가속 좌표계
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1. 개요
린들러 좌표계는 특수 상대성 이론에서 가속 좌표계의 한 유형으로, 상수 고유 가속도를 갖는 관찰자를 설명하는 데 사용된다. 데카르트 좌표계에서 린들러 좌표계로의 변환과 그 역변환을 통해 린들러 쐐기라고 불리는 영역이 정의되며, 이 영역 내에서 린들러 관찰자는 정지 상태를 유지한다. 린들러 좌표계는 좌표 특이점을 가지며, 린들러 지평선은 이 좌표계의 경계로 간주된다. 린들러 좌표계는 페르마 계량과 다양한 거리 개념을 가지며, 곡선 시공간으로 일반화될 수 있다. 이 개념은 아인슈타인, 본, 린들러 등 여러 물리학자들에 의해 연구되었으며, 시간 팽창, 광속, 본 강체 등의 개념과 관련이 있다.
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- 가속도 - 중력 가속도
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가속 좌표계 | |
---|---|
개요 | |
종류 | 특수 상대성 이론 도구 |
좌표 | (X, Y, Z, T) 또는 (x, y, z, t) |
주요 특징 | 가속하는 관찰자에게 유용한 좌표계 |
정의 | |
조건 1 | T = 0 일 때, X = 1/α |
조건 2 | T = 0 일 때, X = 0 |
관련 개념 | |
관련 운동 | 쌍곡선 운동 |
역사 | |
최초 언급 | 알베르트 아인슈타인과 나탄 로젠의 1935년 논문에서 유사한 개념 제시 |
명칭 유래 | 볼프강 린들러의 이름을 따서 명명 |
2. 린들러 좌표계의 특징
린들러 좌표계는 민코프스키 시공간에서 일정한 고유 가속도로 쌍곡선 운동을 하는 관찰자에게 고정된 가속 좌표계이다.[6][7][45] 이 좌표계에서 특정 위치(가 상수)에 고정된 관찰자를 린들러 관찰자라고 부른다. 린들러 관찰자는 자신의 좌표계에서는 정지해 있는 것처럼 보이지만, 외부의 관성 좌표계에서 보면 일정한 고유 가속도로 움직이는 것으로 나타난다. 이 세계선을 유지하기 위해 관찰자는 계속해서 가속해야 한다.
린들러 좌표계는 민코프스키 시공간 전체를 다루지 못하고, (여기서 는 민코프스키 좌표) 조건을 만족하는 특정 영역만을 기술한다. 이 영역을 린들러 쐐기(Rindler wedge)라고 부른다.[46][41] 즉, 린들러 좌표 변환은 이 쐐기 영역 내에서만 유효하다.
린들러 좌표계의 중요한 특징 중 하나는 린들러 지평선(Rindler horizon)의 존재이다.[45] 이는 린들러 좌표에서 에 해당하는 경계이다. 이 지평선은 좌표 특이점으로, 린들러 좌표계의 계량 텐서 성분 중 시간 성분()이 0이 되는 곳이다. 물리적으로 린들러 지평선은 린들러 관찰자가 정보를 받을 수 없는 시공간 영역과의 경계를 나타낸다. 린들러 관찰자가 이 지평선에 가까워질수록(), 일정한 좌표를 유지하기 위해 필요한 고유 가속도는 무한히 커진다.
모든 린들러 관찰자는 관성 좌표계 시간 에서 순간적으로 정지 상태에 있으며, 이때 각 관찰자의 위치 는 자신의 고유 가속도 와 ( 단위계에서는 )의 관계를 가진다. 이는 린들러 좌표 값에 해당하며, 지평선으로부터의 거리를 나타낸다. 일반적으로 특정 린들러 관찰자(예: 고유 가속도가 인 관찰자)의 고유 시간이 린들러 좌표계의 시간 와 일치하도록 좌표계를 설정한다.[69] 흔히 계산의 편의를 위해 (그리고 광속 )로 두는 관례를 사용하지만, 사용하는 길이와 시간의 단위(예: 광년/년 또는 광초/초)에 따라 이 의미하는 실제 가속도의 크기는 달라진다.
2. 1. 좌표 변환
관성 좌표계인 데카르트 좌표계 (T, X, Y, Z)와 가속 좌표계인 린들러 좌표계 (t, x, y, z) 사이의 변환 관계는 다음과 같다.
상수 고유 가속도 를 가지고 쌍곡선 운동을 하는 물체의 세계선은 고유 시간 의 함수로 다음과 같이 표현될 수 있다.[33]
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여기서 는 상수이며, 이 세계선은 쌍곡선 을 따른다. Sommerfeld는 이 식에서 를 변수로, 를 상수로 재해석하여 동반 관찰자가 측정한 쌍곡선 운동 물체의 동시적인 "정지 형태"를 나타낼 수 있음을 보였다.[56][61]
관찰자의 고유 시간 를 전체 쌍곡선 가속 프레임의 시간으로 설정하여 로 두면, 관성 좌표(데카르트)와 쌍곡선 좌표(린들러) 간의 변환 공식은 다음과 같다 ( 단위계 사용).[46][41]
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이 변환의 역변환은 다음과 같다.
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이 좌표 변환은 영역에서 유효하며, 이 영역을 흔히 린들러 쐐기(Rindler wedge)라고 부른다. 린들러 좌표계에서 를 일정하게 유지하고 시간 만 변화하는 관찰자를 린들러 관찰자라고 정의한다. 이들은 일정한 고유 가속도로 가속해야 하며, 린들러 지평선()에 가까울수록 더 큰 고유 가속도를 가진다. 모든 린들러 관찰자는 관성 프레임에서 시간 일 때 순간적으로 정지해 있으며, 이때 고유 가속도 를 가진 관찰자는 위치 (정확히는 이나 로 가정)에 있다. 이는 린들러 좌표에서 지평선으로부터의 거리가 일정함을 의미한다. 일반적으로 린들러 좌표계를 정의할 때, 특정 린들러 관찰자(예: )의 고유 시간이 좌표 시간 와 같도록 선택하며, 이 관찰자의 고유 가속도가 가 된다.[45] 고유 시간이 좌표 시간과 일치하는 린들러 관찰자의 고유 가속도를 로 설정하는 것이 일반적인 관례이며, 이렇게 하면 방정식에서 를 생략할 수 있다.
위 변환식은 광속 로 단순화된 형태이다. 를 포함한 일반적인 역변환식은 다음과 같으며, 가속도 가 주어졌을 때 린들러 지평선까지의 거리를 근사적으로 구하는 데 유용하다.
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이후 설명에서는 편의상 및 로 설정하는 관례를 따르며, 이 경우 와 의 단위는 이 된다. 그러나 로 설정하더라도 고유 가속도 의 실제 크기는 길이와 시간의 단위 선택에 따라 달라진다. 예를 들어, 길이에 광년, 시간에 년을 사용하면 광년/년2은 약 9.5 m/s2에 해당하지만, 길이에 광초, 시간에 초를 사용하면 광초/초2는 약 299,792,458 m/s2에 해당한다.
다음 표는 린들러 좌표계와 관련된 다른 가속 좌표계(코틀러-뫼러 좌표, 레이더 좌표)와의 비교를 보여준다.[2][3][4][5][6][7][45][43][42][44][41]
{| class="wikitable"
! 일 때
! 좌표계 및 관련 공식
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! rowspan="3" |
! '''코틀러-뫼러 좌표'''[2][3][4][5]
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| 변환:
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| 계량:
시간 팽창 및 좌표 광속: