성 중력과 우주론 - MIT에서 제공되는 짧은 코스입니다.
- 뉴사우스웨일스 대학의 영화 클립과 애니메이션에서의 상대성 이론.
- 특수 상대성이론이 빠르게 움직이는 물체에 미치는 영향을 시각화하는 애니메이션 클립입니다.
- 상대성 계산기 - 특수 상대성 수학 배우기 특수 상대성 수학은 철학과 역사적 맥락에서 가능한 간단하고 포괄적인 방법으로 제시됩니다.
