Light: it's the fastest thing in the universe, but we can still measure its speed if we slow down the animation, we can analyze light's motion using a space-time diagram, which takes a flipbook of animation panels, and turns them on their side. In this lesson, we'll add the single experimental fact that whenever anyone measures just how fast light moves, they get the same answer: 299,792,458 meters every second, which means that when we draw light on our space-time diagram, it's world line always has to appear at the same angle. But we saw previously that speed, or equivalently world line angles, change when we look at things from other people's perspective. To explore this contradiction, let's see what happens if I start moving while I stand still and shine the laser at Tom. First, we'll need to construct the space-time diagram. Yes, that means taking all of the different panels showing the different moments in time and stacking them up. From the side, we see the world line of the laser light at its correct fixed angle, just as before. So far, so good. But that space-time diagram represents Andrew's perspective. What does it look like to me? In the last lesson, we showed how to get Tom's perspective moving all the panels along a bit until his world line is completely vertical. But look carefully at the light world line. The rearrangement of the panels means it's now tilted over too far. I'd measure light traveling faster than Andrew would. But every experiment we've ever done, and we've tried very hard, says that everyone measures light to have a fixed speed. So let's start again. In the 1900s, a clever chap named Albert Einstein worked out how to see things properly, from Tom's point of view, while still getting the speed of light right. First, we need to glue together the separate panels into one solid block. This gives us our space-time, turning space and time into one smooth, continuous material. And now, here is the trick. What you do is stretch your block of space-time along the light world line, then squash it by the same amount, but at right angles to the light world line, and abracadabra! Tom's world line has gone vertical, so this does represent the world from his point of view, but most importantly, the light world line has never changed its angle, and so light will be measured by Tom going at the correct speed. This superb trick is known as a Lorentz transformation. Yeah, more than a trick. Slice up the space-time into new panels and you have the physically correct animation. I'm stationary in the car, everything else is coming past me and the speed of light works out to be that same fixed value that we know everyone measures. On the other hand, something strange has happened. The fence posts aren't spaced a meter apart anymore, and my mom will be worried that I look a bit thin. But that's not fair. Why don't I get to look thin? I thought physics was supposed to be the same for everyone. Yes, no, it is, and you do. All that stretching and squashing of space-time has just muddled together what we used to think of separately as space and time. This particular squashing effect is known as Lorentz contraction. Okay, but I still don't look thin. No, yes, you do. Now that we know better about space-time, we should redraw what the scene looked like to me. To you, I appear Lorentz contracted. Oh but to you, I appear Lorentz contracted. Yes. Uh, well, at least it's fair. And speaking of fairness, just as space gets muddled with time, time also gets muddled with space, in an effect known as time dilation. No, at everyday speeds, such as Tom's car reaches, actually all the effects are much, much smaller than we've illustrated them. Oh, yet, careful experiments, for instance watching the behavior of tiny particles whizzing around the Large Hadron Collider confirmed that the effects are real. And now that space-time is an experimentally confirmed part of reality, we can get a bit more ambitious. What if we were to start playing with the material of space-time itself? We'll find out all about that in the next animation.
빛: 그것은 우주에서 가장 빠른 것이지만, 우리는 그 속도를 측정할 수 있죠. 만일 에니메이션을 늦추면, 우리는 빛의 움직임을 공간-시간 도표를 사용하여, 즉 애니메이션패널을 플립북형태로, 옆으로 넘기게 하면 말이죠. 이번 강의에서는 우리는 간단한 실험적 사실을 추가할 것인데 언제든지, 누구나, 빛이 얼마나 빨리 움직이는지 측정할 때는, 그들이 같은 답을 얻는다는 것이죠: 초속299,792,458미터, 그게 의미하는 것은, 우리가 공간-시간도표에 빛을 그릴때, 세계의 선은 항상 같은 각으로 나타낸다는 거죠. 하지만 우리가 그속도나, 또는 동등하게, 세계선의 각도를 예전에 보았다면, 우리가 다른 사람들의 시각으로 사물들을 볼 때는 바뀝니다. 이 모순을 알아보기 위해, 내가 서있는 상태에서 톰에게 불을 밝히고 내가 움직이기 시작한다면 어떤일들이 일어나는지 알아봅시다. 우선, 우리는 공간-시간 도표를 구성해야합니다. 그래요, 그것이 의미하는 것은 시간상 각각 다른 순간을 보이는 패널들 전부를 쌓아올린다는 것입니다. 측면에서, 우리는 방금전에 적절히 고정된 각도에서 레이저광의 세계선을 봅니다. 지금까지는 순조로워요. 하지만 그 공간-시간도표는 앤드류의 관점을 재현합니다. 제게는 그게 어떠한 모습으로 보일까요? 이전 강의에서는, 톰의 세계선이 완전히 수직이 될 때까지 모든 패널들을 약간씩 움직이면서, 어떻게 탐의 관점을 얻을 수 있는지 보여드렸죠. 하지만 그 세계선에 있는 빛을 주의해서 보세요. 패널들의 재배열은 그게 이제 너무 멀리 기울여졌다는것을 의미합니다. 저는 앤드류가 한 것 보다 더 빠르게 빛의 움직임을 측정 하려합니다. 하지만 우리가 한 모든 실험들이, 우리가 매우 열심히 노력한 그것들이 나타내는 것은, 모두가, 빛을 고정속도로 측정했다는 것입니다. 그러니, 다시 시작해봅시다. 1900년대에, 영리한 남자인, 알버트 아인슈타인은 어떻게 사물들을 적절히 볼수있는지 알아냈죠, 톰의 관점에서, 빛의 속도로 움직이면서도 말이죠. 우선, 분리된 패널들을 한개의 단단한 덩어리로 붙혀야 합니다. 이렇게 하는것은 우리에게 공간-시간을 주고, 그 공간과 시간을 하나의 부드럽고, 선형적인 물질로 바꿉니다. 그리고 자, 여기에 요령이 있습니다. 당신이 그 공간-시간 덩어리를 광 세계선을 따라 늘어뜨리고, 그다음에는 같은 양만큼 압력을 가하지만, 광 세계선에 직각으로하면, 수리수리마수리 (Abracadabra)! 톰의 세계선은 수직으로 되었어요, 그래서 이것은 그의 관점에서 본 세계선을 재현하는데, 가장 중요한 것은, 광 세계선의 각도는 전혀 변하지 않아서, 탐에 의해 측정된 빛은 바른 속도일 것입니다. 이 탁월한 요령은 로렌츠의 변형으로 알려져있습니다. 맞아요, 요령 이상이죠. 공간-시간을 새로운 패널로 나누면 당신은 물리적으로 바른 에니매이션을 갖습니다. 제가 차안에서 움직이지 않고, 다른 모든것이 저를 통과하면 빛의 속도는 그 고정된 값과 같도록 수립되죠, 즉 우리가 아는, 모두가 측정하는 값이 되죠. 다른 한편으로는, 무언가 이상한 일들이 일어났습니다. 담장기둥은 더 이상 1미터 간격으로 떨어져 있지 않고, 그리고 엄마는 제가 좀 말랐다고 걱정할 것입니다. 하지만 그것은 공평하지 않아요, 왜 제가 날씬해 보이지 앉죠? 제 생각에 물리학은 모두에게나 똑같이 적용되는 것이라 생각했어요. 그렇죠, 아녜요, 그리고 당신도 그래요. 그 모든 공간-시간의 늘어뜨기기와 압좌하기는 그냥 함께 얽혀있죠, 우리가 시간과 공간을 분리해서 생각하곤 했던 그것들이요. 이 특정한 압좌효과는 로렌츠의 수축으로 알려져 있습니다. 그래요, 하지만 저는 여전히 날씬하게 보이지 않아요. 아녜요, 그래요, 날씬해 보여요. 공간-시간시간에 대해서 더욱 잘 알게 되었으니, 우리는 이제 그 장면이 제게 무엇으로 보였는지를 수정해야 합니다. 당신에게는, 나는 로렌츠의 수축으로 보이죠. 오, 하지만 당신에게는, 내가 로렌츠의 수축으로 보여요. 그래요. 어, 글쎄요, 최소한 공정하군요. 공정성에 대해 얘기한다면, 공간은 단지 시간과 얽혀있고, 시간 또한 공간과 얽혀지는데, 그건 시간 지연이라고 알려져 있는 효과안에서 그렇게 됩니다. 아뇨, 일상적인의 속도는, 톰의 차가 도착하는 것처럼 실제로, 모든 효과들이 점점 작아집니다 우리가 그것들을 묘사한것과 비교해서요. 오, 그럼에도,주의깊은 실험을 통해 거대한 하드론 충돌기를 조그마한 입자들이 그주위를 윙윙대며 돌아다니는것을 확인함으로서 그 효과가 사실이라는것을 확인했죠. 자, 이제, 공간-시간은 실험적으로 확인된 실제의 일부분이며, 우리는 좀 더 야심을 가질수있게 됬죠. 우리가 공간-시간의 물질들을 가지고 놀아본다면 어떨까요? 다음 에니메이션에서 그걸 알아볼것입니다.