2020년 4월 9일 목요일

03.02 - 물고기의 시공간(Fishing in Spacetime)

03.02 - 물고기의 시공간(Fishing in Spacetime) [커세라 강의 페이지]



* 앞선 동영상편에서 폭포수의 두마리 물고기의 예를 들어 시공간의 사고 실험의 소재로 삼았다. 물이 가진 의미를 따져 보자.

Suppose we have two fish swimming in a gentle stream above a waterfall. Let's assume that since the fish are immersed in the water, they don't really have a concept of what water is. They consider water to be a natural immutable part of their environment.



천천히 흐르는 강에 물고기 두마리가 헤엄치고 있다. 물속에 잠겨 있는 물고기의 입장에서 물의 의미는 당연한 것이다. 물고기의 입장에서 물은 필수 불가결한 환경요소다.

As you well know, water is not the framework of the universe. But to a fish, it might as well be. So, our two happy fish are living their fishy lives exchanging fishy details about fish stuff by communicating through sound waves in the water. We'll assume now that the fish don't communicate visually and that all of their communication is limited to sound. Maybe it's night in the stream or maybe the fish are unable to see because of mud in the water. Consider the speed of the stream. Since it's flowing slowly, the fish can stay relatively stationary with just a few swishes of their tails. The motion of the water is similar to the effects that we perceive as spacetime.



물이 우주의 기본 틀(framework)가 될수는 없지만 두 물고기에게 중요한 환경이고 수중 음파를 통해 서로 대화할 것이다. 물고기는 시각적 인지능력은 없이 오직 소리만을 사용한다고 가정하자. 강물의 속도는 아주 느리기 때문에 물고기는꼬리만 조금 흔들면 정지할 수 있다. 물의 움직임은 우리가 시공간 이라고 인식하는 것과 유사하다. [우리가 시공간을 당연히 인지하듯 물고기에게 물은 당연한 것이다. 물의 표면이 만들수 있는 유연한 형상과 연속성을 감안하면 왜곡된 시공간의 비유에 적절하다.]

Keep in mind, both the fish and the water can have independent speeds and that there's no universal limit for how fast they can go. So it's possible for the fish and the water itself to exceed the speed of sound in water. Our fish can't swim that fast. But perhaps, one of our fish is researching a faster than sound jetpack.



물고기와 물살의 속도는 서로 무관하고 속도에 제한이 없다고 하자. 물고기와 물살은 수중음파의 속도보다 빠르게 움직일 수는 있다. 하지만 우리의 상황에 등장하는 물고기들은 빠르게 헤엄치지 못한다. 그대신 음파 돌파 제트 추진장치를 달 수도 있다고 하자.

At one end of the stream, the current is drawn into a rushing waterfall. The water pouring over the top of the waterfall gets faster as it falls, traveling faster and faster towards the bottom. The waterfall can be divided into two regions with a short transition between them. The first region is the top, where the stream's water begins to accelerate. But the water flows slower than the speed of sound. Below this first region, there's a transition, where the speed of the water is equal to the speed of sound in water. In the lower region, the water is flowing faster than the speed of sound.



강의 끝에는 폭포가 있다. 폭포수가 떨어지는 속도는 매우 빠르다. 폭포를 두 구역으로 나누는데 윗부분은 물이 가속되기 시작한다. 하지만 아직 소리의 속도에 도달하지 못했다. 그 아래로 천이 구간인데 마침내 폭포수의 속도가 음파속도에 이른다. 이어서 물의 속도는 음파속도보다 빠른 구역이다.

When both fish are above the waterfall, they can carry out a fishy conversation without any difficulty. When they speak, the speed of the stream has very little effect on how the sound travels between them. But what do you think will happen if one of the fish is carried over the top of the waterfall? Let's examine what the two fish experience as the traveling fish descends through the two regions of the waterfall.

폭포위 하천에서 두마리의 물고기는 하천의 속도가 빠르지 않아서 어려움 없이 대화 할 수 있다. 만일 물고기 한마리가 폭포에 빠지면 둘 사이에 어떻게 대화할 수 있을까? 폭포수의 속도 구역에 따라 달라질 것이다.

In the first region of the waterfall, where the water is gently accelerating over the edge, our adventurist fish is heard yelling for the help of his friend, "Help me. I'm being swept over a waterfall." The sound waves emitted by the yelling fish propagate back up the stream towards the stationary fish upstream. Since the velocity of the water in this region is lower than the speed of sound, the fish can still be heard by its companion. However, since the fish is yelling in flowing water, the sound waves travel at the speed of sound minus the speed of the water in the waterfall. The stationary fish will hear the falling fish's voice as being deeper the faster the water flows in the waterfall. This is due to the Doppler effect. <deep voice> "Help me. I continued to be swept further down this waterfall."

폭포가 시작되는 구간은 물의 속도가 가속을 시작했지만 음파보다 느리다. 빨간 물고기의 구조신호가 위로 전달되어 파란 물고기는 이를 들을 수 있다. 하지만 음파의 속도는 물의 속도에서 뺀 값이 되므로 정지한 물고기에게 떨어지는 물고기의 소리는 저음으로 들린다. 바로 도플러 효과 때문이다.

At the transition between the two regions, the speed of water is equal to the speed of sound. At this point, any sounds emitted by the falling fish would appear to be completely stationary. This corresponds to an infinite Doppler shift, and the sound waves would be stretched by the motion of the water. The sound emitted by the falling fish would be so low. It would become inaudible to the fish upstream.



떨어지는 물고기가 천이 구역에 이를 수록 떨어지는 물고기 속도가 소리속도에 도달하면 무한대 도플러 편이가 되어 위의 서 있는 물고기는 아무소리도 들지 못하게 된다.

So, what exactly happens when the falling fish is carried beyond this point? At the point in the waterfall where the speed of the water is equal to the speed of sound, the infalling fish's calls can no longer be heard by the fish upstream. This region in the waterfall is similar to the event horizon of a black hole. Recall that the speed of light is the escape velocity from an event horizon. So, similarly, the part of the waterfall where the stream flows at the speed of sound is just like an event horizon. Since the information carried by sound is trapped, we can call this a sonic event horizon.

마치 블랙 에서 탈출속도가 빛의 속도와 같아지는 '사건 지평선'과 유사한 상황이 벌어진다. 폭포수가 떨어지는 속도와 음파속도가 같아지는 지점을 음파 사건지평선 이라하자.



What does the infalling fish experience? Well, beyond the awareness that it's going over a waterfall, its experience is almost indistinguishable from the stationary fish. Since the infalling fish is accelerated at the same rate as the water around it, it feels like it's in a perfectly still environment, oblivious to the peril that it's in. Not only that, but the infalling fish would continue to hear its companion upstream.

떨어지는 물고기는 폭포수와 함께 가속되기 때문에 아무 위험을 느끼지 못한다. 게다가 위에 있는 동료 물고기의 소리도 들을 수 있다.

Why? Because the upstreams fish's sound waves are being carried along and accelerated with the flow of the water instead of against it. So, communication into the sonic event horizon is possible just like it's possible to send light rays into a black hole.

위의 물고기 소리가 폭포수의 흐름과 함께 가속되고 있다. 따라서 마치 블랙홀 안으로 빛을 들여 보낼 수 있듯이 소리사건지평선에 이르기까지 두 물고기 사이의 대화는 가능하다.



This analogy illustrates a couple of important points about black holes, but it does have some limitations that we need to consider.

First and foremost, a black hole has a singularity at its core. Unlike a waterfall, which has a bottom and a region for water to flow outwards, there is no escape from a fall into a black hole. We might try to illustrate this by adding sharp rocks at the bottom of the waterfall, which obliterate anything including the fish that encounter it. However, we also said that the speed of light is the universal limit, not the speed of sound. In fact, this gives our adventurous little fish an opportunity to escape.



블랙홀을 물고기와 폭포수의 비유에 있어서 몇 가지 고려사항:

가장 중요한 사항을 꼽자면 블랙홀의 중심은 특이점 (무한히 작은 점에 거대 질량이 몰려 있음)이라는 점이다. 한번 빠지면되돌아 나올수 없다. 게다가 빛의 속도는 우주 불변의 상수다. 이에 비해 똑똑한 물고기는 제트 추진장치를 메고 폭포를 거슬러 오를 수 있다.

Perhaps the motivation for the falling fish to go over the waterfall is because it's an inventor fish who has discovered the secret to underwater rocket technology. Perhaps this inventor fish accidentally dropped a rocket pack over the waterfall and was on a mission to retrieve it. If the fish reaches its rocket pack before hitting the rocks at the bottom of the waterfall, it can accelerate to a speed faster than that of the water's flow and return to the safety of the stream where its companion anxiously awaits. This analogy does demonstrate some key physics with respect to the behavior of sound waves in the region around an event horizon, similar to the behavior of light around black holes.

Some scientists have created bathtub drain black holes in the laboratory in order to gain a better understanding of the environment around black holes. These drain holes probe the behavior of event horizons in much the same way that our fish encountered a sonic event horizon. So, why did the fish cross the waterfall? Well, to rescue his jetpack, of course. So long and thanks for all the fish.



어떤 과학자들은 배수구에 물이 회오리 치며 빠져나가는 모형을 블랙홀에 비유하기도 한다.

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2020년 4월 7일 화요일

03.01 - 시공간 소개(Introduction: The Structure of Spacetime)

03.01 - 시공간 소개(Introduction: The Structure of Spacetime) [커세라 강의 페이지]



In order to understand more about black holes, we need to understand the concept of spacetime. Most people are familiar with the concepts of space and time and think of them as separate quantities.



블랙홀을 더 잘 이해하려면 시공간(spacetime)의 개념을 이해할 필요가 있다. 대개 공간과 시간을 별개로 다루는 데 익숙하다. [시간, 공간 그리고 중력이 한데 엮여 있다. 물리에서 다루는 가장 기초가 되는 차원은 LTM으로 Length, Time, Mass 이다.]

But, Einstein's theories of Special and General Relativity show us that different observers do not agree on measurements of distance and intervals of time.

아인슈타인의 특수 및 일반 상대론에 따르면 (운동하는) 관측자마다 측정한 길이와 시간 간격이 저마다 일치하지 않는다. [상대론은 이해하기 어렵다. 그나마 정속 운동인 점이 얼마나 다행인가. 가속운동이 었더라면 어디서 나온 힘인지 훨씬 어려웠을 테니까... 일단 에너지 보존 부터 확실히 해두자.]

What everyone can agree on is the mixture of these two concepts in the framework called spacetime. Spacetime is used to explain all of the strange effects we encounter in the theories of special and general relativity. For example, why is the speed of light the ultimate limit in the universe? Why do moving clocks run slow compared to stationary clocks?



시공간(spacetime)이라는 틀(frame) 안에서 시간과 공간의 측량이 모두에게 일치할 수 있게 해보자. 상대론을 접하게 되면 마주치는 시공간의 개념은 아주 낮설긴 하다. 시공간이 틀어진 예를 들면, 빛의 속도는 왜 우주 불변인가? 이동하며 시간을 재면 정지했을 때보다 느리게 가는 이유는 뭘까? [시간과 공간이 틀어진 이유는 모두 질량이 주는 효과 때문이야!]

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An interesting way of understanding the basic properties of black holes is to consider a simple example involving sound waves instead of light. In 1972, black hole physicist William Unruh devised a thought experiment consisting of a fish calling out to its friend as it falls over a waterfall.

블랙홀의 특성을 이해하는 사고 실험: 폭포로 떨어지는 물고기와 폭포 위의 물고기.


At a certain point in the waterfall, the speed of the water exceeds the speed of sound and the falling fish can no longer be heard by its friend above.

폭포물의 떨어지는 속도가 소리의 속도보다 빠르다면, 떨어지는 물고기가 소리를 질러도 폭포 위의 동료 물고기에게 전달 되지않을 것이다.

This is an example of a sonic black hole, an analogy that uses sound waves instead of light waves to help us understand black hole physics. Of course, this example makes lots of assumptions.

이 폭포를 음성 블랙홀이라고 하자. 이제 소리를 빛으로 바꿔보자. 블랙홀은 빛이 새어나 오지 않는다. (빛보다 빠르게 빨아들여서?)

For one, I don't know how a fish would yell underwater but that's beside the point. Let's dive right in and see how a fish experiences water as spacetime and what it can tell us about the nature of black holes.

떨어지는 물고기는 폭포의 물을 시공간으로 인지했다고 하자. 소리 속도는 변함이 없다. 시간이 느리게 가면 소리가 전달되는 거리가 길어진다. 블랙홀의 특성이다. 블랙홀이 시공간을 결합해 왜곡 시킨다.

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2020년 4월 6일 월요일

02.12 - 전문가 대화: 태양의 자매별은 어디에? (Where are the Sun's siblings?)

02.12 - 전문가 대화: 태양의 자매별은 어디에?(Where are the Sun's siblings?) [커세라 강의 페이지]



One of the outcomes of our thinking about the sun growing up or being born in a neighborhood and then growing up with a bunch of other stars is that we actually have stellar siblings. Those stellar siblings have left the nest, this cluster in which we formed and have gone out, and we think that right now we have stellar siblings that are spread throughout the galaxy.

The stars that are formed in clusters ultimately dissolve into the background of stars within the galaxy. But if we look out, we can actually see individual stars out there that have basically the same pattern of chemical enrichment as the sun, and we think that those were the stars that we were formed with.

We can never know because we'd have to unwind billions of years of going around the center of the galaxy and map it back and make sure we're at the same place, and that's something we really can't understand from the dynamics of the stars around us. But the signature does point to every now and then we can look out and we pass one of the siblings stars near which we were born.

먼지구름(그래봐야 입방 미터당 먼지 분자 십여개)에서 별이 태어난다. 거대한 규모의 먼지 구름에서 태양만 생성 되었을까? 관측에 의하면 은하계 별중 절반이상이 동반성을 가지고 있다. 그렇다면 태양은? 태양은 동반성이 발견되지 않았다. 태양은 특별한 존재인가? 그럴리가!

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02.11 - 평가문제(Quiz Module 2: Life and Death of a Star)

02.11 - 평가문제(Quiz Module 2: Life and Death of a Star)


* 별(star): 중심에서 핵융합이 시작되어 방출되는 에너지의 압력과 중력에 의한 붕괴의균형. 정역학 평형을 이루고 있다.


* 별이 태어나는 곳은 먼지 분자구름



* 정역학 균형: 중력을 버티는 내부 압력은 별의 생애마다 다르다. 주계열 별과 적색 거성은 내부핵융합에너지의 복사압, 백색왜성은 전자의 축퇴압, 중성자 별은 중성자의 축퇴압.



* 관측은 별의 표면 온도를 최고 방출스펙트럼의 파장을 측정함(빈의 법칙). 별의 밝기는 표면적의 크기에 따라 복사량이 다르다. 무거운 주계열별은 큰데다 내부 핵용합이 활발해서 고온이다. 적색 거성은 표면적이 넓고 표면 온도는 낮다.



* 첫단계 핵융합은 수소. 핵융합으로 더 무거운 원소가 생산된다.



* 뜨거운 주계열별은 크고 파랗다. 차가운 주계열 별은 작고 빨갛다.



* 현재 태양은 최고 복사 파장이 녹색인 주계열 별이다.



* 최고 복사 파장이 녹색. 전체 (에너지) 복사 파장이 더해져 노랗게 보일뿐. 빨간 태양은 뜨거운 기분탓이다.




* 핵융합: 결합에너지가 약한 원소의 핵을 깨서 붕괴를 일으켜 더무거운 원소(결합된 양성자 갯수가 많음)로 변화함. 철의 결합에너지가 가장 강함(핵융합의 종착지)


* 중심부에 철 생성 핵융합이 진행중인 별이다. 엄청나게 무거운 별(태양의 30 배 이상)이며 종착지에 도달한 별이다.
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02.10 - 요약(Summary: The Circle of Life)

02.10 - 요약(Summary: The Circle of Life) [커세라 강의페이지]



All stars are born from the accretion of interstellar gas and dust. When enough hydrogen and helium gas accretes by the forces of gravity, stable nuclear fusion sets in at the core of the new star.

모든 별은 성간 먼지와 가스의 강착 원반에서 태어난다. 수소와 헬륨 가스가 중력에 의해 충분히 들어 붙으면(강착: accretion) 중심에서 핵융합이 안정적으로 일어나 새로운 별이 된다.

Small stars burn for many billions of years and enjoy a long retirement before their gentle end. We are lucky that our own sun is one such middle aged star. Humanity and all life on Earth will continue to enjoy the sun for billions of years to come.

가 벼운별은 수십억 년간 장수를 누리다 조용히 생을 마친다. 우리의 태양도 이런 류의 별로 현재생의 중반에 와 있다. 인간과 지구상의 모든 생명은 앞으로 남은 수십억 년의 삶을 이어갈 것이다.

On the other hand, large stars, ones with more than eight times our sun's mass, live life on the edge. They burn through vast amounts of hydrogen and helium and continue to brighten as they fuse heavier and heavier elements. Just like a rock star who lives life on the edge, the fast pace is enough to wear out anyone. Massive stars rock and roll into early deaths and violent ones at that: supernova explosions.

무거운별, 태양보다 8배 큰 질량(주계열에 있을 때)의 별은 파란만장한 삶을 산다. 수소와 헬륨 핵융합에 이어 더 무거운 원소로 핵융합이 이어져 더 밝아진다. 파란만장한 생은 짧고 그 끝도 요란히 초신성 폭팔로마친다.

Not all stars that explode at the end of their lives end up as black holes. Only stars which are much more massive than our sun, go on to produce black holes.

모든 별이 폭발로 생을 끝맺는 것은 아니다. 태양보다 아주 무거운 별은 폭발 이 후 블랙홀이 된다.

Hydrostatic equilibrium is the principle that explains why stars don't collapse at different stages of their life. Each of the remnants, white dwarf stars and neutron stars depend on different types of pressure to maintain their surfaces. However, black holes don't have a surface per se because, there is no force strong enough to overcome the force of gravity around the black hole. Black holes generate such a strong gravitational field that they permanently warp space and time creating a hole in the fabric of the universe.

정역학 평형이 각 단계에서 붕괴하지 않고 별을 유지하는 원리다. 폭발로 인해 남겨진 잔해인 백색 왜성과 중성자 별의 표면(모습)을 유지하는 앞력은 서로 다르다. 하지만 블랙홀의 경우 표면의 모습은 없다. 엄청난 중력을 이길 만한 힘(압력)이 없기 때문이다. 블랙홀은 그런 엄청난 중력장을 형성하여 시공간을 무한히 왜곡 시킨다.

* 주계열 별과적 색거성들은 중심에 핵융합이 진행중이다. 이런 별의 정역학 균형은 복사압( radiation pressure)과 중력이다.
** 태양보다 8배 무거운 별은 적색 거성을 거쳐 탄소 핵융합 까지 진행되다 더이상 핵융합 없이 부피 팽창 폭발(Ia형 초신성) 후 백색 외성을 거쳐 소멸, 백색외성의 정역학 균형은 전자의 축퇴압(electron zooming and degeneracy pressure)과 중력이다.
*** 태양의 30배 질량의 별은 엄청난 중력의 영향으로 철까지 핵융합 진행. 그 이후 중심 축퇴에 의한 폭발(II형 초신성). 엄청난 중력으로 중성자조차 붕괴되지 않을 만큼 뭉쳐 있음. 중성자 축퇴압(neutron zooming and degeneracy pressure)이 정역학 균형으로 작동.
**** 전자와 중성자는 파울리 배타의 원리를 따르는 입자들이다.

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