<공간은 어떻게 하여 퍼텐셜 에너지를 가질 수 있게 되는가?> 양자중력공간 에세이

특수상대성이론과 일반상대성이론에 의해 공간은 각기 다른 시간 주기를 가지고 있음을 알 수 있다. 어떤 공간은 시계가 똑딱똑딱 거리며 가고 어떤 공간은 시계가 또옥따악또옥따악 거리며 간다. 즉, 시간의 주기가 각 공간마다 다르다는 것이다. 지구 표면에서 보면 지구 지표면에 가까운 공간의 원자시계는 지구의 높은 상공에 떠 있는 인공위성에 놓여있는 원자시계보다 느리게 간다. 이러한 시간 주기의 차이를 보정해 줌으로 비로소 우리 일생활에서 사용할 수 있게 된 것이 바로 우리의 자동차에 달려있는 GPS이다.

특수상대성이론에 의하면 광속 가까이 움직이는 기준계에 있어 시간주기의 팽창에는 반드시 공간거리의 수축이 동반된다고 한다. 그럼 시간주기의 팽창에 동반되는 것은 과연 공간거리의 수축일까 아니면 팽창일까? 이것에 대한 논쟁은 지금도 일부에서 끊이지 않는다.
광속 가까이 움직이는 뮤온 입자의 경우, 그 속도의 영향으로 뮤온 입자가 느끼는 시간의 주기는 팽창되어 자기의 짧은 수명의 시간 내에 지표면에 도착한다고 한다. 또 다른 측면으로는 뮤온 입자가 생성된 위치로부터 지표면까지의 공간 거리가 수축되어 자기의 짧은 수명의 시간 내에 지표면에 도착한다고 한다. 그런데 이러한 공간 거리의 수축은 뮤온 입자 자신의 내부 공간 거리가 수축되는 것 같지 않다. 뮤온 입자의 외부 공간 거리가 수축되는 것으로 해석된다. 즉, 뮤온 입자 주변 공간의 공간 거리 수축이 일어나므로 지표면과의 거리를 단축시킨 것으로 보여진다. 따라서 뮤온 주변 공간의 공간 거리 수축이 일어난다고 보면, 뮤온 입자 자신의 공간 내부 거리는 상대적으로 팽창되는 것이라 해석할 수 있다. 즉, 뮤온 입자 자신의 고유 시간 주기가 팽창하면 그와 동시에 뮤온 입자 자신의 고유 공간 거리도 팽창하는 것이라 해석할 수 있다.

일반상대성이론의 관점에서 보더라도 어떤 별이 있고 그 주위에 시공간의 휨을 살펴보자. 이를 알기 쉽게 고무판위의 쇠구슬 모형을 살펴보면 쇠구슬에 의해 고무판은 휘어져 늘어나 쇠구슬을 중심으로 아래로 쳐진다. 그런데 고무가 늘어나 팽창된 정도를 자세히 관찰하면 쇠구슬 가까이 있는 영역이 쇠구슬 멀리 있는 영역보다 더 많이 팽창되어 늘어나 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 별의 지표면 가까이 갈수록 공간은 더 많이 늘어나 있다는 뜻이다. 그런데 시간 주기를 살펴보더라도 별의 지표면 가까이의 시간 주기가 지표면에서 떨어진 위치의 시간 주기보다도 더 팽창되어 늘어나 있다. 즉, 일반상대성의 관점에서 보더라도 시간 주기의 팽창과 동반되는 것은 공간거리의 수축이 아니라 공간거리의 팽창인 것 같다. 즉, 특수상대성이론으로 보나, 일반상대성이론으로 보나, 시공간의 구조에 있어서 시간 주기의 팽창과 동일한 비율로 주어지는 것은 공간 거리의 팽창임을 알 수 있다.

로렌츠의 길이수축에서 보더라도, 움직이는 물체의 길이는 수축된다. 그런데 이 결과의 해석을 보다 정밀하게 하면 움직이는 물체 주변의 정지한 주변 공간의 길이 단위가 감마인자만큼 수축되어 있다로 해석하는 것이 더 정확하다고 보아진다. 즉, 움직이는 물체 주변 공간의 길이 단위 자체가 움직이는 물체 내부 길이 단위 보다 상대적으로 수축되어 있기 때문에 외부 관찰자의 입장에서 본 움직이는 물체의 길이 역시 줄어들어 보인다는 해석으로 말이다. 따라서 주변 공간의 길이 단위의 수축은 반대로 상대적으로 움직이는 물체의 내부 공간의 길이 단위는 오히려 역으로 팽창되어 있다고 할 수 있게 된다.

따라서 특수상대성이론의 측면에서 보아도, 일반상대성이론의 측면에서 보아도, 그리고 로렌츠 길이 수축의 측면에서 보아도 결론은 하나로 마무리 된다. 시공간에 있어서 시간 주기가 팽창되면 공간 거리가 동일한 비율로 팽창되어 있게 된다는 것이다. 즉, 시간 주기의 팽창과 공간 거리의 팽창은 항상 동일한 비율로 동반된다는 것이다.

 

시공간은 이와 같이 시간 주기의 팽창 정도와 공간 거리의 팽창 정도를 항상 동일한 비율로 가지고 있기 때문에 이것으로 말미암아 퍼텐셜 에너지를 형성하게 된다. 등속관성운동 상태에 있는 내부 물체가 있다고 해보자. 등속관성운동에서는 외부의 힘이 작용하지 않는다. 시간 주기가 팽창되어 늘어난 만큼 공간 거리가 팽창되어 늘어나게 되면 결국 내부에서 움직이는 물체는 자신이 평상시와 동일하게 움직이고 있다고 해도 외부 관찰자의 입장에서 보면 시간 주기와 공간 거리가 팽창된 정도만큼 겉보기 속도는 증가되어 나타난다. 즉, 해당 시공간의 시간 주기와 공간 거리의 팽창 비율이 얼마인가에 따라 겉보기 속도 증가 비율이 결정된다. 비록 내부 물체는 자기 나름대로는 열심히 등속관성운동을 하고 있다고 하더라도 말이다. 이러한 시공간이 가지는 겉보기 속도 증가의 효과는 곧 시공간의 퍼텐셜 에너지의 증가를 의미한다할 수 있다. 따라서 시공간 즉, 우리가 사는 공간은 이와 같은 이유로 인하여 퍼텐셜 에너지를 가질 수 있는 것으로 이해된다. 또한 이러한 퍼텐셜 에너지가 중력을 형성하는 핵심인 것으로 이해된다. 그리고 이것이 바로 기(氣) 에너지의 물리학적 실체인 것으로 여겨진다.

 

그런데 지금까지 공간이 퍼텐셜 에너지를 가질 수 있다는 것을 설명하였는데 이것의 키 열쇠가 된 것은 시간 주기 팽창과 동반되는 것이 동일한 비율의 공간 거리 팽창이었다는 것이다. 기존 현대물리학의 이론에서는 공간거리 팽창 즉, 길이 팽창 보다는 길이 수축이라고 말한다. 그러나 그 길이수축은 앞에서 살펴보았듯이 아무리 봐도 고유 공간 길이 수축보다는 주변 공간 길이 수축을 의미하는 것으로 여겨진다. 따라서 기존 이론에서 말하는 길이 수축도 맞고, 로렌츠 길이 수축도 사실은 그 용어 자체는 맞는 것으로 보인다. 단지 그것의 적용 대상이 움직이는 물체의 고유 내부 길이가 아닌 주변 공간의 길이로 인식된다는 점이다. 이 점만 우리가 잘 이해하면 공간이 나름대로의 퍼텐셜 에너지를 가지고 있음을 명확하게 파악할 수 있다.

기존 이론의 길이 수축과 로렌츠 길이 수축을 주변 공간 길이 수축으로 받아들임으로서 얻어지는 효과를 정리하면 다음과 같다. 첫째, 오늘날 많은 광속 초월 현상이 실재 많이 발견되고 있는데 이러한 광속 초월 현상을 물리학적으로 설명 가능하게 된다. 대표적인 광속 초월 현상의 관측은 활동성 은하 핵으로부터 뿜어져 나오는 제트의 이동 속도이다. 둘째, 쌍둥이 역설은 휘어져 시작과 끝이 이어진 도나츠 같은 휘어진 공간상에서는 역설 해결의 실마리를 찾기 어려운데 이러한 쌍둥이 역설도 깨끗이 해결된다. 실제 여러 관점에서 관찰한 경과 시간은 모두 동일하게 나타나기 때문이다. 셋째, 기존 이론으로서는 도저히 풀리지 않던 양자역학과 상대성이론의 모순점이 깨끗이 사라지고 하나로 통합되어 성공적으로 매우 깔끔하게 양자중력이론으로 유도된다. 넷째, 지금까지 알지도 못하고 생각지도 못하였던 기에너지의 정체를 뚜렷하게 파악할 수 있게 된다는 것이다. 다섯째, 양자 역학에 있어서 풀리지 않던 문제, 파동과 입자가 함께 존재하는 문제가 깨끗이 풀리며, 복소수 파동함수의 정체를 정확하게 파악할 수 있게 된다는 점이다. 여기서 문제의 파동이 바로 시공간 팽창도의 파동으로 이해되어 버리기 때문이다.

 

이러한 여러 가지 열매들이 주렁주렁 맺힘으로, 실로 그 결과 얻어지는 열매들은 너무나 많다는 것이다. 과연 고유 시간 주기 팽창에 동반되는 것이 고유 공간 거리의 수축인가? 아니면 고유 공간 거리의 팽창인가? 솔직히 본인은 아무리 봐도 고유 공간 거리의 수축이 아니라 주변 공간 거리의 수축, 즉 주변 공간의 길이 단위의 수축으로 보인다. 독자의 이에 대한 날카로운 질문과 정밀한 조언을 진심으로 부탁드린다. Dr. Yeo


덧글

  • 운향목 2009/04/26 10:49 # 답글

    글쓴이님의 '주변'와 '고유'의 개념이 잘 인지 되지는 않습니다만, 제 생각을 좀 덧붙이면.

    공간의 길이단위의 수축이 맞다고 생각합니다.

    수명이나 시간의 팽창을 논하기 힘든게, 뮤온을 예로 들자면, 이동을 한건 뮤온이기때문에, 상대적인 개념인 '느끼는 시간'은 다르게 생각 해야 될거 같습니다.

    뮤온 입자를 예로 들면,
    일단 뮤온의 수명은 늘어나지 않는다는 전제조건을 먼저 깔겠습니다.
    [뮤온의 수명을 뮤온의 고유시간이라 명명하겠습니다]

    뮤온이 자신의 수명만큼 이동한다고 했을때 뮤온이 느끼는 자신의 이동 거리를 1이라고 하겠습니다.[이는 수명이 1이란 말과 동일합니다]

    뮤온의 경로는 뮤온이 특정 속도로 이동함으로서, 속도에 비례해 경로 전체가 수축하게 됩니다.
    그 거리가 1인 것인데, 수축되지 않은 입장에서 봤을땐 1이 무진장 긴것처럼 보이는거죠.
    왜냐면 '경로가 수축'한 것이지 공간이 팽창한 것이 아니라 생각하기 때문입니다.

    선으로 1을 -으로 표현해 보겠습니다.
    뮤온은 죽었다 깨어나도 - 이만큼 이동하고 - 이만큼 수명이 있습니다. 그건 속도가 어찌되었든간에 똑같습니다.
    문제는 이겁니다.
    속도가 빨라지면 경로가 수축을 하게되어서 수축하지 않았을때의
    ----------------- 이만큼의 거리가
    수축을 하고 나면 - 이만큼이 되는거죠.
    뮤온은 그냥 - 이만큼 움직였는데, 밖에서 보기엔 ----------------- 이만큼인거죠.


    결과론적으로 뮤온은 - 이만큼만 이동했고 - 이만큼의 시간동안 살았지만,
    상대적으로 밖에서 봤을때는 ----------------- 이만큼 이동했고 살았다는거죠.


    결국 시간주기 팽창이라는 것은 어디까지나 상대적인 관점에서 본것이고, 실제로는 움직이는 대상의 경로(공간)가 수축함으로써 일정시간동안 [수축하지 않은 공간에 비해] 이동하는 거리가 늘어난것 뿐이라 생각합니다.
    정작 움직이는쪽 입장에서는 자신의 경로의 공간이 줄어들기때문에 주변의 시간이 늘어나는(빨라지는)것 처럼 느껴지겠죠

    뮤온 입장에서 보면 자신은 - 이만큼 밖에 안살았는데
    주변의 시간은 ----------------- 이만큼이나 지나있는거겠죠.

    비유하자면, 뮤온의 수명이 팽창하거나 주변 공간의 시간이 팽창한것이 아니라 뮤온이 느끼는 시공간이 줄어듦으로써 상대적으로 그렇게 느껴지는 것 이랄까요.
    뮤온은 결국 자신의 수명에 맞게 살았던것 뿐이고, 그 수명만큼 움직였는데, 자신이 움직이려고 하는 경로가 통채로 수축했기때문에 주변 공간의 길이는 길어져 보이고 속도는 빨라지는것 처럼 느껴지겠죠.

    어디까지나 상대적인 개념이기 때문에 서로 측정하는게 다를수 밖에 없겠죠.



    결론은 내리자면 저는 '이동하는 물체의 경로 수축' 이라고 생각 합니다.
    [경로는 이동하는 물질이 느끼는 시공간입니다]
  • Dr Yeo 2009/04/26 20:15 # 답글

    뮤온은 - 이만큼만 이동했고 - 이만큼의 시간동안 살았지만,
    상대적으로 밖에서 봤을때는 ----------------- 이만큼 이동했고 ----------------- 이만큼 살았다고 하셨는데 이에 저는 전적으로 동감합니다. - 이만큼이 ----------------- 이만큼으로 되는 것은 바로 시공간의 팽창의 효과라 할 수 있습니다. 비록 여기서는 속도가 관계를 하였으나 일반상대성이론으로 보면 속도와 관계없이 존재할 수 있습니다. 이를 공간 자체의 속성으로 해석하게 된다고 하면 결국 공간은 - 이만큼을 ----------------- 이만큼으로 할 수 있는 퍼텐셜 에너지를 가지고 있다고 할 수 있습니다. 즉, 공간은 이러한 원리에 의해 퍼텐셜 에너지를 가지고 있게 되며 이것이 기(氣) 에너지의 물리학적 실체라 여겨집니다. Dr.Yeo
  • 키시야스 2009/05/10 09:59 # 답글

    특수 상대성 원리의 개념부터 다시 보시면 될듯 합니다. 특수 상대성도 아직 제대로 이해 못하셨군요. 정확히 로렌츠 변환의 의미부터 이해하시면 무슨 부분에서 틀리셨는지 알수 있습니다.
  • Dr Yeo 2009/05/11 00:46 # 답글

    현재 학계의 여러 학자들이 특수상대성이론에 오류가 있지 않나 의문을 제기하는 분들이 많이 있는 것으로 알고 있습니다. 따라서 이러한 이유로 무조건 배재할 문제는 아니라고 보여지는데요.. 본인은 특수상대성이론에 있어서 솔직히 시간과 공간에 대한 상대성 원리의 부분에 있어서 오류가 있지아니하나 생각하고 있습니다. 만약 오류가 있다하면 적극적으로 검토를 해보아야 할 부분이 아닐까요? 한가지 질문을 해보겠습니다. 왜 빛의 군속도에 있어서 광속을 넘어서는 속도가 발생하나요? 어떤 원리로요? 빛의 속도에 있어서 속도합산의 법칙은 기본적으로 상대론적 속도합산의 법칙을 따른다고 알고 있습니다. 그런데 왜 빛의 군속도에 있어서는 이러한 상대론적 속도합산의 법칙을 따르지 않는가요? 정상적으로 상대론적 속도합산의 법칙을 따른다면 당연히 빛의 군속도도 광속을 초월하지 못하지 않나요?
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