5차원 시공간과 우주의 구조 (1)-14 양자중력공간 이론 논문

13. 적색편이의 재해석

시공간 팽창도 , , 인 공간(펼쳐진 공간 구조)이 그림42와 같이 연속적으로 이어져 있고 인 공간, 인 공간, 인 공간에 각각 그 공간에 속한 태양이 있다고 가정하자. 이 태양으로부터 고유 파장 로 동일한 빛을 발생시켜 각각 인 공간, 인 공간, 인 공간을 그 빛이 통과한다고 하자. 각각의 빛은 고유 파장과 고유 위상 속도를 유지하며 시공간 팽창도가 각기 다른 공간을 통과한다. 빛은 처음 빛이 발생된 공간의 고유 성질을 그대로 유지하고 이동하는 것으로 추정된다.

의 공간의 태양(그림42의 제일 위)에서 발생한 빛(고유 파장: )은 의 공간을 지날 때 공간이 상대적으로 2배 팽창된 공간임으로 그 공간에서 측정되는 빛의 파장은 1/2 로 측정되며 의 공간을 지날 때는 공간이 의 공간에 비해 상대적으로 4배 수축된 공간임으로 그 공간에서 측정되는 빛의 파장은 2 (4×1/2 )로 측정된다.

의 공간의 태양(그림42의 가운데)에서 발생한 빛(고유 파장: )은 의 공간을 지날 때 공간이 의 공간에 비해 상대적으로 4배 수축된 공간임으로 그 공간에서 측정되는 빛의 파장은 4 로 측정된다.

이로보건데 의 공간에서 측정되는 빛의 파장은 중간 단계의 공간의 시공간 팽창도와는 무관하게 처음 빛을 발생한 원래 공간의 시공간 팽창도에 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 즉 인 공간에 소속된 태양에서 나온 빛의 파장은 2 로 측정되며 인 공간에 소속된 태양에서 나온 빛의 파장은 4 로 측정된다. 따라서 처음 태양에서 나오는 빛의 고유 파장을 라고 하고 인 공간에서 측정되어지는 파장이 n라 할 경우 빛이 처음 발생한 태양이 거하는 공간의 시공간 팽창도 는 n임을 알 수 있다.

태양이 인 공간, 인 공간, 인 공간에 각각 속해 있다고 할 때 태양으로부터 처음 빛이 발생되어 나오는 경우 빛의 고유 파장 뿐 아니라 4차원 공간이라는 매질에 대한 고유 위상 속도 역시 광속 로 동일하게 유지된다. 이는 빛의 고유 파장과 고유 진동수가 동일하게 유지된다는 뜻이다. 그런데 팽창된 시공간 내에서 물체의 이동에 따른 물리적 특성에 의해 외부 관찰자가 시간의 흐름을 동일하게 생각할 경우 내부 물체의 초당 이동 거리는 시공간 팽창도 만큼 증가한다. 이러한 원리에 근거해서 빛이 시공간 팽창도가 다른 공간을 지날 때 파장이 달라짐으로 진동수는 일정하게 유지된다. 이는 그림29를 보면 잘 알 수 있다. 따라서 빛의 위상 속도는

, : 진동수, : 파장

이므로 의 공간에서 측정되는 빛의 속도는 중간 단계의 공간의 시공간 팽창도와는 무관하게 처음 빛을 발생한 원래 공간의 시공간 팽창도에 의해 결정됨을 알 수 있다. 즉 인 공간에 소속된 태양에서 나온 빛의 속도는 2 로 측정되며 인 공간에 소속된 태양에서 나온 빛의 속도는 4 로 측정되리라 추정된다. 따라서 처음 태양에서 나오는 빛의 고유 속도를 라고 할 경우 인 공간에서 측정되어지는 빛의 속도를 n라 할 경우 빛이 처음 발생한 태양이 거하는 공간의 시공간 팽창도 는 n임을 추정할 수 있다.

따라서 빛이 지구로부터 멀리 떨어진 은하로부터 올수록 빛의 근원이 되는 별이 속해있는 공간의 시공간 팽창도가 커지고 그럼으로 우리 지구에서 관찰하게 되는 빛의 파장은 늘어나 적색편이를 이루고 빛의 속도는 빠르게 측정될 것으로 추정된다.

이를 근거로 할 때 별빛의 적색편이를 새롭게 재해석할 수 있고 최근 주장되고 있는 먼 우주로부터 오는 빛의 속도가 빨라져 있다는 호주 과학자들의 관측사실을 설명할 수 있게 된다.

우주 속 은하로부터 오는 빛의 스펙트럼을 관찰하면 다음과 같다(그림43).

위의 오른쪽 사진은 거리가 멀수록 은하의 상이 작아지는 현상을 나타내고 있으며, 위의 왼쪽 사진은 Ca II의 H와 K 스펙트럼 선이 화살표의 길이만큼 적색 쪽으로 이동한 것을 보여주고 있다. 은하의 거리가 멀수록 적색 편이가 커짐을 알 수 있다[35].

이때 적색 편이 현상을 도플러 효과로 해석하지 않고 거리에 따른 시공간 팽창도의 증가 효과로 해석하면 그림44와 같이 우리 은하로부터 멀리 떨어질수록 거리에 비례하여 시공간 팽창도가 점점 증가하는 구조를 나타내게 된다. 거리에 비례하여 시공간 팽창도가 증가하는 공간 구조는 자체적으로 힘을 발생시키며 이렇게 형성된 힘의 방향은 우주 밖으로 향한다. 즉 우주적인 척력을 형성하게 된다.


아인슈타인은 1917년 일반상대성 이론적 우주론 논문을 발표하였다. 중력이 시공간을 휘게 한다는 원리를 우주론에도 적용시켜 전혀 팽창하지 않는 정적인 우주를 생각하였다. 그리하여 아인슈타인은 우주는 거대한 4차원 구의 표면에 해당되는 3차원 공간(표공간)이라는 우주 모형을 제안하였다. 그는 모든 은하들의 중력이 공간을 닫히게 만들어 이러한 모습이 될 수밖에 없다고 생각했던 것이다. 하지만 이 우주 모형은 극도로 불안한 구조를 가지고 있었다. 왜냐하면 유한개의 은하를 가지고 정적인 우주를 엮어놓으면 그 우주는 중력에 의해 한 곳으로 모여들어 바로 붕괴를 하기 때문이다. 그래서 아인슈타인은 은하들 사이에는 인력인 중력 이외에도 서로 미는 척력이 작용해야 한다고 주장하게 되었다. 아인슈타인은 자신의 중력장 방정식에 상수 를 갖는 항을 집어넣어 다음과 같은 방정식을 만들었다.





여기서 우주 척력은 거리에 비례한다. 상수 를 우주 상수라 한다[36][37].

그런데 그림44와 같이 거리에 비례하여 시공간 팽창도가 증가하는 우주 공간 구조에서는 거대한 우주적인 척력이 형성되는데 이것이 아인슈타인의 우주상수 가 지칭하였던 힘인 것으로 추정된다. 따라서 우리가 속하는 우주 공간은 아인슈타인이 처음 예상했던 것과 같이 중력에 의한 수축력과 시공간 구조로 인하여 발생하는 척력이 균형을 이룸으로써 팽창도 수축도 하지 않는 정상 상태를 유지하는 것으로 추정된다.

 

공간 거리의 측정시 우리 은하에서 다른 은하까지의 거리를 이용하였음으로 거리에 따른 시공간 팽창도의 증가에 있어서 특정 은하계 내에서의 상황은 알 수 없다. 단지 대부분의 은하는 그 중심에 블랙홀을 가지고 있는 것으로 추정되기 때문에 은하는 우주의 기본 세포 단위와 같이 여겨진다.

 

호주 시드니 머쿼리 대학의 이론물리학자 폴 데이비스 교수는 과학잡지 네이처(2002년 8월 8일)[38]에서 ‘퀘이사’라고 불리는 거대한 항성 천체에서 지구까지 수십억년 동안 여행한 빛을 측정한 결과 상대성이론의 광속도 불변의 원리와 달리 빛의 속도가 일정치 않다는 결론을 얻었다고 밝혔다.

천문학상의 관측 자료로 볼 때 약 60억~1백억년 전에는 빛의 속도가 지금의 초당 30만km보다 더 빨랐다는 게 데이비스 교수의 주장이다. 그는 “우주 생성기인 ‘빅뱅’(우주대폭발) 때 빛의 속도는 무한대였을 것”이라고 말했다[39][40].

이러한 관측결과를 본 논문은 잘 설명하고 있다. 지구로부터 멀리 떨어질수록 우주 공간의 시공간 팽창도가 커지는 구조를 가지고 있는 것으로 추정됨으로 지구로부터 멀리 있는 별로부터 오는 빛의 속도는 그 별이 존재하는 공간의 시공간 팽창도 에 비례하여 증가하는 것으로 추정되기 때문이다.

 


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양자중력공간 이론과 빛

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