일반상대성이론의 역사

History of general relativity

일반상대성이론은 1907년에서 1915년 사이에 알버트 아인슈타인에 의해 개발된 중력 이론으로 1915년 이후 많은 다른 사람들에 의해 공헌되었다.일반상대성이론에 따르면 질량 사이의 관측된 중력은 그 질량에 의한 시공간 뒤틀림에서 비롯된다.

일반상대성이론의 등장 이전에, 뉴턴의 만유인력의 법칙은 200년 이상 동안 질량 사이의 중력에 대한 유효한 설명으로 받아들여졌었다. 비록 뉴턴 자신이 그 이론을 중력의 본질에 대한 최종 단어로 간주하지 않았음에도 불구하고 말이다.뉴턴이 공식화한 지 한 세기 만에, 신중한 천문 관측은 이론과 관측치 사이의 설명할 수 없는 차이를 드러냈습니다.뉴턴의 모형에서 중력은 거대한 물체 사이의 매력적인 힘의 결과였다.비록 뉴턴조차도 그 힘의 알려지지 않은 성질에 시달렸지만, 기본적인 틀은 운동을 설명하는 데 매우 성공적이었다.

하지만, 실험과 관찰은 아인슈타인의 설명이 수성과 다른 행성들의 궤도에서의 미세한 이상과 같이 뉴턴의 법칙에 의해 설명되지 않는 몇 가지 효과를 설명한다는 것을 보여준다.일반상대성이론은 또한 중력파, 중력렌즈, 중력시간확장이라고 알려진 시간에 대한 중력의 영향과 같은 중력의 새로운 영향을 예측한다.이러한 예측의 대부분은 실험이나 관찰을 통해 확인되었으며, 다른 예측들은 진행 중인 연구의 대상이다.

일반상대성이론은 현대 천체물리학에서 필수적인 도구로 발전했다.그것은 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나갈 수 없는 우주 공간인 블랙홀에 대한 현재의 이해를 위한 기반을 제공합니다.그들의 강한 중력은 특정 유형의 천체(활동 은하핵이나 마이크로쿼사)에 의해 방출되는 강한 방사선의 원인인 것으로 생각된다.일반 상대성 이론 또한 우주론의 표준 빅뱅 모델의 틀의 일부이다.

일반상대성이론의 생성

초기 조사

아인슈타인이 나중에 말했듯이, 일반상대성이론의 발전 이유는 특수상대성이론 내의 관성운동을 선호했기 때문이었고, 반면에 처음부터 특정한 운동상태를 선호하지 않는 이론은 그에게 [1]더 만족스럽게 보였다.1907년 특허청에서 일하는 동안 아인슈타인은 이른바 '가장 행복한 생각'을 했다.그는 상대성 원리가 중력장까지 확장될 수 있다는 것을 깨달았다.

결과적으로, 1907년에 그는 1908년에 특수 상대성 [2]이론에서의 가속에 관한 논문을 썼다.그 기사에서, 그는 자유낙하는 정말로 관성 운동이며 자유낙하 관찰자에게는 특수상대성 이론의 규칙이 적용되어야 한다고 주장했다.이 주장은 동등성 원리라고 불립니다.같은 기사에서 아인슈타인은 중력 시간 팽창 현상도 예측했다.

1911년 아인슈타인은 1907년 [3]기사를 확장한 또 다른 기사를 발표했다.그곳에서 그는 중력장이 아닌 균일하게 가속된 박스의 경우를 고려했고, 변하지 않는 중력장에 가만히 앉아 있는 박스와 구별할 수 없을 것이라고 언급했다.그는 상자 위쪽에 있는 시계가 아래쪽에 있는 시계보다 더 빨리 간다는 것을 보여주기 위해 특수 상대성 이론을 이용했다.그는 시간이 지나는 속도는 중력장 내 위치에 따라 달라지며, 속도의 차이는 첫 번째 근사치에 대한 중력 전위에 비례한다고 결론지었다.

이 기사는 또한 거대한 물체에 의한 빛의 편향을 예측했다.목성, 태양.비록 근사치가 조잡했지만, 그는 편향이 0이 아니라는 것을 계산할 수 있었다.아인슈타인은 천문학자들로 하여금 [3]일식 기간 동안 태양 근처의 고정된 별들이 보일 때 빛의 편향을 직접 관찰할 것을 촉구했다.독일 천문학자 에르빈 핀레이-프룬트리히가[4]세계 과학자들에 대한 아인슈타인의 도전을 공표했다.

1911년 10월, Freundlich는 천문학자 Charles D.와 접촉했다. 베를린의 페린은 아인슈타인의 광편향 예측을 증명하기 위해 기존의 일식 사진을 조사하는 것이 적합한지에 대해 물었다.코르도바에 있는 아르헨티나 국립천문대 소장 페린은 1900년, 1901년, 1905년, 1908년 릭 천문대에 있을 때 네 번의 일식 탐험에 참여했었다. "그는 릭 천문대 소장 W. W. 캠벨의 의견으로 [5]일식 분야에서 동료가 없는 관찰자가 되었다."그는 기존의 일식 사진이 아인슈타인의 주장을 증명하는데 유용하지 않을 것이라고 믿었다.1912년 Freundlich는 브라질에서 1912년 10월 10일 일식을 위한 프로그램의 일환으로 Perrine이 빛의 편향을 관찰하는 것을 포함시킬 것인지 물었다.릭 천문대의 책임자인 W. W. 캠벨은 페린에게 체내 카메라 렌즈를 빌려주었다.페린과 코르도바 팀은 빛의 편향을 관찰하는 데 전념하는 특수 장비를 만든 유일한 일식 탐사대였습니다.불행히도 모든 탐험대는 폭우를 경험하여 관측을 방해했다.그럼에도 불구하고 페린은 아인슈타인의 [6]예측을 테스트하기 위해 빛의 편향을 관찰하는 데 전념한 최초의 천문학자였다.

2년 후, 세 명의 천문대 책임자인 페린, 프룬들리히, 그리고 캠벨은 1914년 8월 21일 일식을 위해 러시아 제국을 탐험할 때 빛의 굴곡을 포함시켰다.불행히도 구름과 제1차 세계대전의 발발 때문에 어떤 결과도 낼 [6][7]수 없었다.하지만 페린은 아인슈타인의 빛의 편향 예측을 검증하기 위해 첫 번째 사진을 찍을 수 있었다.옅은 구름 덮개로 인해 정확한 [8]별의 위치를 알 수 없었습니다.

나중에 생각해보면 1912년과 1914년의 날씨와 결과 부족은 아인슈타인에게 유리했다.만약 명료한 사진과 측정 가능한 결과가 가능했다면 아인슈타인의 1911년 예측은 틀렸을지도 모른다.1911년에 그가 계산한 편향의 양은 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 물체에는 그가 사용한 근사치가 잘 작동하지 않기 때문에 2배만큼 너무 작았다.아인슈타인이 1915년 일반상대성이론을 완성했을 때, 그는 이 오류를 바로잡고 태양에 의해 야기되는 빛의 정확한 편향을 예측했다.1919년에는[9] 에딩턴과 다이슨이, 1922년에는 W[10]. W. 캠벨이 그들의 결과를 아인슈타인의 정확한 예측과 비교할 수 있었다.

중력장의 본질에 대한 아인슈타인의 또 다른 주목할 만한 사고 실험 중 하나는 회전 원반이다.그는 관찰자가 회전하는 턴테이블 위에서 실험을 하는 것을 상상했다.그는 그러한 관찰자가 유클리드 기하학에 의해 예측된 것과 다른 수학 상수 θ 값을 찾을 것이라고 언급했다.그 이유는 원의 반지름은 수축되지 않은 자로 측정되지만, 특수 상대성 이론에 따르면, 원둘레가 더 길어 보일 것이다. 왜냐하면 자는 수축되기 때문이다.아인슈타인은 물리학의 법칙이 국지적이라고 믿었기 때문에, 이것으로부터 시공간이 국지적으로 휘어질 수 있다고 결론지었다.이것은 그가 리만 기하학을 공부하도록 이끌었고, 이 언어로 일반상대성이론을 공식화했다.

일반상대성이론의 발전

에딩턴의 일식 사진은 빛이 휘는다는 아인슈타인의 이론을 확인시켜 주었다.
후에 결과가 61919년 11월에 런던에 왕립 학회와 왕립 천문 학회 합동 회의에 제시할 수 있다고 뉴욕 타임스는 프린시페 섬:아프리카 서해안 앞바다(아프리카)과Sobral(브라질)에서 5월 29일 1919년 일식 관찰에 기반을 둔,"아인 이론"(빛의 중력에 의해 구체적으로 구부리기)의 확인 보도했다.[11](전체 text)

1912년 아인슈타인은 모교ETH 취리히의 교수직을 수락하기 위해 스위스로 돌아왔다.취리히로 돌아가자 그는 즉시 옛 ETH 동창인 현재 수학 교수 마르셀 그로스만을 찾아갔습니다. 마르셀 그로스만은 그에게 리만 기하학, 더 일반적으로는 미분 기하학을 소개해주었습니다.이탈리아 수학자 툴리오 레비 시비타의 추천으로 아인슈타인은 중력 이론을 위한 일반 공분산유용성을 탐구하기 시작했다.한동안, 아인슈타인은 접근법에 문제가 있다고 생각했지만, 나중에 다시 그 접근법으로 돌아왔고 1915년 말에 그의 일반 상대성 이론을 오늘날 [12]사용되는 형태로 발표했다.이 이론은 중력을 물질에 의한 시공간 구조의 왜곡으로 설명하고, 다른 물질의 관성 운동에 영향을 미친다.

제1차 세계대전 중에는 국가 안보상의 이유로 중앙대국의 과학자들만이 연구할 수 있었다.아인슈타인의 연구 중 일부는 오스트리아에렌페스트와 네덜란드의 물리학자들, 특히 1902년 노벨상 수상자인 헨드릭 로렌츠와 라이덴 대학빌럼 드 시터의 노력으로 영국과 미국에 도달했다.전쟁이 끝난 후, 아인슈타인은 레이든 대학과의 관계를 유지하며, 특별 교수로서의 계약을 수락했다; 1920년부터 1930년까지 10년 동안,[13] 그는 강의를 하기 위해 정기적으로 네덜란드로 여행했다.

1917년, 몇몇 천문학자들은 프라하로부터 아인슈타인의 1911년 도전을 받아들였다.미국 캘리포니아에 있는 윌슨천문대는 중력 적색편이를 [14]보이지 않는 태양 분광 분석을 발표했다.1918년, 역시 캘리포니아에 있는천문대는 비록 그 발견들이 [15]발표되지는 않았지만, 아인슈타인의 예언을 반증했다고 발표했다.

그러나 1919년 5월 영국 천문학자 아서 스탠리 에딩턴이 이끄는 연구팀은 브라질 북부 소브랄 섬과 서아프리카 프린시페[4]등지에서 일식을 촬영하면서 아인슈타인의 태양에 의한 중력편향 예측을 확인했다고 주장했다.노벨상 수상자인 맥스 보른은 일반상대성이론을 "자연에 대한 인간의 생각 중 가장 위대한 업적"[16]이라고 칭송했다. 동료 수상자인 디락은 "아마도 지금까지 발견된 것 중 가장 위대한 과학적 발견일 것"[17]이라고 말했다.

에딩턴 탐험대에서 촬영된 특정 사진을 정밀 조사한 결과 에딩턴이 입증했다고 주장한 효과의 크기에 필적하는 실험적인 불확실성이 나타났으며 1962년 영국 탐험대는 이 방법이 본질적으로 신뢰할 [18]수 없다고 결론내렸다는 주장이 있었다.일식 중의 빛의 편차는 나중에 더 정확한 [19]관측에 의해 확인되었다.일부 사람들은 이 새로운 인물의 명성에 분개했고, 특히 후에 도이치 물리 [20][21]운동을 시작한 일부 민족주의 독일 물리학자들은 분개했다.

일반 공분산 및 홀 인수

1912년까지 아인슈타인은 중력기하학적 현상으로 설명되는 이론을 적극적으로 찾고 있었다.툴리오 레비 시비타의 권유로, 아인슈타인은 중력 이론을 만들기 위해 일반 공분산(본질적으로 곡률 텐서의 사용)의 사용을 탐구하는 것으로 시작했다.그러나 1913년 아인슈타인은 "구멍 논쟁"에 근거해 일관성이 없다고 주장하며 그 접근법을 포기했다.1914년과 1915년의 대부분에, 아인슈타인은 다른 접근법에 기초한 필드 방정식을 만들려고 했다.그 접근법이 일관성이 없다는 것이 증명되었을 때, 아인슈타인은 일반 공분산 개념을 다시 검토했고 홀 논쟁에 [22]결함이 있다는 것을 발견했다.

아인슈타인 장 방정식의 발달

아인슈타인이 일반 공분산이 유지된다는 것을 깨달았을 때, 그는 재빨리 그의 이름을 딴 필드 방정식의 개발을 완성했다.하지만 그는 이제 유명한 실수를 저질렀다.1915년 10월에 그가 발표한 필드 방정식은

μ = T ( \ R _ { \ \ } T _ { \ \ , ,

서 R μ Ricci 이고 에너지-모멘텀 텐서입니다.이것은 수성비뉴턴 근일점 세차운동을 예측했고, 아인슈타인은 매우 흥분했다.하지만, 우주가 일정한 질량-에너지-운동 밀도를 가지지 않는 한, 그것들은 에너지-운동의 국소적인 보존과 일치하지 않는다는 것을 곧 깨달았다[by whom?].다시 말해, 공기, 바위, 그리고 진공도 모두 같은 밀도를 가져야 한다.이러한 관찰과의 불일치는 아인슈타인을 처음부터 다시 시작하게 했고, 1915년 11월 25일 아인슈타인은 업데이트된 아인슈타인 장 방정식[23]프러시아 과학 아카데미에 발표했다.

μ - 1 2 R g μ † { \}-{12) }=

R {\ R Ricci 스칼라이고 μ 메트릭 텐서입니다.필드 방정식이 발표됨에 따라 다양한 경우의 풀이와 해법의 해석이 문제가 되었다.이 실험 검증은 일반 상대성 연구를 지배해 왔다.

아인슈타인과 힐베르트

비록 아인슈타인이 필드 방정식을 찾아낸 것으로 알려져 있지만, 독일 수학자 데이비드 힐베르트(David Hilbert)는 아인슈타인의 논문보다 먼저 그 방정식을 발표했다.이것은 비록 힐베르트로부터는 아니지만 아인슈타인에 대한 표절과 필드 방정식이 "아인슈타인-"이라고 불려야 한다는 주장을 낳았다.힐베르트 필드 방정식"입니다.하지만 힐버트는 우선권을 주장하지 않았고, 일부[who?] 사람들은 아인슈타인이 올바른 방정식을 제출했다고 주장했습니다. 힐버트가 그것을 포함하기 위해 자신의 연구를 수정하기 전에 말이죠.이것은 비록 힐베르트가 나중에 독립적으로 (또는 [24]아인슈타인과의 서신을 통해) 그것들을 배웠을지라도 아인슈타인이 먼저 올바른 필드 방정식을 개발했음을 암시한다.그러나 다른 이들은 이러한 [25]주장을 비판하고 있다.

아서 에딩턴 경

아인슈타인 이론이 발표된 후 초기 몇 년 동안, 아서 에딩턴 경은 이 독일 과학자의 업적을 옹호하기 위해 영국 과학계에서 그의 상당한 명성을 빌려주었다.그 이론이 너무 복잡하고 난해했기 때문에(오늘날까지도 그것은 일반적으로 과학적 사고의 정점으로 여겨졌고, 초기 몇 년 동안은 더욱 그랬다), 세계에서 단 세 사람만이 그것을 이해했다는 소문이 있었다.아마도 외설적이긴 하지만 이에 대한 계몽적인 일화가 있었다.루드윅 실버스타인[26]의하면, 에딩턴의 강의 중 하나에서 그는 "에딩턴 교수님, 당신은 일반상대성이론을 이해하는 세계에서 세 사람 중 한 명이어야 합니다."라고 물었다.에딩턴은 대답을 하지 못하고 멈칫했다.실버스타인은 계속해서 "겸손해지지 마, 에딩턴!"이라고 말했다.마침내, 에딩턴은 "반대로, 저는 제 3자가 누구인지 생각하려고 노력 중입니다."라고 대답했다.

솔루션

슈바르츠실트 솔루션

자기장 방정식이 비선형이기 때문에 아인슈타인은 그것들이 [citation needed]해답이 불가능하다고 가정했다.하지만, 슈바르츠실트는 1915년에 구면 좌표의 거대한 물체를 둘러싼 구대칭 시공간에서 정확한 해답을 발견했고 1916년에 발표했다[27].이것은 현재 슈바르츠실트 해법으로 알려져 있다.그 이후로, 많은 다른 정확한 해결책들이 발견되었다.

팽창하는 우주와 우주 상수

1922년, 알렉산더 프리드만은 우주가 팽창하거나 수축할 수 있는 해결책을 발견했고, 에 조르주 레마 트레는 팽창하는 우주를 위한 해결책을 도출했다.하지만 아인슈타인은 우주가 정적이라고 믿었고, 정적 우주론이 일반 상대론적 장 방정식에 의해 지지되지 않았기 때문에, 그는 장 방정식에 우주 상수 δ를 추가했다.

μ δ - 1 2 g + μ } - {2) } + \ } }

이것은 정상 상태의 해법을 만들 수 있었지만, 그것들은 불안정했다: 정적 상태의 아주 작은 교란도 우주가 팽창하거나 수축하는 결과를 초래할 것이다.1929년 에드윈 허블은 우주가 팽창한다는 증거를 발견했다.이것은 아인슈타인이 우주 상수를 떨어뜨리는 결과를 낳았고, 그것을 "내 경력에서 가장 큰 실수"라고 언급했습니다.그 당시에는 하나의 결과(정적 우주)를 정당화하기 위한 것이었기 때문에 우주 상수를 추가하는 것은 임시 가설이었다.

보다 정확한 솔루션

필드 방정식을 풀고 해법을 이해하는 데 있어 진전은 계속되고 있습니다.구형 대칭 하전 물체의 용액은 레이스너에 의해 발견되었고 나중에 노드스트롬에 의해 재발견되었으며, 레이스너-노르드스트롬 용액이라고 불린다.슈바르츠실트 해법의 블랙홀 측면은 매우 논쟁적이었고 아인슈타인은 특이점이 진짜일 수 있다고 믿지 않았다.그러나 1957년(아인슈타인이 죽은 지 2년 후) 마틴 크루스칼은 블랙홀이 슈바르츠실트 해법에 의해 요구된다는 증거를 발표했다.또한, 회전하는 거대한 물체에 대한 해는 1960년대에 로이 커에 의해 얻어진 으로 커 해라고 불린다.회전하고 대전된 거대한 물체에 대한 커-뉴먼 해법은 몇 년 후에 발표되었다.

이론의 테스트

일반상대성이론을 뒷받침하는 첫 번째 증거는 수성 궤도의 비정상적인 세차운동 속도에 대한 정확한 예측에서 나왔다.그 후, 아서 스탠리 에딩턴의 1919년 탐험은 1919년 5월 29일 개기일식 동안 태양에 의한 빛의 편향에 대한 아인슈타인의 예측을 확인하였고, 이는 실행 가능한 이론으로서 일반 상대성 이론의 지위를 확고히 하는데 도움을 주었다.그 이후로, 많은 관측치들이 일반 상대성 이론의 예측과 일치하는 것을 보여주었다.여기에는 바이너리 펄서의 연구, 태양의 사지를 통과하는 무선 신호의 관측, 그리고 심지어 지구 측위 시스템도 포함됩니다.

이벤트 호라이즌[28][29][30] 망원경으로 포착된 블랙홀 이벤트 호라이즌(M87*)의 첫 이미지

이 이론은 중력파를 예측하는데, 중력파는 시공간 곡률의 파동이며 파동으로 전파되어 근원으로부터 바깥쪽으로 이동한다.블랙홀의 합병으로 인한 중력파의 첫 관측은 2015년 9월 14일 Advanced LIGO 팀에 의해 이루어졌으며,[31][32][33] 이는 발표된 지 100년 만에 이 이론에 대한 또 다른 예측을 뒷받침한다.

메시에 87 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 첫 이미지는 2019년 [34]4월 10일 이벤트 호라이즌 망원경 협업에 의해 발표되었다.

대체 이론

일반 상대성 이론의 수정을 찾기 위한 다양한 시도가 있었다.이들 중 가장 유명한 것은 브랜스-딕케 이론(스칼라-텐서 이론으로도 알려져 있음)과 로젠의 바이메트릭 이론이다.이 두 이론 모두 일반 상대성 이론의 필드 방정식에 변화를 제안했고, 두 이론 모두 양극성 중력 복사의 존재를 가능하게 하는 이러한 변화에 시달렸다.결과적으로, 로젠의 원래 이론은 이진 펄서의 관측에 의해 반박되었다.Brans-Dicke(일반 상대성 이론과 θ = θ가 동일하도록 조정 가능한 매개변수 θ를 갖는 것)에 대해서는 일반 상대성 이론과 다를 수 있는 양이 이러한 관찰에 의해 심각하게 제한되었다.

게다가, 일반 상대성은 물질의 파동-입자 이중성을 설명하는 물리 이론인 양자 역학과 일치하지 않으며, 양자 역학은 현재 관련된 (현미경) 척도에서 중력을 설명하지 않는다.물리학계에서는 일반 상대성 이론과 양자 역학 모두를 일관되게 통합하기 위해 필요한 수정에 대해 많은 추측이 있다.일반 상대성 이론과 양자 역학을 통합하는 추측이론은 보통 양자 중력이라고 불리며, 그 대표적인 예로는 이론과 루프 양자 중력이 있다.

황금시대

교수는 "일반상대성이론의 황금기"를 1960년부터 1975년까지의 대략적인 기간으로 보고 있는데, 이 기간 동안 일반상대성이론[35]호기심으로 여겨졌던 연구가 이론물리학[36]주류로 진입한 시기이다.이 기간 동안, 블랙홀과 중력 특이점을 포함하여 중력 연구자들과 일반 대중들의 상상력을 계속 고무시키는 많은 개념과 용어들이 소개되었다.동시에, 밀접하게 관련된 발전에서, 물리 우주론에 대한 연구가 주류를 이루었고 빅뱅은 잘 확립되었다.

풀비오 멜리아는 그의 책 "아인슈타인 코드 해독"에서 "상대성 황금기"를 자주 언급합니다.안제이 트라우트만은 1962년 바르샤바에서 멜리아가 언급하는 상대성 이론 컨퍼런스를 주최했다.

일반상대성이론은 파운드-렙카 실험 직후 바르샤바에서 열린 회의에서 매우 성공적으로 움직였고 1970년대 [37]중반까지 지속된 발견의 황금기로 접어들었다.

이 책의 주인공 로이 커는 이 책에 대해 "지금 우리가 상대성 [38]이론의 황금기라고 부르는 시기를 아름답게 포착한 주목할 만한 작품"이라고 후기를 기고했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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참고 문헌

외부 링크