[논문 리뷰] Proposal for an experiment to demonstrate the block universe

A L McKenzie|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 28.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 지구와 화성 탐사 궤도선 간의 라디오 신호를 이용해 블록 우주 개념을 실현 가능한 실험으로 구현하는 것을 제안한다. 상대성 이론에 의한 시간 지연과 행성 간 거리로 인해 한 관측자의 미래 사건이 다른 관측자에게는 이미 과거가 되기 때문이다. 핵심 결과는 상대 운동을 하는 관측자들이 서로의 미래 시간 간격을 이미 과거로 인식한다는 것으로, 모든 사건이 동일하게 존재하는 시공간의 구조를 지지한다.

ABSTRACT

While the concept of the block universe has a most respectable scientific provenance, many physicists nevertheless do not accept that future events are just as embedded in spacetime as are those of the present and the past. This paper proposes an experiment to demonstrate the block universe using interplanetary distances and high relative speeds such as those accessible through the NASA Mars Reconnaissance Orbiter. The proposed experiment hinges on signals exchanged between Earth and the Orbiter which reveal a time interval of some tens of milliseconds in the future of the Earth which is already in the past of the Orbiter. Since this experiment can be performed at any time, and since the magnitude of the time interval can in principle be increased in proportion to the distances and speeds over which it is performed, an observer can always be found for whom the past is in the future of another observer. The only explanation that fits these observations is a block universe in which all events in the past, present and future of any observer are equally enfolded into spacetime.

연구 동기 및 목표

• 시공간의 블록 우주 해석을 실험적으로 검증 가능한 방식으로 제시하는 것. 이는 과거, 현재, 미래의 사건이 모두 네 차원의 다양체에 고정되어 있으며 동일하게 실재한다고 보는 것이다.
• 상대성 이론과 양자역학의 기초에 기반하여도 여전히 물리학자들 사이에서 블록 우주에 대한 의심이 지속되는 문제를 다루는 것.
• 기존의 우주 기반 시설—특히 화성 탐사 궤도선을 활용하여, 지구와 먼 우주선 간의 상대론적 시간 차이를 관측할 수 있는 실현 가능한 실험을 설계하는 것.
• 시간이 흐르는 것처럼 느껴지는 인식이, 큰 거리와 높은 상대 속도에서의 신호 시간 측정 관측과 불일치함을 보여주는 것.
• 관측된 시간 오차에 대한 유일한 일관된 설명은 모든 사건이 동일하게 시공간에 고정되어 있는 블록 우주라는 것이다.

제안 방법

• 지구와 화성 탐사 궤도선에 설치된 정렬된 원자 시계를 사용하여, 양측 간의 한 방향 신호 전파 시간을 측정한다.
• 지구에서 궤도선으로 고정밀 라디오 신호를 송신하고, 수신 후 다시 지구로 반사하는 방식으로, 라운드트립 및 한 방향 지연 시간을 나노초 단위 정밀도로 측정한다.
• 지구와 궤도선 간의 높은 상대 속도(약 3 km/s)와 큰 거리(최대 2억 5천만 km)를 활용하여 측정 가능한 시간 지연 효과를 유도한다.
• 한 방향 신호 지연에 대한 상대론적 공식을 적용한다: Δt = (v·d)/c², 여기서 v는 상대 속도, d는 거리, c는 빛의 속도이다. 이를 통해 시간 차이를 예측한다.
• 지구에서의 신호 송신 시각과 궤도선에서의 수신 시각, 그 반대로도 측정하여, 한 관측자에게는 미래에 속한 신호가 다른 관측자에게는 이미 과거에 속해 있음을 드러낸다.
• 관측된 시간 오차를 바탕으로, 한 관측자의 미래 사건이 다른 관측자에게는 이미 과거에 속해 있음을 추론하며, 이는 블록 우주 구조를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 행성 간 통신 시스템을 활용한 실질적 실험을 통해, 상대성 이론적 효과로 인해 한 관측자의 미래 사건이 다른 관측자에게는 이미 과거일 수 있음을 입증할 수 있는가?
• RQ2 시간이 흐르는 순서로 느껴지는 인식은, 행성 간 거리와 높은 상대 속도에서 관측된 신호 시간 측정과 불일치하는가?
• RQ3 지구와 화성 탐사 궤도선과 같은 먼 우주선 간의 관측된 시간 오차가 블록 우주 모델에 대한 경험적 근거를 제공하는가?
• RQ4 새로운 물리학이나 가상의 입자를 요구하지 않고, 기존의 상대론적 효과와 현재의 우주 기술만으로도 블록 우주를 입증할 수 있는가?
• RQ5 모든 사건—과거, 현재, 미래가 동일하게 실재하고 고정되어 있는 일관된 시공간 구조가 존재하는가? 이는 관측된 신호 시간 측정에 의해 암시된다.

주요 결과

• 지구와 화성 탐사 궤도선 간의 상대 운동과 거리로 인해, 지구의 미래에 속한 수십 밀리초 간격이 화성 탐사 궤도선에서는 이미 과거에 속해 있음을 실험에서 예측한다.
• 시간 오차의 크기는 지구와 궤도선 간 거리와 상대 속도에 비례하므로, 현재 기술로 측정 가능하다.
• 지구와 궤도선에 있는 관측자들은 동일한 신호 사건에 대해 서로 다른 시각 타임스탬프를 기록하며, 한 쪽은 사건을 미래로 인식하고 다른 쪽은 이미 과거로 인식한다.
• 관측된 시간 오차는 어떤 동적 또는 흐름적인 시간 모델로는 설명할 수 없지만, 모든 사건이 고정되어 있는 네 차원 시공간 구조에서는 자연스럽게 설명된다.
• 관측된 신호 시간에 대한 가장 일관된 설명은 모든 사건이 동일하게 실재하며 시공간에 고정되어 있는 블록 우주라는 것이다.
• 이 실험은 언제든 반복 가능하며, 더 큰 거리나 더 높은 속도로 확장 가능하므로, 블록 우주 구조의 보편성을 강화한다.