시공간

물리학에서 시공간(時空間, spacetime)은 3차원 공간과 1차원 시간을 하나의 4차원 다양체manifold로 결합하는 수학적 모형이다. 시공간 다이어그램(spacetime diagram)은 사건event이 발생하는 장소와 시기에 서로 다른 관찰자observer가 다르게 인식하는 이유와 같은 상대론적 효과를 시각화하는 데 사용될 수 있다.
20세기까지 우주의 3차원 기하학(좌표, 거리, 방향에 대한 공간적 표현)은 1차원 시간과 무관하다고 가정했다. 물리학자 알베르트 아인슈타인은 상대성이론의 일부로 시공간의 개념을 발전시키는 데 도움을 주었다. 그의 선구적인 작업 이전에 과학자들은 물리적 현상을 설명하기 위해 두 가지 별도의 이론을 가지고 있었다: 아이작 뉴턴의 물리 법칙은 무거운 물체의 운동을 기술했고, 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 모형은 빛의 속성을 설명했다. 그러나 1905년에 아인슈타인은 특수 상대성이론에 대한 작업에서 두 가지 가정에 기초했다:
이러한 가정을 함께 취하는 논리적 결과는 공간과 시간의 4차원-지금까지 독립적인 것으로 가정됨-의 불가분의 결합이다. 많은 반직관적인 결과가 나타난다: 빛의 속도는 광원의 움직임과 무관할 뿐만 아니라 측정되는 기준계에 관계없이 일정하고; 서로 다른 관성 기준계에서 측정할 때 사건 쌍pair들의 거리와 시간 순서도 변경되며 (이것이 동시성의 상대성이다); 그리고 속도의 선형 가산성은 더 이상 유효하지 않다.
아인슈타인은 그의 이론을 운동학(움직이는 물체에 대한 연구)의 관점에서 틀을 잡았다. 그의 이론은 로런츠의 1904년 전자기 현상 이론과 푸앵카레의 전기역학 이론보다 발전된 것이다. 이러한 이론에는 아인슈타인이 도입한 방정식(즉, 로런츠 변환)과 동일한 방정식이 포함되어 있지만 그것들은 기존 패러다임에 본질적으로 맞추기가 극도로 어려운 한 다양한 실험들-유명한 마이컬슨-몰리 간섭계 실험을 포함-의 결과를 설명하기 위해 제안된 임시 모형이었다.
1908년, 헤르만 민코프스키-한때 젊은 아인슈타인의 취리히에서의 수학 교수 중 한 사람-는 시간과 공간의 3차원 공간을 현재 민코프스키 공간으로 알려진 단일 4차원 연속체continuum로 융합한 특수 상대성이론의 기하학적 해석을 제시했다. 이 해석의 주요 특징은 시공간 간격의 형식적 정의이다. 사건 사이의 거리와 시간 측정은 서로 다른 기준계에서 수행된 측정에 따라 다르지만 시공간 간격은 기록된 기준의 관성계과 독립적이다.
상대성이론에 대한 민코프스키의 기하학적 해석은 아인슈타인이 1915년 질량과 에너지가 어떻게 평평한 시공간을 준 리만 다양체로 곡선화하는지 보여준 일반 상대성이론을 발전시키는 데 핵심적인 역할을 한 것으로 입증되었다.
소개.
정의.
비상대론적 고전역학은 시간을 공간 전체에 걸쳐 균일하고 공간과 분리된 보편적인 측정량으로 취급한다. 고전역학은 시간이 관측자의 운동 상태나 외부의 어떤 상태에 관계없이 일정한 통과 속도를 갖는다고 가정한다. 또한 공간이 유클리드 공간이라고 가정하며; 그것은 공간이 상식의 기하학을 따른다고 가정한다.
특수 상대성이론의 맥락에서 시간은 3차원 공간과 분리될 수 없다. 관측된 시간이 물체에 대해 경과하는 속도는 관찰자에 대한 물체의 상대적 속도에 따라 달라지기 때문이다. 일반 상대성이론은 또한 중력장이 장 밖에서 관찰자가 볼 때 어떻게 물체의 시간 경과를 느리게 하는 가에 대한 설명을 제공한다.
일반 공간에서 위치는 차원이라고 하는 세 개의 숫자로 지정된다. 데카르트 좌표계에서는 이를 "x", "y" 및 "z"라고 한다. 시공간의 한 위치는 "사건"이라고 불리며 이를 특정하려면 4개의 숫자가 필요하다: 즉, 공간의 3차원 위치와 시간의 위치를 더한 것이다 (그림 1). 한 사건은 좌표 "x", "y", "z" 및 "t"의 집합으로 표시된다. 따라서 시공간은 4차원이다. 수학적 사건은 지속 시간이 0이고 시공간에서 단일 점을 나타낸다.
시공간을 통한 입자의 경로는 일련의 사건으로 간주될 수 있다. 일련의 사건들은 서로 연결되어 시공간의 진행을 나타내는 선을 형성할 수 있다. 그 선을 입자의 "세계선world line"이라고 불린다.
수학적으로 시공간은 "다양체"이다. 즉, 충분히 작은 규모에서 지구가 평평하게 보이는 것과 같은 방식으로 각 지점 근처에서 국소적으로locally "평평하게" 나타난다. 스케일 팩터
"c" (일반적으로 "빛의 속도"라고 함)는 공간에서 측정된 거리와 시간으로 측정된 거리를 연결한다. 이 스케일 팩터(scale factor)의 크기(공간에서 거의 300,000km 또는 190,000마일은 시간으로 1초에 해당함)와 시공간이 다양체라는 사실은 보통의 비상대론적 속도와 보통의 인간 규모에서 거리를 감안할 때 인간이 관측할 수 있는 것은 거의 없으며 세계가 유클리드라면 관측할 수 있는 것과 눈에 띄게 다르자 않다는 것을 의미한다. 피조 실험(Fizeau experiment)과 마이컬슨-몰리 실험과 같은 민감한 과학적 측정이 1800년대 중반에 등장하면서야 비로소 유클리드 공간의 암묵적인 가정에 기반한 관측과 예측 사이에 당혹스러운 불일치가 나타나기 시작했다.
특수 상대성이론에서 관찰자는 대부분의 경우 대상이나 사건의 집합을 측정하는 기준계를 의미한다. 이 사용법은 용어의 일반적인 영어 의미와 크게 다르다. 기준계는 본질적으로 비국소적 구성이며, 이 용어의 사용에 따르면 관측자가 위치를 가지고 있다고 말하는 것은 이치에 맞지 않는다. 그림 1-1에서 고려 중인 틀에 3차원 공간 전체에 걸쳐 무한히 확장되는 이 기준계 내에서 동기화된 조밀한 시계 격자가 장착되어 있다고 상상해 보라. 격자 내의 특정 위치는 중요하지 않다. 시계의 격자 구조는 전체틀 내에서 발생하는 사건의 시간과 위치를 결정하는 데 사용된다. "관찰자"observer라는 용어는 하나의 기준 관성계과 관련된 전체 시계 앙상블을 나타낸다. 이 이상적인 경우 공간의 모든 지점에는 연결된 시계가 있으므로 시계는 각 사건을 즉시 등록한다. 사건과 녹화 사이에는 시간 지연이 없다. 그러나 실제 관찰자는 빛의 속도로 인해 신호 방출과 감지 사이에 지연이 있음을 알 수 있다. 시계을 동기화하기 위해 실험 후 데이터 보정(data reduction)에서 신호가 수신된 시간은 이상적인 시계 격자에 의해 기록된 실제 시간을 반영하도록 수정된다.
특수 상대성이론에 관한 많은 책, 특히 오래된 책에서 "관찰자"라는 단어는 보다 일반적인 의미로 사용된다. 어떤 의미가 채택되었는지는 일반적으로 문맥에서 분명하다.
물리학자들은 "측정"하거나 "관측"하는 것(신호 전파 지연을 고려한 후)과 그러한 보정 없이 시각적으로 보는 것을 구별한다. 측정/관측하는 것과 보는 것의 차이를 이해하지 못하는 것은 상대성 이론을 공부하는 초보 학생들 사이에서 많은 오류의 원인이 된다.
역사.
1800년대 중반까지 아라고 반점(Arago spot)의 관찰 및 물과 공기 중 빛의 속도 차이 측정과 같은 다양한 실험은 빛의 미입자 이론(corpuscular theory of light)과 반대되는 빛의 파동 특성을 입증하는 것으로 간주되었다. 파동의 전파는 파동 매체의 존재를 필요로 하는 것으로 가정되었다. 광파의 경우, 이것은 가상의 에테르로 간주되었다. 그러나 이 가상 매질의 특성을 확립하려는 다양한 시도는 모순된 결과를 낳았다. 예를 들어, 1851년 프랑스 물리학자 이폴리트 피조가 수행한 피조 실험(Fizeau experiment)은 흐르는 물에서 빛의 속도가 물의 굴절률에 따라 물의 속도를 더한 합보다 작다는 것을 증명했다. 다른 문제들 중에서, 굴절률(파장에 따라 다름)에 대한 이 실험에 의해 암시된 부분적인 에테르-끌림(aether-dragging)의 의존성은 에테르가 서로 다른 색상의 빛에 대해 서로 다른 속도로 동시에 흐른다는 불쾌한 결론으로 이어졌다. 1887년의 유명한 마이컬슨-몰리 실험(그림 1-2)은 가상의 에테르를 통한 지구의 운동이 빛의 속도에 미치는 차등적인 영향을 보여주지 않았으며, 가장 가능성 있는 설명인 완전한 에테르 끌기는 항성 광행차와 충돌했다.
1889년 조지 프랜시스 피츠제럴드George Francis FitzGerald와 1892년 헨드릭 로런츠는 독립적으로 고정된 에테르를 통과하는 물질체가 통과에 의해 물리적으로 영향을 받으며 운동 방향으로 수축하는 것을 설명하는 데 정확히 마이컬슨-몰리 실험의 부정적인 결과에 필요한 양만큼 수축한다고 제안했다. (움직이는 방향의 가로 방향에서는 길이 변화가 일어나지 않는다.)
1904년까지 로런츠는 그의 이론을 확장하여 아인슈타인이 나중에 도출하게 된 것과 형식적으로 동일한 방정식(즉, 로런츠 변환)에 도달했지만 근본적으로 다른 해석에 도달했다. 동역학 이론(힘과 돌림힘 및 운동에 대한 영향에 대한 연구)으로서 그의 이론은 물질의 물리적 구성요소의 실제 물리적 변형을 가정했다. 로런츠의 방정식은 그가 광행차, 피조 실험 및 기타 현상을 설명할 수 있는 현지 시간이라고 부르는 양을 예측했다. 그러나 로런츠는 현지 시간을 한 시스템에서 다른 시스템으로의 변환을 단순화하기 위한 보조 수학적 도구, 말하자면 속임수로 간주했다.
세기의 전환기에 다른 물리학자와 수학자들은 현재 시공간으로 알려진 것에 거의 도달했다. 아인슈타인 자신은 많은 사람들이 퍼즐의 개별 조각을 푸는 것과 더불어서 "특수 상대성이론의 발전을 돌이켜 보면 1905년의 발견을 위해 무르익었다"고 말했다.
중요한 예는 앙리 푸앵카레로서,: 73–80, 93–95 그는 1898년에 두 사건의 동시성은 관례의 문제라고 주장했다. 1900년에 그는 로런츠의 "현지 시간"은 실제로 일정한 광속을 가정한 시계 동기화의 명시적 '작동 정의'를 적용하여 움직이는 시계에 의해 표시되는 것임을 인식했다. 1900년과 1904년에 그는 상대성 원리의 타당성을 강조함으로써 에테르에 내재된 탐지 불가능성을 제시했고, 1905/1906년 그는 상대성의 가정postulate에 따라 로런츠의 전자 이론을 수학적으로 완성했다. 로런츠 불변 중력에 대한 다양한 가설을 논의하면서 그는 4-위치, 4-속도 및 4-힘의 다양한 4-벡터를 정의하여 4차원 시공간의 혁신적인 개념을 도입했다. 그는 후속 논문에서 4차원적 형식주의를 추구하지 않았지만, 이러한 연구는 "제한된 이익을 위해 큰 고통을 수반한다"고 말하면서 궁극적으로 "3차원 언어가 우리 세상을 기술하는 데 가장 적합해 보인다"는 결론을 내렸다. ". 게다가, 1909년까지 푸앵카레는 로런츠 변환의 동적 해석을 계속 믿었다. 이러한 이유로 대부분의 과학 역사가는 푸앵카레가 현재 특수 상대성이론이라고 불리는 것을 발명하지 않았다고 주장한다.
1905년에 아인슈타인은 시공간 이론으로서의 현대적 이해에 특수 상대성이론(시공간 형식주의의 기법을 사용하지 않더라도)을 도입했다. 그의 결과는 수학적으로 로런츠와 푸앵카레의 결과와 동일하지만 아인슈타인은 로런츠 변환이 물질과 에테르 사이의 상호 작용의 결과가 아니라 공간과 시간 자체의 본성에 관한 것임을 보여주었다. 그는 전체 이론이 상대성 원리와 광속 불변성 원리라는 두 가지 가정에 기반을 둘 수 있음을 인식함으로써 모든 결과를 얻었다.
아인슈타인은 동역학보다는 운동학(힘에 대한 참조 없이 움직이는 물체에 대한 연구) 측면에서 분석을 수행했다. 주제를 소개하는 그의 작업은 움직이는 시계 사이의 빛 신호 교환, 움직이는 막대의 길이를 신중하게 측정하는 등의 생생한 이미지로 가득 차 있다.
또한 1905년 아인슈타인은 일반적인 질량-에너지 등가성를 도입하여 전자기 질량(electromagnetic mass)-에너지 관계의 이전 시도를 대체했으며, 이는 관성 질량과 중력 질량의 등가를 선언한 1907년 등가원리의 후속 공식화에 수단이 되었다. 또한 아인슈타인은 질량-에너지 등가법을 이용하여 물체의 중력 질량이 에너지 함량에 비례한다는 것을 보여주었는데, 이는 일반 상대성이론을 발전시킨 초기 결과 중 하나였다. 처음에는 시공간에 대해 기하학적으로 생각하지 않은 것처럼 보이지만, 일반 상대성이론의 추가 발전에서 아인슈타인은 시공간 형식주의를 완전히 통합했다.
아인슈타인이 1905년에 책을 출판했을 때 그의 경쟁자였던 그의 전 수학 교수인 헤르만 민코프스키도 특수 상대성이론의 기본 요소 대부분에 도달했다. 막스 보른은 민코프스키의 학생/협력자가 되기 위해 민코프스키와 함께 했던 회의에 대해 자세히 말하길:
나는 쾰른에 가서 민코프스키를 만났고 1908년 9월 2일에 그의 유명한 강의 '공간과 시간'을 들었다. [...] 그는 나중에 나에게 아인슈타인이 서로 상대적으로 움직이는 관측자들의 다른 지역 시간의 동등성이 선언된그의 논문을 발표했을 때 그에게 큰 충격을 주었다고 말했는데; 왜냐하면 그는 독립적으로 동일한 결론에 도달했지만 모두 화려함 속에서 수학적 구조를 먼저 해결하기를 원했으므로 그것들을 출판하지 않았기 때문이다. 그는 결코 우선권 주장을 하지 않았으며 항상 아인슈타인에게 위대한 발견에 대한 완전한 몫을 주었다.
민코프스키와 다비드 힐베르트가 로런츠, 푸앵카레 등의 논문을 연구하기 위해 당대의 저명한 물리학자들이 참석한 고급 세미나를 이끌었던 1905년 여름 이후 민코프스키는 마이컬슨의 파괴적 실험 이후 전기역학의 상태에 관심을 가졌다. 그러나 민코프스키가 그의 이름을 딴 특수상대성이론의 기하학적 공식을 공식화하기 시작한 때 또는 그가 로런츠 변환에 대한 푸앵카레의 4차원 해석에 어느 정도 영향을 받았는지는 전혀 분명하지 않다. 또한 그가 아인슈타인의 작업을 로런츠 작업의 연장선으로 생각하면서 로런츠 변환의 이해에 대한 아인슈타인의 비판적 기여를 충분히 이해했는지 여부도 분명하지 않다.
1907년 11월 5일(죽기 1년 조금 전), 민코프스키는 '상대성 원리(Das Relativitätsprinzip)'라는 제목으로 괴팅겐 수학 학회에 강의에서 시공간의 기하학적 해석을 소개했다. 9월 21일 1908년, 민코프스키는 그의 유명한 강연인 &lt;공간과 시간(Raum und Zeit)&gt;을 독일 과학자 및 물리학자 협회에 발표했다. &lt;공간과 시간&gt;의 서두에는 "이제부터 자신을 위한 공간과 그 자체를 위한 시간은 완전히 그림자에 불과할 것이며 이 둘의 일종의 결합만이 독립을 보존할 것이다"라는 민코프스키의 유명한 말을 포함한다. &lt;공간과 시간&gt;은 시공간 도표(그림 1-4)의 첫 번째 공개 발표를 포함했으며 또한 빛의 속도가 유한하다는 경험적 관찰이 가능함과 더불어 '불변 간격'의 개념(아래에서 논의됨)은 특수 상대성이론 전체를 유도를 허용한다는 괄목할만한 실연을 포함했다.
시공간 개념과 로런츠 군(Lorentz group)은 시공간 간격과 유사한 불변 간격이 사용되는 19세기에 이미 개발된 특정 유형의 구, 쌍곡기하학 또는 등각 기하학(conformal geometry) 및 그 변환 그룹과 밀접하게 연결되어 있다.
아인슈타인은 처음에 특수 상대성이론에 대한 민코프스키의 기하학적 해석을 überflüssige Gelehrsamkeit(불필요한 학습)로 간주하여 무시했다. 그러나 1907년에 시작된 일반 상대성이론에 대한 탐구를 완성하기 위해서는 상대성이론에 대한 기하학적 해석이 불가결함이 증명되었고, 1916년에 아인슈타인은 일반 상대성이론으로의 전환을 크게 촉진한 민코프스키에게 대한 자신의 빚을 완전히 인정했다. 일반 상대성이론의 곡선 시공간과 같은 다른 유형의 시공간이 있기 때문에 특수 상대성이론의 시공간은 오늘날 '민코프스키 시공간'으로 알려져 있다.
특수 상대성이론에서의 시공간.
시공간 간격.
3차원에서 두점 사이의 '거리' formula_1는
피타고라스 정리를 사용하여 정의될 수 있으니:
두 명의 보는 사람이 서로 다른 좌표계를 사용하여 두 점의 "x", "y" 및 "z" 위치를 측정할 수 있지만 점 사이의 거리는 둘 다 동일하다(같은 단위를 사용하여 측정한다고 가정). 거리는 "불변"이다.
그러나 특수 상대성이론에서는 관찰자 중 한 명이 움직일 때 두 개의 다른 관찰자가 측정하면 로런츠 수축으로 인해 두 점 사이의 거리가 더 이상 동일하지 않다. 두 지점이 시간적으로나 공간적으로 분리되어 있다면 상황은 더욱 복잡해진다. 예를 들어, 한 관찰자가 두 사건이 같은 장소에서 발생하는 것을 보았지만 다른 시간에 첫 번째 관찰자와 관련하여 움직이는 사람은 (그들의 관점에서) 고정되어 있기 때문에 다른 장소에서 발생하는 두 사건을 볼 것이며, 사건의 위치는 멀어지거나 다가오고 있다. 따라서 두 사건 간의 유효 "거리"를 측정하려면 다른 측정을 사용해야 한다.
4차원 시공간에서 거리에 대한 유사체는 간격이다. 시간은 4차원으로 들어오지만 공간 차원과는 다르게 취급된다. 따라서 민코프스키 공간은 4차원 유클리드 공간과 중요한 측면에서 다르다. 공간과 시간을 시공간으로 병합하는 근본적인 이유는 공간과 시간이 별도로 불변하지 않기 때문이니, 즉, 적절한 조건에서 서로 다른 관찰자들은 두 사건 사이의 시간 길이(시간 팽창으로 인해) 또는 두 사건 사이의 거리(길이 수축으로 인해)에 대해 동의하지 않을 것이다. 그러나 특수 상대성이론은 공간과 시간의 거리를 결합하는 시공간 간격이라고 하는 새로운 불변량을 제공한다. 두 사건 사이의 시간과 거리를 측정하는 모든 관찰자는 결국 동일한 시공간 간격을 계산하게 된다. 관찰자가 formula_3와 공간적 거리 formula_4에 의해 시간적으로 분리된 두 사건을 측정한다고 가정하라. 그러면 공간에서 거리 formula_5와 formula_6 좌표에서 formula_7로 분리된 두 사건 사이의 시공간 간격 formula_8은:
혹은 3차원 공간 차원의 경우,
상수 formula_11, 빛의 속도는 시간 단위(초와 같은)를 공간 단위(미터와 같은)로 변환한다. 제곱 간격 formula_12은 두 개의 개별 객체가 사건을 겪고 있거나 단일 객체가 공간은 사건 사이에서 관성적으로 움직인다. 분리 간격은 사건 B와 사건 A를 분리하는 공간 거리를 제곱하고 동일한 시간 간격 formula_3에서 빛 신호가 이동한 공간 거리의 제곱에서 빼서 도출된다. 사건 분리가 광 신호로 인한 것이라면 이 차이는 사라지고 formula_14.
고려된 사건이 서로 극도로 가까울 때, 우리는 쓸 수 있기를
다른 관성계에서, 예를 들어 좌표 formula_16로 시공간 간격 formula_17는 다음과 같은 형식으로 쓸 수 있다. 위에. 빛의 속도가 일정하기 때문에 모든 관성계의 빛 사건은 0간격, formula_18에 속한다. formula_19인 다른 극소 사건의 경우, formula_20임을 증명할 수 있다.
이는 통합 시 formula_21로 이어진다. 모든 중간 좌표계 사이의 모든 사건 간격의 불변성은 특수 상대성이론의 근본적인 결과 중 하나이다.
간결함을 위해 다음 논의의 대부분을 포함하여 델타 없이 표현된 간격 표현식을 자주 볼 수 있지만 일반적으로 formula_22는 formula_5 등을 의미한다는 점을 이해해야 한다. 우리는 항상 두 사건에 속하는 공간적 또는 시간적 좌표 값의 '차이'에 대해 관심을 갖고 있으며, 선호하는 원점이 없기 때문에 단일 좌표 값은 본질적인 의미가 없다.
위의 방정식은 formula_24와 formula_25항 사이에 마이너스 기호가 있다는 점을 제외하고는 피타고라스 정리와 유사하다. 시공간 간격은 formula_26자체가 아니라 수량 formula_27이다. 그 이유는 유클리드 기하학의 거리와 달리 민코프스키 시공간의 간격이 음수일 수 있기 때문이다. 물리학자들은 음수의 제곱근을 다루기보다 관례적으로 formula_27 은 어떤 것의 제곱이 아니라 고유한 기호로 간주한다.
일반적으로 formula_27은 실수값을 가정할 수 있다. formula_27이 양수이면 시공간 간격을 시간꼴timelike (간격)이라고 한다. 무거운 물체가 가로지르는 공간 거리는 같은 시간 간격 동안 빛이 이동한 거리보다 항상 작기 때문에 실제 간격은 항상 시간성이다. formula_27가 음수이면 시공간 간격을 공간꼴spacelike (간격)이라고 하며, 여기서 시공간 간격은 허수이다. formula_32일 때 시공간 간격은 0과 같다. 즉, 세계선에서 빛의 속도로 움직이는 두 사건 사이의 시공간 간격은 0이다. 이러한 간격을 빛꼴lightlike 또는 널null (간격)이라고 한다. 먼 별에서 우리 눈에 들어오는 광자는 (우리의 관점에서) 통과하는 데 몇 년이 걸렸음에도 불구하고 노화되지 않을 것이다.
시공간 다이어그램은 일반적으로 단일 공간과 단일 시간 좌표만으로 그려진다. 그림 2-1은 동일한 사건에서 발생하고 반대 방향으로 진행하는 두 광자 A와 B의 세계선(즉, 시공간의 경로)을 나타내는 시공도를 나타낸다. 또한 C는 광속보다-느린-물체의 세계선을 나타낸다. 수직 시간 좌표는 수평 공간 좌표와 동일한 단위(미터)를 갖도록 formula_11로 조정된다. 광자는 빛의 속도로 이동하기 때문에 세계선의 기울기는 ±1이다. 즉, 광자가 왼쪽이나 오른쪽으로 이동하는 모든 미터에는 약 3.3나노초의 시간이 필요하다.
상대성 이론에는 두 가지 기호 규칙이 사용된다.
그리고
이러한 기호 규칙은 계량 부호수(metric signature) 및 와 연관된다. 약간의 변형은 시간 좌표를 처음보다 마지막에 배치하는 것이다. 두 규칙들 모두 연구 분야에서 널리 사용된다.
기준계.
서로 다른 기준계(reference frames)에서 관찰자가 측정한 시공간 좌표가 서로 어떻게 비교되는지에 대한 통찰력을 얻으려면 '표준 구성'의 계frames로 단순화된 설정으로 작업하는 것이 좋다. 조심스럽게, 이것은 도달된 결론의 일반성을 잃지 않고 수학의 단순화를 허용한다. 그림 2-2에서는 두 개의 갈릴레이 기준계(즉, 기존의 3차원 좌표계)가 상대적인 움직임으로 표시된다. 계 S는 첫 번째 관찰자 O에 속하고 계 S'("S 프라임"으로 발음)는 두 번째 관찰자 O'에 속한다.
그림 2-3a는 그림 2-2를 다른 방향으로 다시 그린다. 그림 2-3b는 관찰자 O의 관점에서 본 시공간 다이어그램을 보여준다. S와 S′는 표준 구성에 있으므로 S계에서 시간 "t" = 0, 계 S′에서 "t"′ = 0에서 원점이 일치한다. "ct"′ 축은 "x"′ = 0인 S′계의 사건을 통과한다. 그러나 "x"′ = 0인 점은 계 S의 "x" 방향으로 속도 "v"로 이동하므로 "ct"와 일치하지 않는다. 0이 아닌 다른 시간에 축. 따라서 "ct"′ 축은 "ct" 축에 대해 다음과 같은 각도 "θ"만큼 기울어진다.
"x"′축도 "x"축에 대해 기울어져 있다. 이 기울기의 각도를 결정하기 위해 우리는 광 펄스의 세계선의 기울기가 항상 ±1임을 기억한다. 그림 2-3c는 관찰자 O′의 관점에서 본 시공간도를 나타낸다. 사건 P는 "x"′ = 0, "ct"′ = -"a"에서 광 펄스의 방출을 나타냉다. 펄스는 광원(사건 Q)에서 거리 "a"에 위치한 거울에서 반사되고 "x"′ = 0, "ct"′ = "a"(사건 R)에서 광원으로 돌아간다.
동일한 사건 P, Q, R이 관찰자 O의 계에 그림 2-3b에 표시된다. 광 경로는 기울기 = 1 및 -1을 가지므로 △PQR은 45도에서 PQ 및 QR이 모두 직각 삼각형을 형성한다. "x" 및 "ct"축에. OP = OQ = OR이므로 "x"′와 "x"사이의 각도도 "θ"이여야 한다.
나머지 계는 직각으로 만나는 공간 및 시간 축을 가지고 있는 반면, 움직이는 계는 예각으로 만나는 축으로 그려잔다. 계은 실제로 동일하다. 비대칭은 시공간 좌표가 데카르트 평면에 매핑될 수 있는 방법의 불가피한 왜곡으로 인한 것이며, 지구의 극 근처의 육지 덩어리의 상대적 크기(그린란드 및 남극 대륙)가 적도 근처의 육지 덩어리에 비해 매우 과장되어 있는 메르카토르 도법 방식보다 보다 더 이상하다고 여겨서는 안된다.
광추.
그림 2-4에서 사건 O는 시공간 도표의 원점에 있으며 두 개의 대각선은 원점 사건에 대해 시공간 간격이 0인 모든 사건을 나타낸다. 두 번째 공간 차원(그림 2-5)을 추가하면 두 개의 원뿔 모양을 만들기 때문에 이 두 선은 사건 O의 "광추(빛원뿔)light cone"이라고 불리는 것을 형성한다. O에서 정상과의 만남. 하나의 원뿔은 미래(t&gt;0) 로 확장되고 다른 원뿔은 과거(t&lt;0) 로 확장된다.
(이중) 광추는 시공간을 정점을 기준으로 별도의 영역으로 나눈다. 미래 광추의 내부는 광속으로 "공간적 거리"를 가로지르는 데 필요한 것보다 더 많은 시간(시간적 거리)만큼 정점에서 분리된 모든 사건들로 구성된다. 이 사건들은 사건 O의 "시간꼴timelike 미래"를 구성한다. 마찬가지로 "시간꼴 과거"는 과거 광추의 내부 사건을 포함한다. 따라서 "시간꼴 간격 Δct"는 "Δx"보다 커서 시간과 같은 간격을 양수로 만든다. 광추의 외부 영역은 주어진 시간에 광속으로 건너갈 수 있는 것보다 더 많은 공간만큼 사건 O에서 분리된 사건으로 구성된다. 이러한 사건은 그림 2-4에서 "다른 곳(Elsewhere)"으로 표시된 사건 O의 소위 "공간꼴spacelike" 영역으로 구성된다. 광추 자체의 사건은 O에서 "빛꼴lightlike"(또는 "널null 분리된")이라고 말한다. 시공간 간격의 불변성 때문에 모든 관찰자들은 주어진 사건에 동일한 광추를 할당할 것이고, 따라서 이러한 시공간의 분할에 동의할 것이다.
광추는 인과관계의 개념 내에서 필수적인 역할을 한다. 광속보다 빠르지 않은 신호는 O의 위치와 시간에서 D의 위치와 시간으로 이동할 수 있다(그림 2-4). 따라서 사건 O가 사건 D에 인과적 영향을 미칠 수 있다. 미래의 광추는 O에 의해 인과적으로 영향을 받을 수 있는 모든 사건들을 포함한다. 마찬가지로, 광속보다-빠르지-않은 신호는 A의 위치와 시간에서 O의 위치와 시간으로 이동한다. 과거의 광추에는 O에 인과적 영향을 미칠 수 있는 모든 사건들이 포함되어 있다. 대조적으로 신호가 빛의 속도보다 빠르게 이동할 수 없다고 가정하면, 사건, 공간꼴 영역(다른 곳)의 모든 사건 예를 들면 B 또는 C는, 사건 O에 영향을 줄 수 없으며 이러한 신호를 사용하는 사건 O에 의해 영향을 받을 수도 없다. 이 가정 하에서 사건 O와 광추의 공간꼴 영역의 사건 사이의 인과 관계는 배제된다.
동시성의 상대성.
모든 관찰자는 주어진 사건에 대해 주어진 사건의 미래 광추의 사건이 주어진 사건 후에 발생한다는 데 동의한다. 마찬가지로, 주어진 사건에 대해 주어진 사건의 과거 광추 내의 사건은 주어진 사건보다 먼저 발생한다. 시간꼴 분리된 사건에 대해 관찰된 전후 관계는 관찰자의 기준계, 즉 관찰자가 어떻게 움직여도 상관없다. 공간꼴 분리된 사건의 경우 상황이 상당히 다르다. 그림 2-4는 에서 움직이는 관찰자의 기준 좌표계에서 그린 것이다. 이 기준 좌표계에서 사건 C는 사건 O이후에 발생하는 것으로 관찰되고 사건 B는 사건 O이전에 발생하는 것으로 관찰된다. 다른 기준계에서 이러한 인과 관계가 없는 사건의 순서는 역전될 수 있다. 특히, 특정 기준계에서 두 개의 사건이 동시에 발생하는 경우 반드시 공간꼴 간격으로 분리되므로 인과 관계가 없다는 점에 유의하라. 동시성이 절대적이지 않고 관찰자의 기준틀에 의존한다는 관찰을 동시성의 상대성이라고 한다.
그림 2-6은 동시성의 상대성 분석에서 시공간의 다이어그램을 사용하는 것을 보여준다. 시공간의 사건은 불변하지만 좌표계는 그림 2-3에 대해 위에서 설명한 대로 변환된다. 세 가지 사건 는 에서 움직이는 관찰자의 기준 좌표계에서 동시에 발생한다. 에서 움직이는 관찰자의 기준 좌표계에서 사건은 순서로 발생하는 것으로 보인다. , 에서 움직이는 관찰자의 기준 좌표계에서 사건은 의 순서로 발생하는 것으로 보인다. 흰색 선은 관찰자의 과거에서 현재 시점으로 이동하는 동시성의 평면을 나타낸다. 관찰자의 미래, 거기에 있는 사건을 강조 표시한다. 회색 영역은 변하지 않는 관찰자의 광추이다.
공간꼴 시공간 간격은 측정되는 사건이 관찰자와 동시에 발생하는 경우 관찰자가 측정하는 것과 동일한 거리를 제공한다. 따라서 공간꼴 시공간 간격은 '고유 거리' 즉 실제 거리 = formula_37의 측정값을 제공한다. 마찬가지로, 시간꼴 시공간 간격은 주어진 세계선을 따라 움직이는 시계의 누적 똑딱임으로 표시되는 것과 동일한 시간 측정값을 제공한다. 시간꼴 시공간 간격은 따라서 '고유 시간' = formula_38의 측정값을 제공한다.
불변 쌍곡선.
유클리드 공간(공간 차원만 있음)에서 일부 점에서 등거리(유클리드 계량 사용)의 점 집합은 원(2차원) 또는 구(3차원)를 형성한다. (1+1)차원의 민코프스키 시공간(하나의 시간적 차원과 하나의 공간적 차원을 가짐)에서 원점에서 일정한 시공간 간격(민코프스키 계량 사용)에 있는 점은 두 방정식으로 주어진 곡선을 형성하여
formula_40양의 실수 상수가 있다. 이 방정식은 '불변 쌍곡선'이라고 하는 "x"-"ct" 시공간 도표에서 쌍곡선의 두 종류를 설명한다.
그림 2-7a에서 각 자홍색 쌍곡선은 원점에서 일정한 공간적 분리가 있는 모든 사건을 연결하고 녹색 쌍곡선은 동일한 시간적 분리의 사건을 연결한다.
"x"축을 가로지르는 자홍색 쌍곡선은 시간과 같은 곡선이다. 즉, 이러한 쌍곡선은 시공간의 (지속적으로 가속하는) 입자가 통과할 수 있는 실제 경로를 나타낸다. 모든 시컨트에 대해 필요한 속도를 나타내는 기울기의 역수는 "c"보다 작기 때문이다. 반면에, "ct"축을 가로지르는 녹색 쌍곡선은 이 쌍곡선을 따라 있는 모든 간격이 공간꼴 간격이기 때문에 공간꼴 곡선이다.
그림 2-7b는 (1+2)차원의 민코프스키 시공간(1개의 시간적 차원과 2개의 공간적 차원)에서 해당 쌍곡면의 상황을 반영한다. 원점으로부터 공간성 간격만큼 변위된 불변 쌍곡선은 한 시트의 쌍곡면을 생성하는 반면, 원점으로부터 시간성 간격만큼 변위된 불변 쌍곡선은 두 시트의 쌍곡면을 생성한다.
원점에 대해 영의 시공간 간격을 형성하는 사건에 의해 확립된 공간꼴 쌍곡면과 시간꼴 쌍곡면 사이의 (1+2)차원 경계는 쌍곡면을 광추로 퇴화시켜 구성된다. (1+1)차원에서 쌍곡선은 그림 2-7a에 표시된 두 개의 회색 45°선으로 퇴화된다.
시간 팽창과 길이 수축.
그림 2-8은 5미터(약 1.67 × 10-8초)의 적절한 시간에 원점에서 도달할 수 있는 모든 사건에 대한 불변 쌍곡선을 보여준다. 다른 세계 선은 다른 속도로 움직이는 시계를 나타낸다. 관찰자에 대해 정지해 있는 시계는 수직인 세계선을 가지며, 관찰자가 측정한 경과 시간은 고유 시간과 동일하다. 0.3"c"로 진행하는 시계의 경우 관찰자가 측정한 경과 시간은 5.24미터(1.75 × 10-8s)이고, 0.7"c"로 진행하는 시계의 경우 관찰자가 측정한 경과 시간은 7.00미터(2.34 × 10-8초). 이것은 시간 팽창으로 알려진 현상을 설명한다. 더 빨리 이동하는 시계는 동일한 양의 고유 시간을 확인하는 데 (관찰자 계에서) 더 오래 걸리며 시간 팽창 없이 있을 때보다 고유 시간 내에 "x"축을 따라 더 멀리 이동한다. 다른 관성 기준계에서 두 관찰자가 시간 팽창을 측정하는 것은 상호적이다. 관찰자 O가 자신의 계에서 관찰자 O'의 시계가 느리게 실행되는 것으로 측정하면 관찰자 O'는 차례로 관찰자 O의 시계가 느리게 실행되는 것으로 측정한다.
시간 팽창과 마찬가지로 길이 수축(length contraction)은 동시성의 상대성이론을 나타낸다. 길이를 측정하려면 기준 계에서 동시에 발생하는 두 사건 사이의 시공간 간격을 측정해야 한다. 그러나 한 기준계에서 동시적인 사건은 일반적으로 다른 기준계에서 동시적이지 않다.
그림 2-9는 "x"축을 따라 0.5c로 이동하는 1m 막대의 운동을 보여준다. 파란색 밴드의 가장자리는 막대의 두 끝점에 대한 세계선을 나타낸다. 불변 쌍곡선은 1m의 공간 간격으로 원점에서 분리된 사건을 나타다. "t"′ = 0 일 때 측정된 끝점 O와 B는 S′계에서 동시 사건이다. 그러나 S계의 관찰자에게 사건 O와 B는 동시적이지 않다. 길이를 측정하기 위해 S계의 관찰자는 표준선을 따라 "x" 축에 투영된 막대의 끝점을 측정한다. 막대의 세계 시트를 "x"축에 투영하면 길이 OC가 단축된다.
(도해되지 않은) "x"′축 과 교차하도록 A를 지나는 수직선을 그리면 관찰자 O의 관점에서 OB가 축소되더라도 관찰자 O′의 관점에서 OA도 마찬가지로 축소됨을 알 수 있다. 각 관찰자가 상대방의 시계를 느리게 움직이는 것으로 측정하는 것과 같은 방식으로, 각 관찰자는 상대방의 자를 수축된 것으로 측정한다.
상호 길이 수축과 관련하여 그림 2-9는 프라임 계와 비프라임 계는 쌍곡선 각도(hyperbolic angle)(유클리드 기하학의 일반 각도와 유사)에 의해 상호 회전되는 것을 보여준다. 이 회전으로 인해 프라임 계의 투영이 비프라임 "x" 축 위의 미터 막대는 축소되며, 비프라임 미터 막대의 프라임 "x"′-축 투영도 마찬가지로 축소된다.
상호 시간 팽창과 쌍둥이 역설.
상호 시간 팽창.
상호 시간 팽창과 길이 수축은 초보자를 본질적으로 자기모순적인 개념으로 인식시키는 경향이 있다. S계의 관찰자가 S'계에서 정지한 시계를 자신보다 느리게 실행하는 것으로 측정하고 S'는 S에서 속도 "v"로 움직이는 것으로 측정하면 상대성 원리는 S'계의 관찰자도 마찬가지로 측정할 것을 요구한다. S계의 시계는 S'에서 -"v"의 속도로 움직이며 그녀것보다 느리게 간다. 어떻게 두 시계가 다른 시계보다 '모두 느리게' 갈 수 있는지는 "특수 상대성이론을 이해하는 핵심으로 가는" 중요한 질문이다.
이 명백한 모순은 필요한 관련 측정의 다양한 설정을 올바르게 고려하지 않은 데서 비롯된다. 이러한 설정은 명백한 모순에 대한 일관된 설명을 허용한다. 그것은 두 개의 동일한 시계의 추상적인 똑딱거리는 것에 관한 것이 아니라, 움직이는 시계의 두 똑딱임의 시간적 거리를 한 계에서 측정하는 방법에 관한 것이다. 각각의 계에서 움직이는 시계의 똑딱임 사이의 지속 시간을 상호 관찰할 때 서로 다른 시계 세트가 관련되어야 한다는 것이 밝혀졌다. S계에서 움직이는 시계 W'(S'에서 정지)의 똑딱임 지속 시간을 측정하기 위해 공간 거리 "d"를 가진 S의 두 개의 임의 고정 지점에서 두 개의 추가 동기화된 시계 W1 및 W2를 사용한다.
반대로, S'계에서 움직이는 시계 W의 두 사건의 시간적 거리를 판단하려면(S에서 정지된) S'에서 정지한 두 개의 시계가 필요하다.
각각 S 또는 S'에 "움직이는 시계 1개" 및 "휴식 중인 시계 2개"가 있는 두 가지 판단에 필요한 녹음에는 각각 3개의 시계가 있는 2개의 다른 세트가 포함된다. 측정과 관련된 다양한 시계 세트가 있기 때문에 한 관찰자가 움직이는 시계를 느리게 측정하면 다른 관찰자가 자신의 시계를 빠름으로 측정하도록 측정이 상호 "일관적"일 필요는 없다.
그림 2-10은 민코프스키 다이어그램을 사용한 상호 시간 팽창에 대한 이전 논의를 보여준다. 위쪽 그림은 비프라임 않은 직사각형 축과 ""v" &gt; 0으로 움직이는" S'계가 오른쪽으로 기울어진 비스듬한 프라임 축에 의해 조정된 "정지된" S계에서 볼 수 있는 측정값을 반영한다. 아래쪽 그림은 프라임 직교 좌표가 있는 "정지 상태"인 S'계와 왼쪽으로 기울어진 비스듬한 비프라임 축이 있는 "-"v" &lt; 0으로 움직이는" S계를 보여준다.
공간 축("x", "x"′)에 평행하게 그려진 각 선은 동시성의 선을 나타낸다. 이러한 라인의 모든 사건은 동일한 시간 값("ct", "ct"′)을 갖는다. 마찬가지로, 시간축("ct", "ct"′)에 평행하게 그려진 각 선은 동일한 공간 좌표 값("x", "x"′)의 선을 나타낸다.
바로 위 그림에서 상호 시간 팽창을 나타내기 위해 사건 "D"는 "x"′ = 0(S′에서 시계 W′의 위치)에서의 사건으로 구성될 수 있다. 이는 S′에서 "C"("OC" 는 "OA" 와 동일한 시공간 간격을 가짐)와 동시적이다. 이것은 시간 간격 "OD"가 "OA"보다 길다는 것을 보여주며, "움직이는" 시계가 느리게 감을 보여준다.
아래 그림에서 S계는 정지된 S′계에서 −"v"의 속도로 움직이고 있다. 시계 W의 세계선은 "ct"축(왼쪽으로 기울어짐)이고, W'1의 세계선은 세로 "ct"′축이며, W'2는 "ct"′-좌표 "D"가 있는 이벤트 "C"를 통한 수직이다. 사건 "C"를 통한 불변 쌍곡선은 시간 간격 "OC"를 "OD"보다 짧은 "OA"로 조정한다. 또한 "B"는 "x" = 0에서 S의 "A"와 동시에 구성된다(위 그림의 "D"와 유사). 결과 "OB" &gt; "OC"는 다시 위에 해당한다.
"측정"이라는 단어가 중요하다. 고전 물리학에서 관찰자는 관찰된 대상에 영향을 줄 수 없지만 대상의 운동 상태는 관찰자의 대상에 대한 '관찰'에 영향을 '줄 수' 있다.
쌍둥이 역설.
특수 상대성이론에 대한 많은 소개는 일련의 "역설"을 제시함으로써 갈릴레이 상대성이론과 특수 상대성이론의 차이점을 설명한다. 이러한 역설은 사실, 빛의 속도에 필적하는 속도에 익숙하지 않기 때문에 발생하는 잘못된 문제이다. 해결책은 특수 상대성이론의 많은 문제를 해결하고 소위 반직관적 예측에 익숙해지는 것이다. 시공간을 연구하는 기하학적 접근 방식은 현대적인 직관력을 개발하는 가장 좋은 방법 중 하나로 간주된다.
쌍둥이 역설은 일란성 쌍둥이가 고속 로켓을 타고 우주로 여행을 갔다가 집으로 돌아와 지구에 남아 있던 쌍둥이가 더 늙어가는 것을 발견하는 사고 실험이다. 이 결과는 각 쌍둥이가 다른 쌍둥이가 움직이는 것을 관찰하기 때문에 어리둥절해 보이고, 언뜻 보기에는 서로가 덜 늙었다고 생각해야 하는 것처럼 보일 것이다. 쌍둥이 역설은 세 번째 시계에 대한 요구 사항을 피함으로써 위에서 제시된 상호 시간 팽창의 정당성을 회피한다.  그럼에도 불구하고, 쌍둥이 역설은 특수 상대성이론의 맥락에서 쉽게 이해되기 때문에 진정한 역설이 아니다.
역설이 존재한다는 인상은 특수 상대성이론에 대한 오해에서 비롯된다. 특수 상대성이론은 모든 기준 좌표계가 동등하다고 선언하지 않고, 관성 좌표계만을 선언한다. 여행 중인 쌍둥이의 계는 가속하는 동안에는 관성적이 아니다. 게다가, 쌍둥이 사이의 차이는 관찰할 수 있다. 여행 중인 쌍둥이는 집으로 돌아가기 위해 로켓을 발사해야 하지만 집에 있는 쌍둥이는 그렇지 않다.
이러한 구별은 쌍둥이의 나이 차이를 초래해야 한다. 그림 2-11의 시공간 도표는 x축을 따라 직선으로 갔다가 즉시 되돌아오는 쌍둥이의 간단한 경우를 나타낸다. 재택 쌍둥이의 입장에서 볼 때 쌍둥이 역설은 전혀 당혹스러울 것이 없다. O에서 C까지 여행하는 쌍둥이의 세계선을 따라 측정한 고유 시간과 C에서 B까지 측정한 고유 시간은 O에서 A에서 B로 측정된 재택 쌍둥이의 고유 시간보다 짧다. 더 복잡한 궤적은 여행 중인 쌍둥이가 경험한 고유 시간의 총량을 계산하기 위해서는 각 사건 사이의 고유 시간 곡선을 따라(즉, 선적분) 고유 시간의 적분을 필요로 한다.
쌍둥이 역설을 여행하는 쌍둥이의 관점에서 분석하면 문제가 발생한다.
집에 있는 쌍둥이를 테렌스Terence로, 여행 중인 쌍둥이를 스텔라Stella로 지정하는 바이스Weiss의 명명법이 이후에 사용된다.
스텔라는 관성계에 있지 않다. 이 사실을 감안할 때, 쌍둥이 역설의 완전한 해결은 일반 상대성이론을 필요로 한다고 잘못 언급되는 경우가 있다.
순수한 SR(특수 상대성) 분석은 다음과 같다. 스텔라의 정지계에서 분석하면 그녀는 전체 여행 동안 움직이지 않는다. 그녀가 선회를 위해 로켓을 발사할 때, 그녀는 중력과 유사한 유사 힘을 경험한다. 그림 2-6 및 2-11은 동시성의 선(평면) 개념을 보여준다: 관찰자의 "x"-축("xy"-평면)에 평행한 선은 관찰자 계에서 동시에 발생하는 일련의 사건 나타낸다. 그림 2-11에서 파란색 선은 스텔라의 관점에서 그녀의 세계선에서 사건과 동시에 발생하는 테렌스 세계선에서 사건을 연결한다. (테렌스는 동시에 일련의 수평선을 관찰할 것이다.) 스텔라의 여정의 떠남 및 복귀 구간 모두에서 그녀는 테렌스의 시계가 자신보다 느리게 실행되는 것으로 측정한다. 그러나 전환하는 동안(즉, 그림에서 굵은 파란색 선 사이), 스텔라가 동시성으로 간주하는 테렌스의 세계선에서 사건의 빠른 건너뛰기에 해당하는 동시성 선의 각도에서 이동이 발생한다. 따라서 여행이 끝나면 스텔라는 테렌스가 자신보다 더 늙었다는 것을 알게 된다.
쌍둥이 역설을 분석하는 데 일반 상대성이론이 필요하지는 않지만 일반 상대성이론의 등가 원리를 적용하면 주제에 대한 추가 통찰력을 얻을 수 있다. 스텔라는 관성계에서 고정되어 있지 않다. 스텔라의 정지계로 분석하면 그녀는 전체 여행 동안에 움직이지 않는다. 그녀가 코스팅coasting-추진력 없이 이동하기-할 때 정지계는 관성적이며 테렌스의 시계는 느리게 작동하는 것처럼 보인다. 그러나 그녀가 선회를 위해 로켓을 시동할 때, 그녀의 정지계는 가속계이고 그녀는 마치 중력장에 있는 것처럼 그녀를 밀어내는 힘을 경험한다. 테렌스는 그 분야에서 높은 위치에 있는 것처럼 보일 것이며 중력 시간 팽창으로 인해 그의 시계가 빠르게 작동하는 것처럼 보일 것이므로 최종 결과는 테렌스가 스텔라와 다시 만났을 때 스텔라보다 더 늙게 될 것이다. 중력 시간 팽창을 예측하는 이론적 주장은 일반 상대성이론에만 국한되지 않는다. 뉴턴의 이론을 포함하여 등가 원리를 존중한다면 이론적 논의는 중력 시간 팽창을 예측할 것이다.
중력.
이 소개 항목은 설명하기 가장 쉬운 특수 상대성이론의 시공간에 초점을 맞췄다. 민코프스키 시공간은 평평하고 중력을 고려하지 않고 전체적으로 균일하며 그 안에서 일어나는 사건에 대한 정적 배경에 불과하다. 중력의 존재는 시공간의 기술을 매우 복잡하게 만든다. 일반 상대성이론에서 시공간은 더 이상 정적인 배경이 아니라 그 안에 포함된 물리적 시스템과 능동적으로 상호 작용한다. 물질이 있는 상태에서 시공간 곡선은 파동을 전파하고 빛을 구부리며 기타 여러 현상을 나타낼 수 있다.  이러한 현상 중 몇 가지에 대해서는 이 기사(소논문)article의 뒷부분에서 설명한다.
시공간의 기초 수학.
갈릴레이 변환.
기본 목표는 상대 운동에서 관찰자가 수행한 측정을 비교할 수 있도록 하는 것다. S계에 사건의 시간 및 공간 좌표를 측정한 관찰자 O가 있는 경우 이 사건에 3개의 데카르트 좌표와 동기화된 시계 ("x", "y", "z", "t")의 격자에서 측정된 시간을 할당한다(그림 1-1 참조). 다른 S'계의 두 번째 관찰자 O'는 좌표계와 동기화된 시계 격자 ("x"′, "y"′, "z"′, "t"′)에서 동일한 사건을 측정한다. 관성계를 사용하면 어느 관찰자도 가속되지 않으며 간단한 방정식 세트를 통해 좌표 ("x", "y", "z", "t")를 ("x"′, "y"′, "z"′, "t"′)에 연결할 수 있다. 평행한 ("x", "y", "z") 좌표와 정렬되고 "t"′ = 0일 때 "t" = 0인 경우를 의미하는 두 좌표계가 표준 구성에 있으면, 좌표 변환은 다음과 같다.
그림 3-1은 뉴턴의 이론에서 시간은 보편적이지만 빛의 속도가 그렇지 않다는 것을 보여준다. 다음과 같은 사고 실험을 고려하라: 빨간색 화살표는 플랫폼을 기준으로 0.4c로 이동하는 열차를 나타낸다. 열차 안에서 승객이 열차의 계 안에서 0.4c의 속도로 총알을 쏜다. 파란색 화살표는 기차 선로에 서 있는 사람이 0.8c로 이동하는 것으로 탄환을 측정한다는 것을 보여준다. 이것은 우리의 순진한 기대와 일치한다.
보다 일반적으로, S′계가 S계에 대해 속도 "v"로 움직이고 있다고 가정하면, S′계 내에서 관찰자 O'는 속도 "u"′로 움직이는 물체를 측정한다. "x" = "ut", "x"′ = "x" − "vt", "t" = "t"′이므로 S계에 대한 속도 "u"는 다음과 같이 쓸 수 있다. "x"′ = "ut" − "vt" = ("u" − "v")"t" = ("u" − "v")"t"′. 이것은 "u"′ = "x"′/"t"′로 이어지며 궁극적으로
이것은 상식적인 속도의 추가에 대한 갈릴레이 법칙이다.
속도의 상대론적 구성.
속도의 구성은 상대론적 시공간에서 상당히 다르다. 방정식의 복잡성을 조금 줄이기 위해 빛에 대한 물체의 속도 비율에 대한 다음의 일반적 축약법을 도입하여,
그림 3-2a는 로 주어진 속도로 전진하는 빨간색 기차를 보여준다. 기차의 프라임 계에서 승객은 와 같은 속도로 총알을 쏜다. 여기서 거리는 검은색 "x"축에 평행하지 않고 빨간색 축에 평행한 선을 따라 측정된다. 파란색 화살표로 표시된 플랫폼에 대한 총알의 합성 속도 "u"는 얼마일까? 그림 3-2b 참조하면:
위에 제시된 속도를 더하기 위한 상대론적 공식은 몇 가지 중요한 특징을 보여준다.
시간 팽창과 길이 수축 재검토.
시간 팽창과 길이 수축에 대한 정량적 표현을 얻는 것은 간단하다. 그림 3-3은 이전 두 애니메이션에서 가져온 개별적 계를 포함하는 합성 이미지로, 이 섹션의 목적을 위해 단순화되고 레이블이 변경되었다.
방정식의 복잡성을 약간 줄이기 위해 "ct"에 대한 다양한 축약 표기법이 있다.
그림 3-3a에서 세그먼트 'OA'와 'OK'는 동일한 시공간을 나타낸다. 시간 팽창은 "OB"/"OK" 비율로 표시된다. 불변 쌍곡선의 방정식은 를 가지며 여기서 "k" = "OK" 이고, 움직이는 입자의 세계선을 나타내는 빨간색 선은 방정식 "w" = "x"/"β" = "xc"/"v"를 가진다. 약간의 대수적 조작은 다음 방정식을 산출한다. formula_52
제곱근 기호를 포함하는 표현은 상대성 이론에서 매우 자주 등장하며, 그 표현 위에 하나를 로런츠 인자라고 하며 그리스 문자 감마 formula_53로 표시된다.
"v"가 "c"보다 크거나 같으면 formula_53에 대한 표현은 물리적으로 의미가 없어져 "c"가 자연에서 가능한 최대 속도임을 암시한다. 0보다 큰 모든 "v"의 경우 로런츠 인자는 1보다 크지만 곡선의 모양은 저속에서는 로런츠 인자가 1에 매우 가깝다.
그림 3-3b에서 부분 'OA'와 'OK'는 동일한 시공간을 나타낸다. 길이 수축은 "OB"/"OK" 비율로 표시된다. 불변 쌍곡선의 방정식은 , 여기서 "k" = "OK", 그리고 움직이는 막대 끝점의 세계선을 나타내는 파란색 띠의 가장자리 기울기는 1/"β" = "c"/"v"이다. 사건 A에는 좌표 ("x", "w") = ("γk", "γβk")가 있다. A와 B를 지나는 접선은 방정식 "w" = ("x" − "OB")/"β"를 가지므로 우리는 "γβk" = ("γk" − "OB")/"β" 및 다음을 가진다.
로런츠 변환.
갈릴레이 변환과 그에 따른 속도 더하기의 상식적인 법칙은 비행기, 자동차 및 공으로 구성된 일반적인 저속 세계에서 잘 작동한다. 그러나 1800년대 중반부터 민감한 과학 장비가 일반적인 속도 추가에 맞지 않는 이상 현상을 찾기 시작했다.
로런츠 변환은 특수 상대성이론에서 사건의 좌표를 한 계에서 다른 계으로 변환하는 데 사용된다.
로런츠 인자는 로렌츠 변환에 나타난다.
역 로런츠 변환은:
"v" ≪ "c"이고 그리고 "x"가 충분히 작을 때, "v"2/"c"2와 "vx"/"c"2 항이 영에 접근하고, 그러면 로런츠 변환은 갈릴레이 변환에 가깝다.
formula_59 formula_60 등은 대부분 종종 실제로는 formula_61 formula_62 등을 의미한다. 로런츠 변환은 간결함을 위해 델타 없이 작성되지만 "x"는 Δ"x" 등을 읨한다. 우리는, 일반적으로, 항상 사건 간의 공간과 시간 '차이'에 관심을 갖는다.
한 집합의 변환을 일반 로런츠 변환이라고 부르고 다른 하나는 역변환이라고 부르는 것은 계 간에 본질적인 차이가 없기 때문에 오해의 소지가 있다. 다른 저자들은 하나 또는 다른 변환 세트를 "역" 집합라고 부른다. S계는 S'에 대해서만 앞으로 또는 뒤로 이동할 수 있기 때문에 순방향 및 역변환은 서로 자명한 관련이 있다. 따라서 방정식을 뒤집는 것은 단순히 프라임 변수와 비프라임 변수를 전환하고 "v"를 -"v"로 바꾸는 것을 수반한다..
로런츠 변환 유도.
1905년 아인슈타인의 독창적인 작업 이후로 수십 개의 로런츠 변환의 유도(derivations of the Lorentz transformations)가 있었으며, 각각은 특정 초점을 가지고 있다. 아인슈타인의 유도는 빛의 속도의 불변성을 기반으로 했지만 출발점으로 작용할 수 있는 다른 물리적 원리가 있다. 궁극적으로 이러한 대안적 출발점은 하나의 입자가 다른 입자에 미치는 영향이 순간적으로 전달될 수 없다는 기본 국소성의 원리의 다른 표현으로 간주될 수 있다.
여기에 제공되고 그림 3-5에 설명된 유도는 바이스Bais가 제시한 것을 기반으로 하며 상대론적 구성의 이전 결과를 사용한다. 속도, 시간 팽창 및 길이 수축 섹션. 사건 P에는 검은색 "정지 시스템"의 좌표 ("w", "x")와 속도 매개변수 로 움직이는 빨간색 계의 좌표 "x"′ 및 "x"′를 "w" 및 "x"(또는 그 반대)로 결정하려면 다음이 더 쉽다. 먼저 '역' 로런츠 변환을 유도한다.
위의 방정식은 "w"를 "ct"로, 를 로, 그리고 "β"를 "v"/"c"로 대입함으로써 알 수 있다. 역변환에서 및 를 풀면 순방향 변환의 방정식이 유도될 수 있다.
로런츠 변환의 선형성.
로런츠 변환에는 선형성이라는 수학적 속성이 있다. "x"′와 "t"′는 더 높은 거듭제곱이 포함되지 않은 "x"와 "t"의 선형 결합으로 얻어지기 때문이다. 변환의 선형성은 유도에서 암묵적으로 가정된 시공간의 기본 속성, 즉 관성 기준 좌표계의 속성이 위치 및 시간에 독립적이라는 것을 반영한다. 중력이 없으면 시공간은 어디에서나 동일하게 보인다. 모든 관성 관찰자는 가속 운동과 비가속 운동을 구성하는 것이 무엇인지에 동의할 것이다. 한 관찰자는 자신의 공간 및 공간 측정을 사용할 수 있다. 그러나 절대적인 것은 아무것도 없다. 다른 관찰자의 규칙도 마찬가지이다.
선형성의 결과는 두 개의 로런츠 변환이 순차적으로 적용되면 결과도 로런츠 변환이 된다는 것이다.
예: 테렌스는 0.500c에서 스텔라가 자신에게서 멀어지는 것을 관찰하고 "β" = 0.500인 로런츠 변환을 사용하여 스텔라의 측정을 자신의 측정과 관련시킬 수 있다. 그녀의 계에서 스텔라는 0.250c에서 그녀에게서 멀어지는 우르슬라를 관찰하고 "β" = 0.250인 로런츠 변환을 사용하여 우르술라의 측정값을 자신의 측정값과 연결할 수 있다. 변환의 선형성과 속도의 상대론적 구성 때문에 테렌스는 "β" = 0.666인 로런츠 변환을 사용하여 우르술라의 측정값을 자신의 측정값과 연결할 수 있다.
도플러 효과.
도플러 효과는 상대적 운동에서 수신기와 소스에 대한 파동의 주파수 또는 파장 변화이다. 단순화를 위해 여기에서 두 가지 기본 시나리오를 고려한다: (1) 소스 및/또는 수신기의 동작이 이들을 연결하는 선을 정확히 따른다(종방향longitudinal 도플러 효과), (2) 동작이 해당 선에 직각이다(횡방향 도플러 효과(transverse Doppler effect)). 우리는 그들이 중간 각도를 따라 움직이는 시나리오는 무시한다.
종방향 도플러 효과.
고전적인 도플러 분석은 음파 또는 물결과 같은 매체에서 전파되고 서로를 향해 또는 멀어지는 소스와 수신기 사이에서 전송되는 파동을 처리한다. 이러한 파동의 분석은 소스, 수신기 또는 둘 모두가 매체에 대해 상대적으로 움직이는지 여부에 따라 달라진다. 수신기가 매체에 대해 정지하고 소스가 "βs"의 속도 매개변수로서 "vs"의 속도로 수신기에서 직접 멀어지는 시나리오가 주어지면 파장이 증가하고 관찰된 주파수 "f"는 다음에 의해 주어진다.
반면에, 소스가 고정되어 있고 수신기가 속도 매개변수 "βr"에 대해 "vr"의 속도로 소스에서 직접 멀어지는 시나리오가 주어지면 파장은 변경되지 않지만 에 대한 상대적인 파동의 전송 속도는 수신기가 감소하고 관찰된 주파수 "f"는 다음에 의해 주어진다.
빛은 소리나 물의 잔물결과 달리 매질을 통해 전파되지 않으며, 수신기에서 멀어지는 소스와 소스에서 멀어지는 수신기의 구분이 없다. 그림 3-6은 속도 매개변수 "β"를 사용하여 수신기에서 소스를 분리하는 상대론적 시공간 다이어그램을 보여준다. 따라서 시간 "w"에서 소스와 수신기 사이의 간격은 "βw"이다. 시간 팽창 때문에 . 녹색 광선의 기울기는 -1이므로 . 따라서 상대론적 도플러 효과(relativistic Doppler effect)는
횡방향 도플러 효과.
교차하지 않는 선을 따라 균일한 관성 운동으로 서로 접근하는 소스와 수신기가 서로 가장 가깝게 접근하고 있다고 가정한다. 고전적 분석은 수신기가 도플러 이동을 감지하지 못한다고 예측하는 것으로 보인다. 분석의 미묘함 때문에 그 기대가 반드시 사실은 아니다. 그럼에도 불구하고, 적절하게 정의되면 횡방향 도플러 이동은 고전적 유사성이 없는 상대론적 효과이다. 미묘함은 다음과 같다.
시나리오 (a)에서 가장 가까운 접근 지점은 계에 독립적이며 시간에 대한 거리의 변화가 없는 순간을 나타낸다(즉, dr/dt = 0 여기서 "r"은 수신기와 소스 사이의 거리). 따라서 종방향 도플러 효과는 없다. 소스는 수신기가 주파수 "f"′의 빛에 의해 조명되는 것으로 관찰하지만 수신기는 시간 팽창된 시계를 갖는 것으로 관찰한다. 따라서 S계에서 수신기는 주파수의 청색편이 광에 의해 조명된다.
시나리오 (b)에서 그림은 광원이 이동했음에도 불구하고 광원이 수신기에 가장 가까웠을 때의 빛에 의해 수신기가 조명되는 것을 보여준다. 소스의 시계는 S계에서 측정된 시간 확장되고 이 지점에서 dr/dt가 0과 같기 때문에 가장 가까운 지점에서 방출되는 소스의 빛은 주파수에 따라 적색편이된다.
시나리오 (c)와 (d)는 간단한 시간 팽창 논의로 분석할 수 있다. (c)에서 수신기는 광원의 빛이 γ 의 계수로 청색편이되고 (d)에서 그 빛은 적색편이된다. 유일한 겉으로의 복잡성은 궤도를 도는 물체가 가속 운동을 한다는 것이다. 그러나 만일 관성 관찰자가 가속하는 시계를 본다면 시간 팽창을 계산할 때는 시계의 순간 속도만 중요하다. (그러나 그 반대는 사실이 아니다.)  횡방향 도플러 이동에 대한 대부분의 보고서는 그 효과를 적색편이로 언급하고 시나리오 (b) 또는 (d)의 관점에서 그 효과를 분석한다.
에너지와 운동량.
운동량을 4차원으로 확장.
고전 역학에서 입자의 운동 상태는 질량과 속도에 의해 특징지어진다. 입자의 질량과 속도의 곱인 선형 운동량은 속도와 같은 방향을 갖는 벡터 양이다: . 이는 '보존된' 양으로, 닫힌계는 외부 힘의 영향을 받지 않으면 전체 선형 운동량이 변경될 수 없음을 의미한다.
상대론적 역학에서 운동량 벡터는 4차원으로 확장된다. 운동량 벡터에 추가된 시간 구성요소는 시공간 운동량 벡터가 시공간 위치 벡터 처럼 변환되도록 한다. 시공간 운동량의 속성을 탐구할 때 우리는 그림 3-8a에서 입자가 정지 상태에서 어떻게 보이는지 조사하는 것으로 시작한다. 나머지 계에서 운동량의 공간적 성분은 0, 즉 이지만 시간 성분은 "mc" 와 같다.
로런츠 변환을 사용하여 이동하는 계에서 이 벡터의 변환된 구성 요소를 얻거나 우리가 및 임을 알기 때문에 그림에서 직접 읽을 수 았으니, 빨간색 축이 감마로 다시 조정되기 때문이다. 그림 3-8b는 이동하는 계에 나타나는 상황을 보여준다. 이동하는 계의 속도가 "c" 에 가까워짐에 따라 4-운동량의 공간 및 시간 구성 요소가 무한대로 이동하는 것이 분명하다.
우리는 사차원 운동량에 대한 표현을 얻기 위해 이 정보를 곧 사용할 것이다.
빛의 운동량.
빛 입자 또는 광자는 일반적으로 '빛의 속도'로 알려진 상수인 "c"의 속도로 이동한다. 이 진술은 동어반복이 아니다. 왜냐하면 많은 현대의 상대성 이론 공식은 일정한 광속을 가정으로 시작하지 않기 때문이다. 따라서 광자는 빛과 같은 세계선을 따라 전파되며 적절한 단위에서 모든 관찰자에게 동일한 공간 및 시간 구성 요소를 갖는다.
전자기학의 맥스웰 방정식의 결과는 빛이 에너지와 운동량을 전달하고 그 비율이 일정하다는 것이다: . 를 재배열하면 광자의 경우 공간 및 시간 성분이 동일하므로 "E/c" 는 시공간 운동량 벡터의 시간 성분과 동일해야 한다.
광자는 빛의 속도로 이동하지만 유한한 운동량과 에너지를 가지고 있다. 이것이 가능하려면 "γmc"의 질량 항은 0이어야 하며, 이는 광자가 무질량 입자(massless particle)임을 의미한다. 무한대 곱하기 0은 잘 정의되지 않은 양이지만 "E/c"는 잘 정의되어 있다.
이 분석에 따르면, 나머지 계에서 광자의 에너지가 "E"와 같으면 이동하는 계에서 . 이 결과는 그림 3-9를 확인하거나 로런츠 변환을 적용하여 도출할 수 있으며 이전에 제공된 도플러 효과 분석과 일치한다.
질량-에너지 관계.
상대론적 운동량 벡터의 다양한 구성 요소 간의 상호 관계를 고려하여 아인슈타인은 몇 가지 유명한 결론을 내렸다.
질량과 에너지 사이의 관계를 보는 또 다른 방법은 저속에서 의 급수 전개를 고려하는 것이다:
두 번째 항은 입자의 운동 에너지에 대한 표현일 뿐이다. 질량은 실제로 에너지의 또 다른 형태인 것으로 보인다.
아인슈타인이 1905년에 도입한 상대론적 질량의 개념인 "mrel"은 전 세계의 입자 가속기에서(또는 실제로 고속 입자에 의존하는 모든 기기에서 충분히 검증되었지만, 전자현미경, 구식 컬러 텔레비전 세트 등), 그럼에도 불구하고 다른 이론적 발전을 위한 기초 역할을 한 개념이 아니라는 점에서 물리학에서 "효과적fruitful" 개념으로는 입증되지 않았다. 예를 들어, 상대론적 질량은 일반 상대성이론에서 아무런 역할도 하지 않는다.
이러한 이유로 대부분의 물리학자들은 교육학적 문제와 마찬가지로 현재 질량과 에너지의 관계를 언급할 때 다른 용어를 선호한다. "상대론적 질량"은 더 이상 사용되지 않는 용어이다. "질량"이라는 용어는 그 자체로 정지 질량 또는 불변 질량을 나타내며, 또한 상대론적 운동량 벡터의 불변 길이와 같다. 공식으로 표현하면,
이 공식은 질량이 없는 입자와 질량이 있는 모든 입자에 적용된다. mrest가 0인 광자의 경우 가 된다.
사차원 운동량.
질량과 에너지 사이의 밀접한 관계 때문에 사차원 운동량(4-운동량이라고도 함)은 에너지-운동량 4-벡터라고도 블린다. 4-운동량을 나타내기 위해 대문자 "P"를 사용하고 공간 운동량을 나타내기 위해 소문자 p를 사용하여 4-운동량은 다음과 같이 쓸 수 있다.
보존 법칙.
물리학에서 보존 법칙에 따르면 격리된 물리적 시스템의 특정 측정 가능한 속성은 시스템이 시간이 지남에 따라 진화해도 변하지 않는다. 1915년에 에미 뇌터는 각 보존 법칙의 기초가 되는 자연의 근본적인 대칭성을 발견했다. 물리적 프로세스가 공간의 '어디' 발생하는지 상관하지 않는다는 사실(공간 평행이동 대칭(space translation symmetry))은 운동량 보존을 산출하고, 그러한 과정이 '언제' 발생하는지 상관하지 않는다는 사실(시간 평행이동 대칭(time translation symmetry))은 에너지 보존을 산출한다 등. 이 섹션에서는 상대론적 관점에서 질량, 운동량 및 에너지 보존에 대한 뉴턴의 관점을 검토한다.
총 운동량.
운동량 보존에 대한 뉴턴의 관점이 상대론적 맥락에서 어떻게 수정되어야 하는지 이해하기 위해 우리는 단일 차원으로 제한된 두 개의 충돌하는 물체의 문제를 검토한다.
뉴턴 역학에서 최소 복잡성의 수학을 산출하는 이 문제의 두 가지 극단적인 경우가 구별될 수 있다.
(1)과 (2)의 경우 모두 운동량, 질량 및 총 에너지가 보존된다. 그러나 비탄성 충돌의 경우 운동 에너지는 보존되지 않는다. 초기 운동 에너지의 특정 부분이 열로 변환된다.
(2)의 경우 운동량이 
및 인 두 질량이 충돌하여 보존된 질량 이 원래 시스템의 질량 중심의 속도formula_76로 이동하는 단일 입자를 형성한다. 총 운동량 는 보존된다.
그림 3-10은 상대론적 관점에서 두 입자의 비탄성 충돌을 보여준다. 시간 구성요소 및 는 결과 벡터의 총 "E/c"에 합산되며, 이는 에너지가 보존됨을 의미한다. 마찬가지로, 공간 구성요소 및 는 합산하여 결과의 벡터 "p"를 형성한다. 4-운동량은 예상대로 보존된 양이다. 그러나, 총 운동량의 불변 쌍곡선이 에너지 축과 교차하는 점에 의해 주어진 융합 입자의 불변 질량은 충돌한 개별 입자의 불변 질량의 합과 같지 않다. 실제로, 그것은 개별 질량의 합보다 크다: .
이 시나리오의 사건을 역순으로 살펴보면 질량의 비-보존이 일반적으로 발생한다는 것을 알 수 있다. 불안정한 기본 입자가 자발적으로 두 개의 더 가벼운 입자로 붕괴할 때 총 에너지는 보존되지만 질량은 보존되지 않는다. 질량의 일부는 운동 에너지로 변환된다.
기준계의 선택.
분석을 수행할 계를 자유롭게 선택할 수 있으므로 특히 편리한 계를 선택할 수 있다. 운동량 및 에너지 문제를 분석할 때 가장 편리한 계는 일반적으로 "운동량중심계(center-of-momentum frame)"(영운동량계 또는 COM(center of momentum)계라고도 함)이다. 이것은 시스템의 전체 운동량의 공간 성분이 0인 계이다. 그림 3-11은 고속 입자가 두 개의 딸 입자로 분해되는 것을 보여준다. 실험실계에서 딸 입자는 원래 입자의 궤적을 따라 지향된 방향으로 우선적으로 방출된다. 그렇지만, COM계에서는 질량과 속도의 크기는 일반적으로 동일하지 않지만, 두 개의 딸 입자는 반대 방향으로 방출된다.
에너지 및 운동량 보존.
상호 작용하는 입자에 대한 뉴턴식 분석에서 계 간의 변환은 모든 속도에 갈릴레이 변환을 적용하기만 하면 되므로 간단하다. 이므로 운동량 은이다. 상호 작용하는 입자 계의 총 운동량이 한 계에서 보존되는 것으로 관찰되면 다른 계에서도 마찬가지로 보존되는 것으로 관찰된다.
COM계에서 운동량의 보존은 충돌 전후 모두 요구 사항에 해당한다. 뉴턴 분석에서 질량 보존은 를 나타낸다. 우리가 고려하고 있는 단순화된 1차원 시나리오에서 입자의 나가는 운동량을 결정하기 전에 하나의 추가 제약 조건, 즉 에너지 조건만 필요하다. 운동 에너지의 손실이 없는 완전 탄성 충돌의 1차원 경우, COM계에서 반발 입자의 나가는 속도는 들어오는 속도와 정확히 동일하고 반대이다. 운동 에너지가 완전히 손실된 완전 비탄성 충돌의 경우, 반발 입자의 나가는 속도는 0이 된다.
로 계산되는 뉴턴 운동량은 로런츠 변환에서 제대로 작동하지 않는다. 속도의 선형 변환 는 고도의 비선형으로 대체된다.
 그래서 운동량 보존을 증명하는 계산 한 계은 다른 계에서 유효하지 않다. 아인슈타인은 운동량 보존을 포기하거나 운동량의 정의를 변경해야 하는 상황에 직면했다. 이 두 번째 옵션이 그가 선택한 것이다.
에너지와 운동량에 대한 상대론적 보존 법칙은 에너지, 운동량 및 질량에 대한 세 가지 고전적인 보존 법칙을 대체한다. 질량은 전체 상대론적 에너지에 포함되었기 때문에 더 이상 독립적으로 보존되지 않는다. 이것은 에너지의 상대론적 보존을 비상대론적 역학보다 더 간단한 개념으로 만든다. 왜냐하면 총 에너지는 아무런 제한 없이 보존되기 때문이다. 열 또는 내부 위치 에너지로 변환된 운동 에너지는 질량 증가로 나타난다.
기본을 넘어서.
이 섹션의 주제는 이전 섹션의 주제보다 기술적으로 훨씬 더 어렵고 곡선 시공간의 소개의 이해에 필수적이지는 않다.
신속도.
로런츠 변환은 한 참조 계의 사건 좌표를 다른 계의 좌표와 연결한다. 속도의 상대론적 구성은 두 속도를 더하는 데 사용된다. 후자의 계산을 수행하는 공식은 비선형이므로 해당 갈릴레이 공식보다 복잡하다.
이 비선형성은 우리가 선택한 매개변수의 인공물artifact이다. 이전에 시공간 다이어그램에서, 원점에서 일정한 시공간 간격에 있는 점들이 불변 쌍곡선을 형성한는 것에 주목했다. 우리는 또한 표준 구성에서 두 시공간 참조계의 좌표계가 서로에 대해 쌍곡선으로 회전한다는 것도 주목했다.
이러한 관계를 표현하기 위한 자연 함수는 삼각함수의 쌍곡선 유사체이다. 그림 4-1a는 sin("a") 및 cos("a")가 있는 단위원을 보여준다. 이 다이어그램과 기본 삼각법의 익숙한 단위 원 사이의 유일한 차이점은 다음과 같다. "a"는 광선과 사이의 각도가 아니라 . (숫자적으로, 단위 원에 대한 각도와 측정은 동일하다.) 그림 4-1b는 sinh("a") 및 cosh("a")가 있는 단위 쌍곡선(unit hyperbola)을 보여준다. 여기서 "a"는 마찬가지로 두 배의 착색된 영역으로 해석된다. 그림 4-2는 sinh, cosh, tanh 함수의 플롯을 보여준다.
단위원의 경우, 광선의 기울기는 다음으로써 주어지니
데카르트 평면에서 점 ("x", "y")의 각도 θ만큼 회전은 점 ("x"′, "y"′)에서 다음으로 주어지니
시공간 다이어그램에서 속도 매개변수 formula_79는 기울기의 유사체이다. 신속도 "φ"는 다음으로 정의되니
여기서
위에서 정의한 신속도는 특수 상대성이론에서 많은 표현이 표현될 때 상당히 단순한 형태를 취하기 때문에 매우 유용하다. 예를 들어, 속도는 공선 속도-가산식에서 단순히 가산된다;
혹은 다르게 말하면, formula_85
로런츠 변환은 신속도로 표현될 때 간단한 형태를 취한다. "γ" 계수는 다음과 같이 쓸 수 있다.
공간 좌표축의 회전 없이 균일한 속도로 상대 운동을 설명하는 변환을 부스트라고 한다.
"γ" 및 "γβ"를 이전에 제시된 변환에 대입하고 행렬 형식으로 다시 작성하면 "x" 방향의 로런츠 부스트는 다음과 같이 쓸 수 있으니
"x"방향의 역로렌츠 부스트는 다음과 같이 쓸 수 있으니
즉, 로렌츠 부스트는 민코프스키 시공간에서 쌍곡선 회전(hyperbolic rotation)을 나타낸다.
쌍곡선 함수를 사용하는 이점은 테일러Taylor와 휠러Wheeler의 고전적인 교과서와 같은 일부 책에서 매우 초기 단계에서 그 사용법을 소개한다는 것이다.
4-벡터.
4-벡터(사차원 벡터)는 위에서 에너지-운동량 4-벡터의 맥락에서 언급되었지만 큰 강조점은 없다. 사실, 특수 상대성이론의 기본 파생물 중 어느 것도 그것들을 필요로 하지 않눈다. 그러나 일단 이해되면 4-벡터, 더 일반적으로 텐서는 특수 상대성이론에 대한 수학과 개념적 이해를 크게 단순화한다. 이러한 객체로 독점적으로 작업하면 '명백하게' 상대론적으로 불변인 공식이 생성되며, 이는 자명하지 않은non-trivial 문맥에서는 상당한 이점이 된다. 예를 들어, 일반적인 형태의 맥스웰 방정식의 상대론적 불변성을 입증하는 것은 자명한 일은 아니고, 전자기장 텐서 공식을 사용한 일상적인 계산(실제로는 관찰에 불과함)일 뿐이다. 반면 일반 상대성이론은 처음부터 물리적으로 관련된 개체를 나타내는 4-벡터, 보다 일반적으로는 텐서에 크게 의존한다. 특정 좌표에 의존하지 않는 방정식을 통해 이들을 연관시키려면 특수 상대성이론에서와 같이 평평한 시공간이 아니라 곡선 시공간 내에서도 이러한 4-벡터를 연결할 수 있는 텐서가 필요하다. 텐서에 대한 연구는 시공간에 대한 기본적인 논의만 제공하는 이 소논문article의 범위를 벗어난다.
4-벡터의 정의.
구성 요소 "Ai"가 로런츠 변환에 따라 계 간에 변환되면 4-튜플 은 "4-벡터"이다.
만일 좌표를 사용하면서, 다음에 따라 ( 으로) 변환하면 "A"는 이니
이는 이전 로런츠 변환의 프레젠테이션에서 "ct"를 "A"0로, "x"를 "A"1로 단순히 대체한 결과이다.
평소와 같이, 우리가 "x", "t" 등을 쓸 때는 일반적으로 "Δx", "Δt" 등을 의미한다.
의 마지막 세 구성요소는 3차원 공간에서 표준 벡터이여야 한다. 따라서 는 회전뿐만 아니라 로런츠 변환에서도 와 같이 변환되어야 한다.
4-벡터 및 물리 법칙.
특수 상대성이론의 첫 번째 가정은 모든 관성계의 등가성을 선언한다. 한 계에 있는 물리적 법칙은 모든 계에 적용되어야 한다. 그렇지 않으면 계를 구별할 수 있기 때문이다. 뉴턴 운동량은 로런츠 변환에서 제대로 작동하지 않으며 아인슈타인은 운동량 보존을 포기하기보다 운동량 정의를 를 포함하는 것으로 변경하는 것을 선호했다.
물리적 법칙은 계 독립적인 구성을 기반으로 해야 한다. 이것은 물리 법칙이 항상 계 독립적인 스칼라를 연결하는 방정식의 형태를 취할 수 있음을 의미한다. 그러나 와 관련된 방정식은 적절한 순위를 가진 텐서를 사용해야 하며, 그 자체는 에서 구성되는 것으로 생각할 수 있다.
가속.
특수 상대성이론은 관성계에만 적용 가능하고 가속하는 물체나 가속하는 기준계를 다룰 수 없다는 것은 일반적인 오해이다. 실제로 가속하는 물체는 일반적으로 가속계를 전혀 다룰 필요 없이 분석할 수 있다. 일반 상대성이론이 필요한 것은 중력이 중요한 경우에만 가능하다.
그러나 가속계를 올바르게 처리하려면 약간의 주의가 필요하다. 특수 상대성이론과 일반 상대성이론의 차이점은 (1) 특수 상대성이론에서 모든 속도는 상대적이지만 가속도는 절대적이라는 것이다. (2) 일반 상대성이론에서 모든 운동은 관성, 가속 또는 회전 여부에 관계없이 상대적이다. 이 차이를 수용하기 위해 일반 상대성이론은 휘어진 시공간을 사용한다.
이 섹션에서는 가속 기준계 관련된 여러 시나리오를 분석한다.
드완-베란-벨 우주선 역설.
드완-베란-벨 우주선 역설(벨의 우주선 역설)은 시공간적 접근의 기하학적 통찰력의 도움을 받지 않는 직관적 추론이 이슈화 될 수 있는 문제의 좋은 예이다.
그림 4-4에서 두 개의 동일한 우주선이 공간에 떠 있고 서로에 대해 정지해 있다. 그들은 끊어지기 전에 제한된 양의 스트레칭만 가능한 줄로 연결되어 있다. 우리의 계, 즉 관찰자 계가 주어진 순간에 두 우주선은 동일한 일정한 고유 가속도를 갖는 선을 따라 같은 방향으로 가속한다. 그 줄은 끊어질 것인가?
역설이 새롭고 상대적으로 알려지지 않았을 때, 전문 물리학자들도 해법을 찾는 데 어려움을 겪었다. 두 노선의 추론은 반대 결론으로 이어진다. 아래에 나와 있는 주장 중 하나가 정답이지만 두 가지 모두 결함이 있다.
첫 번째 주장의 문제는 "우주선의 계"가 없다는 것이다. 두 우주선이 둘 사이의 거리를 측정하기 때문에 있을 수 없다. 우주선의 공통 계가 없기 때문에 줄의 길이가 잘못 정의된다. 그럼에도 불구하고 결론은 옳고 그 주장은 대부분 옳다. 그러나 두 번째 주장은 동시성의 상대성을 완전히 무시한다.
시공간 도표(그림 4-5)는 이 역설에 대한 올바른 해결책을 거의 즉시 명백하게 보여준다. 민코프스키 시공간의 두 관찰자는 고유 시간 formula_120 동안 일정한 크기의 formula_121 가속도로 가속한다(관성 관찰자가 아닌 관찰자가 직접 측정한 가속도 및 경과 시간). 그들은 이 단계 전후에 움직이고 관성적이다. 민코프스키 기하학에서 동시성 선을 따른 길이 formula_122는 동시성 선을 따른 길이 formula_123보다 크다.
길이 증가는 로런츠 변환의 도움으로 계산할 수 있다. 그림 4-5와 같이 가속이 완료되면 우주선은 formula_124계에서 일정한 오프셋을 유지한다.&lt;/math&gt; formula_125 및 formula_126는 formula_127의 우주선 위치이고, formula_124계의 위치는 다음과 같다.
말하자면 "역설"은 벨이 자신의 예를 구성한 방식에서 비롯된다. 로런츠 수축에 대한 일반적인 논의에서 정지한 길이는 고정되고 이동하는 길이는 계 formula_127에서 측정한 대로 짧아진다. 그림 4-5에서 볼 수 있듯이 벨의 예는 계 formula_127에서 측정된 이동하는 길이 formula_123와 formula_133는 고정되며 따라서 계 formula_124의 정지한 계 길이 formula_122를 강제로 증가시킨다고 주장한다.
수평선이 있는 가속 관찰자.
특정 특수 상대성이론 문제 설정은 사건 지평선과 같이 일반적으로 일반 상대성이론과 관련된 현상에 대한 통찰력으로 이어질 수 있다. 그림 2-7에 첨부된 텍스트에서 자홍색 쌍곡선은 시공간에 끊임없이 가속하는 여행자가 추적하는 실제 경로를 나타낸다. 양의 가속도 기간 동안 여행자의 속도는 단지 빛의 속도에 '접근'하는 반면, 우리 계에서 측정하면 여행자의 가속도는 지속적으로 감소한다.
그림 4-6은 여행자 동작의 다양한 기능을 보다 구체적으로 자세히 설명한다. 임의의 주어진 순간에 그녀의 공간 축은 쌍곡선 상의 원점과 그녀의 현재 위치를 지나는 선에 의해 형성되고, 그녀의 시간 축은 그녀의 위치에서 쌍곡선에 대한 접선이다. 속도 매개변수 formula_79는 formula_6가 증가함에 따라 1의 한계에 접근한다. 마찬가지로 formula_53는 무한대에 접근한다.
불변 쌍곡선의 모양은 일정한 고유 가속도의 경로에 해당한다. 이것은 다음과 같이 증명할 수 있다:
그림 4-6은 계산된 특정 시나리오를 보여준다. 테렌스(A)와 스텔라(B)는 처음에 원점에서 100광시간 떨어져 함께 서 있다. 스텔라는 시간 0에 이륙하고 우주선은 시간당 0.01c로 가속된다. 20시간마다 테렌스 라디오는 집의 상황에 대해 스텔라에게 업데이트한다(녹색 실선). 스텔라는 이러한 정기적인 전송을 수신하지만 거리가 증가하면(시간 팽창에 의해 부분적으로 상쇄됨) 그녀는 그녀의 시계로 측정한 대로 나중에 테렌스의 통신을 받게 되며 그의 시계(녹색 점선)로 100시간 후에는 테렌스로부터 어떠한 통신도 "결코" 받지 못한다.
테렌스의 시계로 100시간 후, 스텔라는 어두운 영역에 들어간다. 그녀는 테렌스의 시간꼴 미래의 밖에서 여행했다. 반면에 테렌스는 스텔라가 그에게 보내는 메시지를 계속해서 받기가 가능하다. 단지 그는 충분히 오래 기다려야만 한다. 시공간은 "겉보기" 사건의 지평선에 의해 분리된 별개의 영역으로 분할되었다. 스텔라가 가속을 계속하는 한 그녀는 이 지평선 뒤에서 무슨 일이 일어나는지 결코 알 수 없다.
휘어진 시공간 소개.
기본적 명제.
뉴턴의 이론은 모든 공간과 시간에 걸쳐 확장되는 강성의rigid 유클리드 기준계를 배경으로 운동이 발생한다고 가정했다. 중력은 거리를 가로질러 순간적으로 작용하는 신비한 힘에 의해 매개되며, 그 작용은 중간 공간과 무관하다. 대조적으로, 아인슈타인은 공간 전체에 걸쳐 확장되는 배경 유클리드 기준계가 있다는 것을 부인했다. 중력과 같은 것은 없으며 시공간 자체의 구조만 있을 뿐이다.
시공간적 측면에서, 지구 궤도를 도는 위성의 경로는 지구, 달, 태양의 먼 영향에 의해 결정되지 않는다. 대신, 위성은 오직 지역 조건에 반응하여 우주를 이동한다. 시공간은 충분히 작은 규모로 볼 때 국소적으로 평탄하기 때문에, 위성은 항상 국소 관성계에서 직선을 따른다. 우리는 위성이 항상 측지선의 경로를 따라간다고 말한다. 단일 입자의 운동을 따라가는 중력의 증거는 발견할 수 없다.
시공간에 대한 모든 분석에서 중력의 증거는 두 물체 또는 두 개의 분리된 입자의 상대 가속도를 관찰할 것을 요구한다. 그림 5-1에서, 지구의 중력장에서 자유낙하하는 두 개의 분리된 입자는 중력장의 국소적 이질성으로 인해 조석 가속도를 나타내어 각 입자가 시공간의 다른 경로를 따르도록 한다. 이 입자들이 서로에 대해 나타내는 조석 가속도는 설명을 위해 힘을 필요로 하지 않는다. 오히려, 아인슈타인은 그것들을 시공간의 기하학, 즉 시공간의 곡률로 기술했다. 이러한 조석 가속은 엄격하게 국소적이다. 지구로부터 먼 거리에서 작용하는 중력의 출현을 초래하는 곡률의 많은 국소적 표현의 누적된 총 효과이다.
일반 상대성이론의 바탕에는 두 가지 중심 명제가 있다.
위의 곡선 시공간에 대한 기본 설명에서 중력에 대한 완전한 설명으로 이동하려면 텐서 미적분학 및 미분 기하학이 필요하며, 두 주제 모두 상당한 연구를 필요로 한다. 이러한 수학적 도구가 없으면 일반 상대성이론에 "대해서" 쓸 수는 있지만 자명하지 않은 유도를 논증하는 것은 불가능하다.
시간의 곡률.
특수 상대성이론에 대한 논의에서 힘은 배경 역할에 불과했다. 특수 상대성이론은 모든 시공간을 채우는 관성계를 정의할 수 있는 능력을 가정한다. 이게 정말 가능할까? 불균일한 중력장에서 실험에 따르면 답은 아니오이다. 중력장은 "대역적global" 관성계를 구성하는 것을 불가능하게 만든다. 시공간의 충분히 작은 영역에서 "국소적" 관성계는 여전히 가능하다. 일반 상대성이론은 이러한 국소계를 체계적으로 연결하여 시공간의 보다 일반적인 그림으로 만드는 것을 포함한다.
1916년 일반 상대성이론이 발표되기 몇 년 전, 아인슈타인은 등가원리를 사용하여 다음 사고 실험에서 중력 적색편이의 존재를 예측했다: (i) 높이 h(그림 5-3)의 타워가 건설되었다고 가정한다. (ii) 탑 꼭대기에서 정지 질량 "m"의 입자를 떨어뜨린다. 가속도 "g"로 자유 낙하하며, 속도로 지면에 도달하므로 지상에서 관찰자가 측정한 총 에너지 "E"는 (iii) 질량-에너지 변환기는 입자의 총 에너지를 위쪽으로 향하는 단일 고에너지 광자로 변환한다. (iv) 타워 꼭대기에서 에너지-질량 변환기는 광자 "E"의 에너지를 다시 정지 질량 "m"의 입자로 변환한다.
이어야 합니다. 그렇지 않으면 영구 기관 장치를 구성할 수 있기 때문입니다. 따라서 우리는 라고 예측하므로
지구의 중력장에서 상승하는 광자는 에너지를 잃고 적색편이된다. 천문학적 관찰을 통해 이 적색편이를 측정하려는 초기 시도는 다소 결정적이지 않았지만 파운드-레브카Pound-Rebka (1959)와 나중에 파운드-스나이더Pound-Snider (1964)에 의해 결정적인 실험실 관찰이 수행되었다.
빛에는 연관된 주파수가 있으며 이 주파수는 시계 작동을 구동하는 데 사용될 수 있다. 중력적 적색편이는 시간 자체에 대한 중요한 결론으로 이어진다. 중력은 시간을 느리게 만든다. 속도가 안정적인 원자 전이에 의해 제어되는 두 개의 동일한 시계를 구축한다고 가정한다. 하나의 시계는 타워 위에 놓고 다른 시계는 바닥에 둔다. 타워 꼭대기에 있는 실험자는 지상 시계의 신호가 타워에 있는 그녀 옆에 있는 시계의 신호보다 주파수가 더 낮은 것을 관찰했다. 탑을 올라가는 빛은 파동일 뿐이고, 올라가는 길에 파동의 마루가 사라지는 것은 불가능하다. 정확히 많은 빛의 진동이 바닥에서 방출된 만큼 타워의 꼭대기에 도달한다. 실험자는 지상 시계가 느리게 작동하고 있으며 지상 시계와 나란히 비교하기 위해 시계탑 시계를 내려서 이를 확인할 수 있다. 1km 타워의 경우 불일치는 현대식 기기로 쉽게 측정 가능한 약 하루 9.4나노초에 이른다.
중력장의 시계는 모두 같은 속도로 작동하지 않는다. 파운드-레브카실험과 같은 실험은 시공간의 시간 성분의 곡률을 확고히 확립했다. 파운드-레브카 실험은 시공간의 공간 구성요소의 곡률에 대해 아무 말도 하지 않는다. 그러나 중력 시간 팽창을 예측하는 이론적 주장은 일반 상대성이론의 세부 사항에 전혀 의존하지 않는다. 중력 이론은 등가의 원리를 존중한다면 중력 시간 팽창을 예측할 것이다.  여기에는 뉴턴 중력이 포함된다. 일반 상대성이론의 표준 시연은 "뉴턴 한계(Newtonian limit)"(즉, 입자는 천천히 움직이고 중력장은 약하고 장은 정적임)에서 시간의 곡률만으로도 뉴턴의 중력 법칙을 도출하기에 충분하다는 것을 보여주는 것이다.
뉴턴 중력은 곡선 시간 이론이다. 일반 상대성이론은 휘어진 시간"과" 휘어진 공간의 이론이다. "G"를 중력 상수로, "M"을 뉴턴적 별의 질량으로, 별에서 "r" 거리에 있는 미미한 질량의 궤도를 도는 천체가 주어지면 뉴턴 중력의 시공간 간격은 시간 계수만 가변적이다:
공간의 곡률.
formula_151 앞의 formula_152 계수는 뉴턴 중력의 시간 곡률을 설명하며, 곡률은 모든 뉴턴 중력 효과를 완전히 설명한다. 예상대로 이 보정계수는 formula_153와 formula_154에 정비례하며 분모의 formula_155 때문에 보정계수는 1만큼 증가한다. 중력에 접근한다는 것은 시간이 곡선이라는 뜻이다.
그러나 일반 상대성이론은 휘어진 공간 "및" 휘어진 시간에 대한 이론이므로 위에서 제시한 시공간의 공간적 성분을 수식하는 용어가 있다면, 말하자면, 공간적 항에 적용되는 곡률 보정 인자로 인해 행성 및 위성 궤도에 그 영향을 보아야 하지 않을까?
대답은 '있다'는 것이지만 효과는 미미하다. 그 이유는 행성의 속도는 빛의 속도에 비해 매우 작아서 태양계의 행성과 위성의 경우 formula_151 항이 공간적 항을 왜소하게 만들기 때문이다.
공간적 항의 미세함에도 불구하고 뉴턴 중력에 문제가 있다는 첫 번째 징후는 150여 년 전에 발견되었다. 1859년 위르뱅 르베리에는 1697년부터 1848년까지 태양 원반 위의 수성의 통과에 대한 이용 가능한 시간 제한 관측 분석에서 알려진 물리학으로는 행성의 궤도를 설명할 수 없다고 보고했다. 수성의 궤도 내에 행성이나 소행성대가 존재하지 않는 한 수성 궤도의 근일점은 다른 행성의 잡아당김으로 설명될 수 있는 것보다 과도한 세차 운동을 나타냈다. 이 변칙적인 세차 운동(태양세기당 단 43호초arcsecond)의 미세한 값을 감지하고 정확하게 측정하는 능력은 19세기 위치천문학의 정교함을 보여준다.
천왕성 궤도의 흔들림을 분석하여 "펜 끝에서" 해왕성의 존재를 일찍 발견한 유명한 천문학자로서, 르베리에의 발표는 프로와 아마추어로서 20년에 걸친 "벌칸-매니아(Vulcan-mania)"의 시기를 촉발했다. 천문학자들은 모두 가상의 새로운 행성을 찾아 헤맸다. 이 검색에는 벌칸에 대한 여러 잘못된 목격이 포함되었다. 궁극적으로 그러한 행성이나 소행성대는 존재하지 않는다는 것이 확인되었다.
1916년에 아인슈타인은 수성의 이 변칙적인 세차 운동이 시공간의 곡률에 따른 공간적 항으로 설명된다는 것을 보여주어야 했다. 단순히 뉴턴 중력의 표현인 시간적 용어의 곡률은 이 변칙적인 세차 운동을 설명하는 데 아무런 역할도 하지 않는다. 그의 계산의 성공은 아인슈타인의 동료들에게 일반 상대성이론이 옳을 수 있다는 강력한 표시였다.
아인슈타인의 예측 중 가장 놀라운 것은 시공간 간격의 공간적 구성요소에 있는 곡률 항이 거대한 물체 주위의 빛의 굽힘으로 측정될 수 있다는 그의 계산이었다. 시공간 도표에서 빛의 기울기는 ±1이다. 공간에서의 움직임은 시간에서의 움직임과 같다. 불변 간격의 약한 장(weak field) 표현을 위해서 아인슈타인은 공간적 구성요소에서 정확히 같으나 반대 부호 곡률을 계산했다.
뉴턴의 중력에서 formula_151 앞의 formula_152 계수는 별 주위의 빛의 휨을 예측한다 . 일반 상대성이론에서 formula_161 앞에 있는 formula_162 계수는 총 굽힘의 "배가doubling"를 예측한다.
1919년 에딩턴 일식 탐험과 아인슈타인의 명성 상승에 대한 이야기는 다른 곳에서도 잘 알려져 있다.
시공간 곡률의 근원.
뉴턴의 중력이론에서 중력의 유일한 소스는 질량이다.
대조적으로, 일반 상대성이론은 질량 외에 시공간 곡률의 여러 원인을 식별한다. 아인슈타인 장 방정식(formula_163)
에서, 중력의 소스는 오른쪽에 표시되는 formula_164, 에너지-운동량 텐서이다.
그림 5-5는 에너지-운동량 텐서의 다양한 중력 소스를 분류한다.
방정식에서 파생되어야 하는 한 가지 중요한 결론은 구어체로 말하면 "중력 자체가 중력을 생성한다"라는 것이다. 에너지는 질량을 갖는다. 뉴턴 중력에서도 중력장은 중력 위치 에너지라고 하는 에너지 와 관련이 있다. 일반 상대성이론에서 중력장의 에너지는 중력장의 생성으로 피드백된다. 이것은 방정식을 비선형으로 만들고 약한 장의 경우가 아닌 다른 모든 경우에 풀기 어렵게 만든다. 수치 상대성이론은 문제를 해결하고 분석하기 위해 일반상대성 이론의 한 분야로, 종종 슈퍼컴퓨터를 사용하여 블랙홀, 중력파, 중성자별 및 강한 장 체제(strong field regime)의 기타 현상을 연구한다.
에너지-운동량.
특수 상대성이론에서 질량 에너지는 운동량과 밀접하게 연결되어 있다. 공간과 시간이 시공이라는 보다 포괄적인 실체의 다른 측면인 것처럼 질량-에너지와 운동량은 4-운동량이라고 하는 통일된 4차원 양의 다른 측면일 뿐이다. 결과적으로 질량-에너지가 중력의 근원이라면 운동량도 근원이 되어야 한다. 중력의 원천으로 운동량을 포함하면 이동하거나 회전하는 질량이 중력 자성으로 알려진 현상인 이동하는 전하에 의해 생성되는 자기장과 유사한 필드를 생성할 수 있다는 예측으로 이어진다.
자기력은 움직이는 전하에 특수 상대성이론을 적용하여 추론할 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. (이에 대한 설득력 있는 설명은 온라인에서 볼 수 있는 그의 "물리학 강의" 2권 에서 파인만이 제시했다.) 유사한 논리를 사용하여 중력자의 기원을 설명할 수 있다. 그림 5-7a에서 두 개의 평행하고 무한히 긴 거대한 입자의 흐름은 정지 상태에 있고 둘 사이의 중심에 있는 테스트 입자에 대해 동일하고 반대되는 속도 -"v" 및 +"v"를 갖는다. 설정의 대칭으로 인해, 중심 입자는 0이다. 속도가 단순히 덧셈이 되도록 를 가정한다. 그림 5-7b는 정확히 동일한 설정을 보여주지만 상위 흐름의 계에 있다. 테스트 입자의 속도는 +"v"이고 하단 흐름의 속도는 +2"v"이다. 물리적 상황은 바뀌지 않고 사물이 관찰되는 계뿐이므로 테스트 입자는 어느 쪽 흐름에도 끌리지 않아야 한다. 그러나 테스트 입자에 가해진 힘이 동일하다는 것은 전혀 분명하지 않다. (1) 바닥 흐름이 위쪽보다 빠르게 움직이기 때문에 아래쪽 흐름에 있는 각 입자는 위쪽에 있는 입자보다 더 큰 질량 에너지를 갖는다. (2) 로런츠 수축으로 인해 단위 길이당 입자가 위쪽 흐름보다 아래쪽 흐름에 더 많다. (3) 바닥 흐름의 활성 중력 질량에 대한 또 다른 기여는 이 시점에서 논의할 충분한 배경이 없는 추가 압력 항에서 비롯된다. 이러한 모든 효과는 함께 테스트 입자가 바닥 흐름을 향해 끌어당겨야 하는 것처럼 보인다.
테스트 입자는 "바닥 흐름과 같은 방향으로 움직이는" 입자를 밀어내는 역할을 하는 속도-의존성 힘 때문에 바닥 흐름으로 끌어당기지 않는다. 이 속도-의존성 중력 효과가 중력 자성이다.
따라서 중력 자기장을 통해 움직이는 물질은 전자기 유도와 유사한 소위 "틀 끌림" 효과를 받는다. 이러한 중력자기력은 회전하는 초대질량 블랙홀에 의해 분출되는 상대론적 제트(그림 5-8) 생성의 기초가 된다고 제안되었다.
압력과 응력.
에너지 및 운동량과 직접적으로 관련된 양은 중력의 원천이어야 한다. 즉, 내부 압력 및 응력이다. 종합하면 , 운동량, 압력 및 응력은 모두 중력의 원천으로 작용한다. 집합적으로, 그것들은 시공간에 곡선을 그리는 방법을 알려주는 것이다.
일반 상대성이론은 압력이 질량-에너지 밀도와 정확히 동일한 강도를 갖는 중력 소스로 작용한다고 예측한다. 중력의 원천으로 압력을 포함시키면 일반 상대성이론과 뉴턴 중력의 예측 사이에 극적인 차이가 발생한다. 예를 들어, 압력 항은 중성자 별의 질량에 대한 최대 한계를 설정한다. 중성자별이 무거울수록 중력에 대항하여 무게를 지탱하기 위해 더 많은 압력이 필요하다. 그러나 증가된 압력은 별의 질량에 작용하는 중력을 증가시킨다. 톨만-오펜하이머-볼코프 한계에 의해 결정된 특정 질량 이상에서, 과정은 폭주하고 중성자별은 블랙홀로 붕괴된다.
응력 항은 핵붕괴 초신성의 유체역학 시뮬레이션과 같은 계산을 수행할 때 매우 중요하다.
시공간 곡률의 원인으로서 압력, 운동량 및 응력의 역할에 대한 이러한 예측은 우아하고 이론에서 중요한 역할을 한다. 압력과 관련하여 초기 우주는 복사가 지배적이었다. 압력이 중력에 기여하지 않거나 질량-에너지만큼 중력의 근원과 같은 강도를 갖지 않는 경우 우주론적 데이터(예: 핵합성 존재비 등)를 재현할 수 있는 가능성은 매우 낮다. 마찬가지로, 응력 항이 중력의 원인으로 기여하지 않으면 아인슈타인 장 방정식의 수학적 일관성이 깨진다.
시공간 곡률의 원인에 대한 실험적 테스트.
정의: 능동적, 수동적 및 관성 질량.
본디Bondi는 가능한 다양한 유형의 질량을 구별한다. (1) 은 중력장의 소스로 작용하는 질량이다; (2) 은 중력장에 반응하는 질량이다; (3) 은 가속도에 반응하는 질량이다.
뉴턴 이론에서는,
일반 상대성이론에서는,
중력 소스로서의 압력.
중력원(즉, 능동적 질량)의 강도를 측정하는 고전적인 실험은 1797년 헨리 캐번디시Henry Cavendish에 의해 처음 수행되었다(그림 5-9a). 작지만 조밀한 두 개의 공이 가는 철사에 매달려 비틀림 균형(Torsion balance)을 이룬다. 두 개의 큰 테스트 질량을 볼에 가깝게 가져오면 감지 가능한 토크가 발생한다. 장치의 치수와 비틀림 와이어의 측정 가능한 스프링 상수가 주어지면 중력 상수 "G"가 결정될 수 있다.
테스트 질량을 압축하여 압력 효과를 연구하는 것은 가망이 없다. 도달할 수 있는 실험실 압력이 금속 공의 질량-에너지에 비해 미미하기 때문이다.
그러나 원자핵 내부에서 양성자가 단단히 압착되어 생기는 반발 전자기 압력은 일반적으로 1028 atm ≈ 1033 Pa ≈ 1033 kg·s−2m−1. 이것은 약 1018kg/m3의 핵 질량 밀도의 약 1%에 해당한다(c2 ≈ 9×10 16m2s−2에서 인수분해한 후).
만일 압력이 중력 소스로 작용하지 않는다면, formula_178 비율은 정전기 압력이 더 높은 원자 번호 "Z"가 더 높은 핵에서 더 낮아야 한다. L. B. 크로이저Kreuzer(1968)는 테플론과 동일한 부력 밀도를 갖는 액체 트리클로로에틸렌과 디브로모에탄dibromoethane의 혼합물에 매달린 테플론 질량을 사용하여 캐번디시 실험을 수행했다(그림 5-9b). 불소의 원자 번호는 이고 브롬의 원자 번호는 이다. 크로이저는 테플론 질량의 위치를 변경해도 토션 바의 차등 변형이 발생하지 않아 능동적 질량과 수동적 질량이 5×10−5의 정밀도로 동등하다는 것을 발견했다.
크로이저는 원래 이 실험을 단순히 능동적 질량 대 수동적 질량의 비율 테스트로 간주했지만 클리포드 윌Clifford Will(1976)은 이 실험을 중력장에 대한 소스의 결합의 기본 테스트로 재해석했다.
1986년에 바틀렛Bartlett와 반 뷰런Van Buren은 달 레이저 거리 측정실험이 달의 모양 중심과 질량 중심 사이의 2km 오프셋이 있음을 주목했다. 이것은 철(달의 핵에 풍부)과 알루미늄(지각과 맨틀에 풍부)의 분포가 비대칭임을 나타낸다. 압력이 질량-에너지만큼 시공간 곡률에 동등하게 기여하지 않는다면, 달은 고전 역학에서 예측한 궤도에 있지 않을 것이다. 그들은 능동적 질량과 수동적 질량 사이의 불일치에 대한 한계를 약 10-12까지 강화하기 위해 그들의 측정값을 사용했다.
중력 자성.
중력 자성의 존재는 2004년 4월 20일에 발사된 위성 기반 임무인 중력탐사기 B(Gravity Probe B)(GP-B)에 의해 입증되었다. 우주 비행 단계는 2005년까지 지속되었다. 임무 목표는 중력 자성에 특히 중점을 두고 지구 근처의 시공간 곡률을 측정하는 것이었다.
초기 결과는 약 1%의 정확도로 상대적으로 큰 측지 효과(geodetic effect)(단순한 시공간 곡률로 인한 것이며 더시터르de Sitter 세차 운동이라고도 함)를 확인했다. 훨씬 작은 틀 끌림 효과(중력 자기로 인한 것으로 렌세-티링 세차 운동(Lense–Thirring precession)이라고도 함)는 자이로스코프에서 가변 드리프트를 유발하는 예기치 않은 전하 효과로 인해 측정하기 어려웠다. 그럼에도 불구하고 2008년 8월까지 틀 끌림 효과는 예상 결과의 15% 이내로 확인되었으며 측지 효과는 0.5% 이상으로 확인되었다.
레이저 상대성 위성(LARES), 레이저 지구역학 위성(LAGEOS)-1 및 LAGEOS-2 위성의 레이저 거리 관측에 의한 틀 끌림의 후속 측정은 GP-B 측정에서 개선되었으며 결과(2016년 기준)는 이 결과의 정확성에 대해 약간의 불일치가 있었지만, 이론값의 5% 이내로 효과를 입증했다.
또다른 노력인 일반 상대성이론의 자이로스코프(GINGER) 실험은 이 효과를 측정하기 위해 지표면 아래 1400m 아래에서 서로 직각으로 장착된 3개의 6m 링 레이저(ling laser)를 사용하려고 한다.
기술적 토픽.
시공간은 정말 휘었는가?
푸앵카레의 규약주의자 관점에서 유클리드 기하학과 비유클리드 기하학을 선택해야 하는 필수 기준은 경제성과 단순성이다. 현실주의자는 아인슈타인이 시공간이 비유클리드적이라는 것을 발견했다고 말할 것이다. 규약주의자는 아인슈타인이 비유클리드 기하학을 사용하는 것이 더 "편리하다"는 것을 알았다고 말할 것이다. 관습주의자는 아인슈타인의 분석이 시공간의 기하학이 "실제로" 무엇인가에 대해 아무 말도 하지 않았다고 주장할 것이다.
그런 말을 하면,
첫 번째 질문에 대한 응답으로 데저Deser, 그리슈크Grishchuk, 로젠Rosen, 와인버그 등을 포함한 많은 저자들은 평평한 다양체의 장으로 중력의 다양한 공식을 제공했다. 이러한 이론은 "바이메트릭 중력(bimetric gravity)", "일반 상대성이론에 대한 장 이론 접근" 등으로 다양하게 불린다. 킵 손은 이러한 이론에 대한 인기 있는 리뷰를 제공했다.
평평한 시공간 패러다임은 물질이 중력장을 생성하여 자를 원주 방향에서 방사형으로 돌릴 때 자를 수축시키고 시계의 똑딱거리는 속도를 팽창시킨다고 가정한다. 평평한 시공간 패러다임은 둘 다 동일한 물리적 현상을 나타낸다는 점에서 휘어진 시공간 패러다임과 완전히 동일하다. 그러나 그들의 수학적 공식은 완전히 다르다. 연구하는 물리학자들은 문제의 요구 사항에 따라 휘어진 및 평평한 시공간 기술 사용하기를 일상적으로 전환한다. 평평한 시공간 패러다임은 약한 장에서 근사 계산을 수행할 때 특히 편리한 것으로 판명되었다. 따라서 중력파 문제를 풀 때는 평평한 시공간 기술이 사용되는 반면에, 블랙홀 분석에는 휘어진 시공간 기술이 사용된다.
점근적 대칭.
특수 상대성이론의 시공간 대칭 군은 3개의 로런츠 부스트, 3개의 회전 및 4개의 시공간 병진으로 구성된 10차원 군인 푸앵카레 군이다. 일반 상대성이론에 어떤 대칭이 적용될 수 있는지 묻는 것이 논리적이다. 다루기 쉬운 경우는 중력장의 모든 근원에서 멀리 떨어진 관찰자에게 보이는 시공간의 대칭을 고려하는 것일 수 있다. 점근적으로 평평한 시공간 대칭에 대한 순진한 기대는 단순히 특수 상대성이론, "즉" 푸앵카레 군의 평평한 시공간 대칭을 확장하고 재생산하는 것일 수 있다.
1962년 헤르만 본디Hermann Bondi, M. G. 반 데르 부르그van der Burg, A. W. 메츠너Metzner 및 레이너 K. 삭스Rainer K. Sachs는 전파되는 중력파로 인한 무한대의 에너지 흐름을 조사하기 위해 이 점근 대칭 문제를 다루었다. 그들의 첫 번째 단계는 중력장에 빛과 같은 무한대를 배치할 물리적으로 합리적인 경계 조건을 결정하여 점근 대칭군의 본성에 대한 "선험적" 가정을 하지 않고-그러한 군이 존재한다는 가정조차 하지 않고, 계량이 점근적으로 평평하다고 말하는 것이 무엇을 의미하는지 특성화하는 것이다. 그런 다음 가장 합리적인 경계 조건으로 간주되는 것을 설계한 후, 점근적으로 평평한 중력장에 적합한 경계 조건의 형태를 불변으로 남겨두는 점근 대칭 변환 결과의 특성을 조사했다. 그들이 발견한 것은 점근 대칭 변환이 실제로 군을 형성하고 이 군의 구조가 우연히 존재하는 특정 중력장에 의존하지 않는다는 것이다. 이것은 예상대로 적어도 공간적 무한대에서 중력장의 역학에서 시공간의 운동학을 분리할 수 있음을 의미한다. 1962년의 수수께끼 같은 놀라움은 BMS 군의 하위 군인 유한 차원 푸앵카레 군 대신 점근 대칭 군으로 풍부한 무한 차원 군(소위 BMS 군)을 발견한 것이다. 로런츠 변환은 점근 대칭 변환일 뿐만 아니라, 로런츠 변환은 아니자만 점근 대칭 변환인 추가 변환도 있다. 사실, 그들은 수퍼트랜스레이션supertranslations으로 알려진 무한한 변환 생성기를 추가로 발견했다. 이것은 일반 상대성이론(GR)이 장거리에서 약한 자기장의 경우에 특수 상대성이론으로 환원되지 "않는다"는 결론을 의미한다.
리만 기하학.
리만 기하학은 점에서 점으로 매끄럽게 변하는 각 점의 접공간에 대한 내적"인 리만 계량"을 사용하는 매끄러운 다양체인 리만 다양체를 연구하는 미분 기하학의 한 분야이다. 이것은 특히 각도, 곡선 길이(length of curves), 표면적 및 부피에 대한 국소적local 개념을 제공한다. 이들로부터 국소적 기여를 통합하여 다른 대역적global 수량을 도출할 수 있다.
리만 기하학은 취임 강연 "Ueber die Hypothesen, welche der Geometrie zu Grunde Ligen"("기하학이 기반으로 하는 가설")에서 표현된 베른하르트 리만의 비전에서 비롯된 R3에서 표면의 미분 기하학(differential geometry of surfaces)의 매우 광범위하고 추상적인 일반화이다. 리만 기하학의 발전은 표면의 기하학과 표면에서의 측지학의 거동에 관한 다양한 결과를 종합하여 더 높은 차원의 미분 가능한 다양체 연구에 적용할 수 있는 기술을 가져왔다. 그것은 아인슈타인의 일반 상대성이론의 공식화를 가능하게 했고, 해석학뿐만 아니라 군론과 표현론에 지대한 영향을 미쳤고, 대수 및 미분위상수학의 발전에 박차를 가했다.
곡선형 매니폴드.
물리적인 이유로 시공간 연속체는 수학적으로 4차원의 매끄럽고 연결된 로런츠 다양체 formula_179로 정의된다. 이것은 매끄러운 로런츠 계량(Lorentz metric) formula_180에 부호 formula_181이 있음을 의미한다. 이 계량은 입자 및 광선의 측지선을 결정할 뿐만 아니라 "시공간의 기하학"을 결정한다. 이 다양체의 각 점(사건)에 대해 좌표 차트(coordinate chart)는 기준계에서 관찰자를 나타내는 데 사용된다. 일반적으로 데카르트 좌표 formula_182가 사용된다. 또한, 단순성을 위해 측정 단위는 일반적으로 광속 formula_11가 1이 되도록 선택된다.
기준계(관찰자)는 이러한 좌표 차트 중 하나로 식별할 수 있다. 그러한 관찰자는 모든 사건 formula_184를 설명할 수 있다. 다른 기준계는 formula_184에 대한 두 번째 좌표 차트로 식별할 수 있다. 두 명의 관찰자(각 기준계에 하나씩)가 동일한 사건 formula_184를 설명하지만 다른 설명을 얻을 수 있다.
일반적으로 다양체를 덮기 위해서는 겹치는 좌표 차트가 많이 필요하다. 두 개의 좌표 차트가 주어지면 하나는 다음을 포함합니다. formula_184(관찰자를 나타냄) 및 다음을 포함하는 다른 것formula_188(다른 관찰자를 나타냄), 차트의 교차점은 두 관찰자가 물리량을 측정하여 결과를 비교할 수 있는 시공간의 영역을 나타낸다. 두 측정 세트 간의 관계는 이 교차점에 대한 정칙non-singular 좌표 변환에 의해 제공된다. 주변에서 측정을 수행할 수 있는 국소 관찰자로서의 좌표 차트의 아이디어는 살제로 물리적 데이터를-국소적으로 수집하는 방법이기 때문에 물리적으로 타당하다.
예를 들어, 한 명은 지구에 있고 다른 한 명은 목성으로 가는 고속 로켓을 타고 있는 두 명의 관찰자가 목성에 충돌하는 혜성을 관찰할 수 있다(이것은 사건 formula_184이다) 일반적으로 그들은 이 충돌의 정확한 위치와 시기에 대해 동의하지 않을 것이다. 즉, (다른 좌표계를 사용하기 때문에) 서로 다른 4-튜플 formula_190를 가질 것이다. 운동학적 설명은 다르지만 운동량 보존 및 열역학 제1법칙과 같은 동적(물리적) 법칙은 여전히 유효하다. 사실, 상대성이론은 이러한(그리고 다른 모든 물리적) 법칙이 모든 좌표계에서 동일한 형태를 취해야 한다고 규정한다는 점에서 이보다 더 많은 것을 요구한다. 이것은 상대성이론에 모든 물리량이 표현되는 텐서를 도입한다.
측지선의 한 점에 대한 접선 벡터가 이러한 본성을 갖는 경우 측지선은 시간성, 널 또는 공간성이라고 말한다. 시공간의 입자와 광선의 경로는 각각 시간성 측지선과 널(광성) 측지선으로 표현된다.
3+1 시공간의 특권적 특성.
차원에는 공간(양방향) 및 시간(단일방향)의 두 가지 종류가 있다. 공간 차원의 수를 "N"으로 하고 시간적 차원의 수는 "T"로한다. "N" = 3 및 "T" = 1, 끈 이론에 의해 호출되었으나 현재까지 감지할 수 없는 콤팩트화된 차원들은 제쳐두고, "N"는 3과 다르고 "T"는 1과 다르도록 하는 물리적 결과에 호소함으로써 설명될수 있다. 비록 완전한 개념이 유행하기 전이지만, 이 주장은 종종 인류학적 성격을 띠고 있으며 아마도 그러한 종류의 첫 번째일 것이다.
우주의 차원이 특별하다는 암묵적인 개념은 먼저 고트프리트 빌헬름 라이프니츠가 형이상학 서설에서 세계가 "가설에서 가장 단순하고 현상에서 가장 풍부한 것"이라고 제안한 것에 기인한다. 이마누엘 칸트는 3차원 공간이 만유인력의 법칙의 역제곱의 결과라고 주장했다. 칸트의 주장은 역사적으로 중요하지만 존 D. 바로우John D. Barrow는 "펀치 라인을 다시 전면으로 가져온다: 우리가 자연에서 역제곱 법칙을 보는 이유를 설명하는 것은 공간의 3차원성이며 그 반대의 경우는 아니다"라고 말했다. (Barrow 2002: 204).
1920년 파울 에렌페스트는 시간 차원이 단 하나이고 공간 차원이 3차원보다 크면 태양 주위의 행성의 궤도가 안정적으로 유지될 수 없음을 보여주었다. 은하의 중심을 도는 별의 궤도도 마찬가지입니다. 에렌페스트는 또한 공간 차원이 짝수이면 파동 충격의 다른 부분이 다른 속도로 이동할 것임을 보여주었다. 만일 "k"가 양의 정수인 formula_191 공간 차원이 있다면, 파동 임펄스가 왜곡된다. 1922년 헤르만 바일은 맥스웰의 전자기학이 공간의 3차원과 시간의 1차원에서만 작동한다는 것을 보여주었다. 마지막으로 탕헤리니Tangherlini는 1963년에 공간 차원이 3차원 이상일 때 핵 주위의 전자 궤도가 안정적일 수 없어서. 전자가 핵으로 떨어지거나 흩어질 것을 보여주었다.
막스 테그마크Max Tegmark는 다음과 같은 인위적인 방식으로 앞의 주장을 확장한다. "T"가 1과 다르면 관련 편미분 방정식의 지식으로 물리적 시스템의 동작을 안정적으로 예측할 수 없다. 그러한 우주에서는 기술을 조작할 수 있는 지적 생명체가 출현할 수 없다. 또한 "T" &gt; 1인 경우 테그마크는 양성자와 전자가 불안정하여 자신보다 더 큰 질량을 갖는 입자로 붕괴될 수 있다고 주장한다. (입자의 온도가 충분히 낮으면 문제가 되지 않는다.)
마지막으로 "N" &lt; 3이면 모든 종류의 중력이 문제가 되고 우주는 관찰자를 포함하기에는 너무 단순할 것다. 예를 들어, "N" &lt; 3이면 신경이 교차하지 않고는 지나갈 수 없다.
따라서 인류적 및 다른 주장은 우연히 우리 주변의 세계를 기술하는 "N" = 3 및 "T" = 1을 제외한 모든 경우를 배제한다.
2019년 제임스 스카길James Scargill은 복잡한 생명체가 이 공간 차원에서 아마 가능할 수 있다고 주장했다. 스카길에 따르면 중력에 대한 순수한 스칼라 이론은 국소적인 중력을 가능하게 할 수 있으며 2D 네트워크는 복잡한 신경 네트워크에 아마 충분할 수 있다.