아인슈타인이 세상을 바꾼 일곱 가지 방법을 살펴 봅니다. 알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879-1955)은 역사상 가장 유명한 과학자 중 한 명이며 그의 이름은 "천재"라는 단어와 거의 동의어가 되었습니다. 아인슈타인이 세상을 바꾼 방법에는 여러 가지가 있으며 여기에서 우리가 가장 좋아하는 몇 가지를 살펴봅니다. 그의 명성은 그의 괴상한 외모와 철학, 세계 정치 및 기타 비과학적 주제에 대한 이따금 선언에 기인하지만, 그의 명성에 대한 진정한 주장은 우주에 대한 우리의 전체 인식을 바꾸고 오늘날 우리가 살고 있는 세상을 형성하는 데 도움이 된 현대 물리학에 대한 그의 공헌에서 비롯됩니다.
다음은 우리가 아인슈타인에게 빚지고 있는 세상을 변화시키는 몇 가지 개념입니다
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1. 시공간
아인슈타인이 26세에 이룬 가장 초기의 업적 중 하나는 특수 상대성 이론으로, 중력이 무시되는 특별한 경우의 상대 운동을 다루기 때문에 소위 말하는 이론입니다. 이것은 무해하게 들릴지 모르지만 역사상 가장 위대한 과학 혁명 중 하나였으며 물리학자들이 공간과 시간에 대해 생각하는 방식을 완전히 바꿔 놓았습니다. 사실상, 아인슈타인은 이것들을 하나의 시공간 연속체로 병합했다. 우리가 공간과 시간을 완전히 분리된 것으로 생각하는 한 가지 이유는 각각 마일과 초와 같은 다른 단위로 측정하기 때문입니다. 그러나 아인슈타인은 빛의 속도 (초당 약 186,000 마일 (초당 300,000km))를 통해 서로 연결되어 실제로 상호 교환 가능한 방법을 보여주었습니다.
아마도 특수 상대성 이론의 가장 유명한 결과는 빛보다 빠르게 이동할 수 없다는 것입니다. 그러나 그것은 또한 빛의 속도에 접근함에 따라 사물이 매우 이상하게 행동하기 시작한다는 것을 의미합니다. 빛의 속도의 80%로 이동하는 우주선을 볼 수 있다면 정지해 있을 때보다 40% 더 짧아 보일 것입니다. 그리고 만약 여러분이 내부를 볼 수 있다면, 모든 것이 슬로우 모션으로 움직이는 것처럼 보일 것이고, 조지아 주립대학교의 하이퍼피직스 웹사이트에 따르면, 시계가 100분을 똑딱거리는 데 <>초가 걸릴 것이다. 이것은 우주선의 승무원이 실제로 더 빨리 여행할수록 더 천천히 노화된다는 것을 의미합니다.
2. 아인슈타인 방정식: E = MC^2
(이미지 크레디트: Getty Images를 통한 VICTOR HABBICK VISIONS/SCIENCE PHOTO LIBRARY)
특수 상대성 이론의 예상치 못한 파생물은 아인슈타인의 유명한 방정식 E = mc^2로, 이는 문화 아이콘의 지위에 도달한 유일한 수학 공식일 것입니다. 이 방정식은 질량(m)과 에너지(E)의 등가성을 표현하며, 이전에는 완전히 분리되어 있다고 믿었던 두 가지 물리적 매개변수입니다. 전통적인 물리학에서 질량은 물체에 포함된 물질의 양을 측정하는 반면 에너지는 물체의 운동과 물체에 작용하는 힘으로 인해 물체가 갖는 속성입니다. 또한 에너지는 빛이나 전파와 같이 물질이 완전히 없는 상태에서 존재할 수 있습니다. 그러나 아인슈타인의 방정식에 따르면 질량에 c^2(매우 큰 숫자인 빛의 속도의 제곱)를 곱하여 에너지와 동일한 단위가 되도록 하는 한 질량과 에너지는 본질적으로 같은 것입니다.
이것은 물체가 단순히 에너지를 얻고 있기 때문에 더 빨리 움직일수록 질량을 얻는다는 것을 의미합니다. 그것은 또한 불활성의 정지된 물체조차도 그 안에 엄청난 양의 에너지가 갇혀 있음을 의미합니다. 이 개념은 놀라운 아이디어일 뿐만 아니라 고에너지 입자 물리학의 세계에서 실용적인 응용 프로그램을 가지고 있습니다. 유럽 원자력 연구위원회 (CERN)에 따르면, 충분히 에너지가 많은 입자가 함께 부딪히면 충돌 에너지가 추가 입자 형태로 새로운 물질을 생성 할 수 있습니다.
3. 레이저
레이저 캐비티에서 유도 방출의 단계. (이미지 크레디트: Getty Images를 통한 브리태니커 백과사전/UIG)
레이저는 현대 기술의 필수 구성 요소이며 바코드 판독기 및 레이저 포인터에서 홀로그램 및 광섬유 통신에 이르기까지 모든 것에 사용됩니다. 레이저는 일반적으로 아인슈타인과 관련이 없지만 궁극적으로 레이저를 가능하게 한 것은 그의 작업이었습니다. 1959년에 만들어진 레이저라는 단어는 "방사선 유도 방출에 의한 빛 증폭"을 의미하며, 미국 물리학회에 따르면 유도 방출은 아인슈타인이 40년 이상 전에 개발한 개념입니다. 1917년에 아인슈타인은 무엇보다도 물질을 통과하는 빛의 광자가 어떻게 추가 광자의 방출을 자극할 수 있는지 설명하는 방사선의 양자 이론에 관한 논문을 썼습니다.
아인슈타인은 새로운 광자가 원래 광자와 같은 방향, 동일한 주파수 및 위상으로 이동한다는 것을 깨달았습니다. 그 결과 점점 더 많은 거의 동일한 광자가 생성됨에 따라 캐스케이드 효과가 발생합니다. 이론가로서 아인슈타인은 그 아이디어를 더 이상 받아들이지 않았고 다른 과학자들은 자극 방출의 엄청난 실제 잠재력을 인식하는 데 더뎠습니다. 그러나 세계는 결국 거기에 도달했고 사람들은 오늘날에도 여전히 안티 드론 무기에서 초고속 컴퓨터에 이르기까지 레이저에 대한 새로운 응용 분야를 찾고 있습니다.
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4. 블랙홀과 웜홀
아인슈타인의 특수 상대성 이론은 중력장이 없는 경우에도 시공간이 꽤 이상한 일을 할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 그것은 빙산의 일각에 불과하며, 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서 마침내 중력을 혼합하는 데 성공했을 때 발견했습니다. 그는 행성과 별과 같은 거대한 물체가 실제로 시공간의 구조를 왜곡한다는 것을 발견했으며, 우리가 중력으로 인식하는 효과를 생성하는 것은 바로 이러한 왜곡입니다.
아인슈타인은 광범위한 응용 분야를 가진 복잡한 방정식 세트를 통해 일반 상대성 이론을 설명했습니다. 아마도 아인슈타인 방정식에 대한 가장 유명한 해는 1916년 칼 슈바르츠실트의 해인 블랙홀에서 나왔을 것입니다. 더 이상한 것은 아인슈타인 자신이 1935 년 Nathan Rosen과 공동으로 개발 한 솔루션으로, 시공간의 한 지점에서 다른 지점으로의 지름길 가능성을 설명합니다. 원래 아인슈타인-로젠 다리라고 불렸던 이 다리는 이제 모든 공상 과학 팬들에게 웜홀이라는 더 친숙한 이름으로 알려져 있습니다.
5. 팽창하는 우주
(이미지 크레디트: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images)
아인슈타인이 1915년에 일반 상대성 이론 방정식으로 가장 먼저 한 일 중 하나는 이를 우주 전체에 적용하는 것이었습니다. 그러나 나온 대답은 그에게 잘못된 것 같았습니다. 그것은 공간의 구조 자체가 연속적인 팽창 상태에 있다는 것을 의미하며, 은하를 끌어 당겨 그들 사이의 거리가 지속적으로 증가하고 있음을 의미합니다. 상식은 아인슈타인에게 이것이 사실이 될 수 없다고 말했고, 그래서 그는 잘 작동하고 정적인 우주를 만들기 위해 방정식에 우주 상수라는 것을 추가했습니다.
그러나 1929년에 에드윈 허블이 다른 은하들을 관찰한 결과, 우주가 실제로 팽창하고 있음이 밝혀졌는데, 분명히 아인슈타인의 원래 방정식이 예측한 것과 같은 방식이었습니다. 그것은 아인슈타인이 나중에 그의 가장 큰 실수라고 묘사한 우주 상수의 끝처럼 보였습니다. 그러나 그것이 이야기의 끝이 아니 었습니다. 우주의 팽창에 대한 보다 정교한 측정에 기초하여, 우리는 이제 우주상수가 없을 때 속도가 느려지는 것이 아니라 속도가 빨라지고 있다는 것을 알고 있습니다. 그래서 아인슈타인의 "실수"는 결국 그런 오류가 아니었던 것처럼 보입니다.
6. 원자 폭탄
(이미지 크레디트: Universal History Archive/Getty Images를 통한 Universal Images Group)
아인슈타인은 때때로 그의 방정식 E = mc^2를 통해 핵무기의 "발명"으로 인정받지만, 막스 플랑크 중력 물리학 연구소의 아인슈타인 온라인 웹사이트에 따르면 둘 사이의 연관성은 기껏해야 미약합니다. 핵심 요소는 아인슈타인이 직접 관여하지 않은 핵분열의 물리학입니다. 그럼에도 불구하고 그는 최초의 원자 폭탄의 실제 개발에 결정적인 역할을했습니다. 1939년에 많은 동료들이 그에게 핵분열의 가능성과 나치 독일이 그러한 무기를 획득할 경우 발생할 공포에 대해 경고했습니다. 결국 원자력 유산 재단에 따르면 그는 미국 대통령 프랭클린 D. 루즈벨트에게 보낸 편지에서 이러한 우려를 전달하도록 설득되었습니다. 아인슈타인의 편지의 궁극적인 결과는 제<>차 세계 대전이 끝날 때 일본에 사용된 원자 폭탄을 만든 맨해튼 프로젝트의 설립이었습니다.
많은 유명한 물리학자들이 맨해튼 프로젝트에 참여했지만 아인슈타인은 그들 중 하나가 아니었습니다. 미국 자연사 박물관(AMNH)에 따르면 그는 좌파 성향의 정치적 견해 때문에 필요한 보안 허가를 거부당했습니다. 아인슈타인에게 이것은 큰 손실이 아니었다 — 그의 유일한 관심사는 나치에 대한 기술 독점을 거부하는 것이었다. 1947년 아인슈타인은 뉴스위크지와의 인터뷰에서 "독일이 원자폭탄 개발에 성공하지 못할 것이라는 것을 알았더라면 손가락 하나 까딱하지 않았을 것"이라고 말했다고 타임지는 전했다.
7. 중력파
(이미지 크레디트: R. Hurt/Caltech-JPL)
아인슈타인은 1955년에 사망했지만 그의 거대한 과학적 유산은 21세기에도 계속해서 헤드라인을 장식하고 있습니다. 이것은 2016 년 <> 월 일반 상대성 이론의 또 다른 결과 인 중력파의 발견 발표와 함께 놀라운 방식으로 일어났습니다. 중력파는 시공간의 구조를 통해 전파되는 작은 잔물결이며, 아인슈타인이 중력파의 존재를 "예측"했다고 종종 퉁명스럽게 언급됩니다. 그러나 현실은 그보다 덜 명확합니다.
아인슈타인은 중력파가 그의 이론에 의해 예측되었는지 아니면 배제되었는지에 대해 결코 결정을 내리지 못했습니다. 그리고 천문학자들이 어떤 식으로든 그 문제를 결정하는 데 수십 년이 걸렸습니다.
결국 그들은 워싱턴 주 핸포드와 루이지애나 주 리빙스턴에 있는 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)와 같은 거대한 시설을 사용하여 성공했습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 또 다른 승리일 뿐만 아니라(비록 그는 자신에 대해 너무 확신하지 못했지만) 중력파의 발견은 천문학자들에게 블랙홀 병합과 같은 희귀한 사건을 포함하여 우주를 관찰하기 위한 새로운 도구를 제공했습니다.