혹시 활동성 은하의 제트 속도가 종종 광속을 초월하고 있음을 하시나요? 양자중력공간 에세이

혹시 활동성 은하핵에서 나오는 제트에 대하여 아시나요?
많은 천문학적 관측 결과 이들 제트는 종종 광속을 초월하고 있다고 하는 군요.
이점 어떻게 생각하시나요?
이러한 제트의 광속 초월 현상은 여러 논문에 실리고 있습니다.
그 대표적인 예를 몇가지 들면 다음과 같습니다.

                                       그림 15. 3C279의 Jet (4c)


그림15는 퀘이사 3C279의 제트를 3년 동안 관찰한 결과다. 가장 왼쪽 부분은 퀘이사의 핵에 해당하며 가장 오른쪽의 knot은 덩어리 형태로 이동하고 있다. 이 덩어리의 이동 속도는 광속을 초월한 4 로 측정되었다(The superluminal radio source in the gamma-ray blazar 3C 279   http://www.astr.ua.edu/keel/agn/3c279.html).

                                      그림 16. Blazar 0827+243의 jet(25c)


그림16은 Blazar 0827+243의 jet의 시간별 모습을 나타낸다. Jet의 속도는 25 로 측정되었다(B. G. Piner, D. Bhattarai, P. G. Edwards, and D. L. Jones, The Fastest Relativistic Jets: VLBA Observations of Blazars with Apparent Speeds Exceeding 25c, The Astrophysical Journal, Volume 640, p.196 - 203, 2006.)

                                그림 17. Quasar 3C345의 jet (7c)


그림 17은 퀘이사 3C345의 제트의 모습을 시간별로 나타낸 것이다. 제트의 이동속도는 7 로 측정되었다(QUASAR JET EXCEEDS 7 TIMES THE SPEED OF LIGHT   http://laserstars.org/news/3C345.html).

                                      그림 18. M87의 jet (6c)


그림 18은 활동성 은하 M87의 제트의 이동 모습이다. 속도는 6 로 측정되었다(Superluminal Motion in the M87 Jet   http://www.stsci.edu/ftp/science/m87/m87.html ).

여기서 4 , 25, 7, 6 하는 것은 광속의 4배 속도, 광속의 25배 속도, 광속의 7배 속도, 광속의 6배 속도라는 의미이다. 즉,  광속 초월 현상을 활동성 은하로 부터 나오는 제트의 이동 속도를 통해서 확인할 수 있다는 말이다.

이러한 초광속 속도가 천문학적으로 실제로 관측된다는데 대하여 어떻게 생각하는가요?
특수상대성이론이 말하는 광속불변의 법칙이 약간 수정되어야 된다고 보지는 않는가요?

그런데 어떤 학자들은 이에 대하여 이의를 제기하는 분들이 있다.
그것은 제트의 속도는 광속을 실재로는 초월하지 못하나, 빛의 도플러 현상에 의해 착시 현상이 생겨 광속을 초월하는 것 처럼 보이지 않겠느냐는 의견이다.
그런데 이를 곰곰히 살펴보자.

그림 13과 같이 제트의 움직임은 관찰자의 방향의 성분과 그에 수직된 방향의 성분으로 나눌 수 있다. 관찰자의 방향의 성분에 있어서는 움직임의 속도가 광속 가까이 이를 때 빛의 도플러 효과에 의해 생기는 광속을 뛰어넘는 듯한 일종의 착시 현상이 발생할 수 있다(Quarsar and Jet sources, Michael Catanese(Iowa State University) and Trevor Weeks(Harvard-Smithsonaian CFA)). 관찰자의 방향의 빛의 도플러 효과에 의한 진동수









이다(빛의 도플러 효과   http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/modern/relativity/ldoppler/ldoppler.html).
 제트가 관찰자 방향으로 움직이면서 빛을 내보낼 경우, 제트의 속도가 가 광속 에 가까이 갈수록 제트의 이동 거리에 대한 관찰자에게 도달하는 빛의 파와 파 사이의 시간 간격은 짧아짐으로 ‘속도=거리/시간’의 공식에 의해 관찰되는 속도는 증가하여 광속을 초월하는 듯한 착시 현상을 유발하게 된다. 반면 수직된 방향의 성분에서는 이러한 빛의 도플러 효과는 적용되지 않음으로 착시 현상은 생기지 않는다. 이때 활동성 은하의 거리는 매우 멀므로 그곳에서 오는 빛은 평행하게 온다고 가정한다.

만약 퀘이사가 지구로부터 100광년 떨어져 있다고 하자(그림 14)(Chris Stewart, How can one see matter moving faster than light?   http://www.aqua.co.za/assa_jhb/new/Canopus/Can1999/c994ftl.htm). 이는 퀘이사에서 일어나는 어떤 사건을 지구에 있는 관찰자는 100년 후에 관찰할 수 있다는 뜻이다. 퀘이사로부터 제트가 방출된 시간을 T라 하자. 제트는 0.99 의 속도로 지구의 관찰자 방향으로 방출되었다 하자. T+50년 후 제트가 처음 방출될 때 제트로부터 나온 빛은 관찰자를 향해 절반의 위치인 50광년을 달려온다. 반면 제트는 49.5광년을 달려온다. T+100년 후 제트가 처음 방출될 때 나온 빛은 관찰자에게 도달한다. 그 순간 제트가 퀘이사로부터 방출되는 모습을 보게 된다. 이 순간 제트는 아직까지 관찰자로부터 1광년의 거리가 떨어져 있다. 제트가 절반 위치에 왔을 때의 제트로부터 나온 빛은 관찰자로부터 단지 0.5광년의 거리가 떨어져 있다. 그래서 6개월 후 즉 T+100.5년 후 제트가 절반 위치에 왔을 때의 제트로부터 나온 빛은 관찰자에 도달한다. 따라서 관찰자의 눈에는 단지 6개월 만에 제트는 50광년을 이동한 것으로 측정된다. 즉 제트는 광속보다 100배 빠른 속도로 이동한 것으로 관찰된다. 그러나 제트의 실제 속도는 0.99 이다. 따라서 이는 빛의 도플러 효과에 의한 착시 현상으로 나타난 것이다.

그러나 그림 14를 통해서 볼 때 수직방향의 성분의 경우는 빛의 도플러 효과가 나타나지 않는다. 아울러 실제 제트의 움직임은 수직 방향 성분과 관찰자 방향 성분의 벡터의 합임을 알 수 있다. 따라서 실제 제트의 움직임은 벡터의 성질로 말미암아 수직 방향 성분과 관찰자 방향 성분이 뚜렷이 구별되어진다.

그런데 천체 망원경을 통해 측정되어지는 거리 성분은 순수하게 수직 방향 성분에 해당함으로 빛의 도플러 효과에 의한 착시 현상에 전혀 영향을 받지 않게 된다.
따라서 시간과 거리의 분석의 결과에 따른 제트의 광속 초월 현상은 실제 상황으로 추정된다.

그러므로 결론은 특수상대성이론의 광속불변의 법칙은 수정되어야 마땅하지 않겠는가요?

최근 호주의 어느 과학자가 특수상대성이론은 수정되어야 된다 주장한 내용이 신문 기사에 난 것을 보았다. 그 기사는 다음과 같다.

<아인슈타인 이론 틀렸을 수 있다>
빛의 속도가 느려질 수 있다는 증거가 발견됨에 따라 아인슈타인의 상대성 이론의 핵심인 E=mc²공식이 거센 도전을 받고 있다.
호주의 과학자들이 증명한 이 발견은 빛의 속도는 불변이라는 아인슈타인 이론의 핵심 공식을 허물고 있다.
빛은 1초에 대략 30만 킬로미터를 이동하는 속도를 지닌 것으로 알려졌다.
저명한 과학 잡지 네이처 최신호에 실린 호주 연구팀의 발견은 이론 물리학 분야에서 큰 논쟁을 일으키고 있다.
연구팀을 이끌고 있는 시드니 매쿼리 대학의 파울 데이비스 박사는 만약 빛의 속도가 지난 수 십억년 동안 느려졌다면 물리학자들은 우주 법칙에 대한 그들의 기본 가정에 대해 재고해야만 한다고 말했다.
데이비스 박사는 로이터와의 회견에서 "이번 발견은 상대성 이론, E =mc², 그리고 상대성 이론에서 뻗어 나온 모든 종류의 이론이 재고되어야 한다는 것을 의미한다"고 밝혔다.
그는 "하지만 그렇다고 해서 도서관에 있는 상대성 이론에 관련된 모든 책이 소용없게 됐다는 것을 뜻하지는 않는다. 왜냐하면 과거 이론이 새로운 이론의 기초가 되는 것은 과학 발전의 속성이기 때문"이라고 덧붙였다.
데이비스와 그의 연구팀은 1백20억년이 된 빛줄기를 연구했다. 
데이비스의 연구팀은 1백20억년이 된 이 빛이 예상과는 다른 특성을 보이는 것을 발견했고, 소거법의 과정을 거쳐 이 빛이 수십억 년 전에는 지금보다 훨씬 빨랐어야만 했다는 사실을 밝혀냈다.
데이비스는 헤럴드 선지와의 인터뷰에서 "빛의 속도는 과거로 돌아가면 갈수록 더 빨라질 수 있다는 사실은 충분히 가능한 얘기"라고 말했다.
그는 "만약 빛의 속도가 우주가 생성되는 아주 짧은 시간에 거의 무한대에 이르렀다고 가정하면 우주가 왜 이렇게 한결 같은지를 설명할 수 있다"고 덧붙였다.
만약 옳은 이론이라고 증명되는 경우에도 이 발견의 함의가 필연적으로 명백한 이론이 되는 것은 아니다.


데이비스 박사는 "물리학의 중요한 기초 가정이 붕괴될 때 무엇을 계속 적용하고 무엇을 폐기할지 정하는 것은 쉬운 일이 아니다"라고 로이터에 말했다.
그는 "만약 우리가 이해하고 있는 것이 1백 년 전 상대성 이론이나 양자 이론의 경우처럼 물리학에 있어서 패러다임의 전환을 알리는 시작이라면 이 발견이 어떤 종류의 논리를 포함하고 있는지에 대해 아는 것은 매우 힘든 일이다"고 말한다. 
데이비스는 "예를 들어 어떤 것도 빛보다 빠를 수 없다는 확고한 이론이 있고 이는 상대성 이론에 따르면 당연한 것"이라고 설명한다.
그는 "빛의 속도가 정해져 있다는 제약을 피할 수도 있다. 제약을 넘어 서게 된다면 이는 스타트랙의 팬들을 매료시킬 것이다. 왜냐하면 현재로서는 빛의 속도로 이동한다고 하더라도 은하를 넘나드는 데만 10만년이 걸리기 때문"이라고 말한다.
"이는 실제로 좀 따분한 일이며 만약 빛의 속도에 제한이 없다면 누가 알겠는가? 지금까지의 모든 가정이 사라져버릴 수도 있다"고 데이비스 박사는 덧붙였다.
데이비스 박사는 매쿼리 대학의 우주생물학 호주 센터에서 자연철학 교수로 일하고 있다.
지난 주 그는 영국에서 과학, 공학, 그리고 기술에 대한 일반 대중의 관심을 촉진시켰다는 이유로 영국왕립학회가 주는 패러데이상을 수상했다.
데이비스 교수는 열성적이고 노련한 방법으로 물리학 분야에서의 쟁점을 공론화시키는데 독보적인 명성을 얻고 있다. 
SYDNEY, Australia (CNN) / 박치현 (JOINS)

따라서 여러분은 어떻게 생각하는가요?
과연 특수상대성이론의 어떠한 부분이 수정되어야 할까요?
지금은 특수상대성이론의 기존 이론 분야와 조금 틀리다고 하여 무조건 배재할 것은 못된다고 보는데요.
분명히 특수상대성이론의 광속불변의 원리는 틀린 것 같다요.
실제 초광속 현상이 발견되고 있기 때문이죠.
이제 남은 것은 특수상대성이론의 어떤 부분이 틀렸는가를 파악해 내는 것이 아닌가요?
과연 제말이 틀렸는가요?
여러분 독자들의 생각은 어떻는가요?


핑백

  • Dr Yeo : superluminal motions(초광속 운동) 2009-09-07 18:13:36 #

    ... 혹시 활동성 은하의 제트 속도가 종종 광속을 초월하고 있음을 하시나요?물리학자들은 양자물리를 이해하려다가 가버리지만, 일반인은 상대론을 이해하려다 가버린다.예쁜 그림은 트랙백한 글에 많이 있으니까 재미있게 ... more

덧글

  • 미친과학자 2009/05/12 11:11 # 답글

    마아, 상대성이론도 수정보완이 필요한 이론이긴 하죠. ㅡㅡ;;

    그러나 중력장에 따라 빛의 속도와 궤적이 변할수 있다는 점을 감안하면 은하핵 주변의 중력장에 대한 연구가 뒷받침이 되어야 할것 같군요.
  • Dr.Yeo 2009/05/12 16:06 # 삭제 답글

    일반상대성이론은 맞는 것 같아요. 단지 특수 상대성이론에 있어서 광속불변의 법칙을 유도하는 부분만 조금 오류가 있지 않나 생각해요. 구체적으로 말하면, 시간과 공간의 상대성 원리 부분에서요. 이 부분에 오류가 있어서 양자역학과 상대성이론이 매끄럽게 융합되지 않는 것 같은데요.
  • Dr.Yeo 2009/05/12 16:18 # 삭제 답글

    제가 보기엔 일반 상대성 이론으로 보더라도 항성의 주변에 형성되는 시공간의 휨의 성격을 보면, 특수 상대성이론과 조금 다른 것 같아요. 항성 주변의 시공간 휨을 보면, 공간의 팽창 부분에 있어서 항성 지표면에 가까이 가면 갈수록 더 팽창되지 않나요? 일반상대성이론은 더 팽창되는 것으로 표현하는 것 같던데.. 그래서 고무판 모형에 있어서 쇠구슬 가까운 부분일 수록 밑으로 더 처지지 않나요? 그것이 곧 항성 지표면에 가까이 갈수록 공간 거리는 더 팽창함을 나타내주고 있다고 보는데.. 어떻게 생각하시나요? 그리고 항성 지표면에 가까이 갈수록 시간 주기도 더 팽창하여 시계가 느리게 가죠? 그러므로 일반상대성이론은 곧 공간 거리의 팽창과 시간 주기의 팽창을 함께 얘기하고 있는 것이 아닌가요? 이것을 시공간이 휘었다 표현하는 것이 아닌가요? 반면에 특수상대성이론에 있어서는 시간 주기의 팽창이 있을때 공간 거리는 팽창되는 것이 아니라 수축된다하니 이것에 서로 모순 있는 것이 아닌가요? 여기서 길이 수축이라 한 것은 주변 공간 즉, 정지한 기준계의 길이 잣대의 수축을 얘기하는 것이 아닌가 하는 것이죠. 즉, 결과 해석에 있어서 약간 오류를 발생한 것이 아닌가요? 그래서 양자역학과 상대성이론이 서로 모순을 발생하고 융합되지 않는 것이구요. 로렌츠 길이 수축을 주변 공간 즉, 정지한 기준계의 길이 잣대의 수축으로 해석하면 사실 양자역학과 상대성이론 사이에 발생했던 모순점이 깨끗하게 사라지고 두개의 이론이 매우 매끄럽게 융합되요. 그리고 풀리지 않던 양자역학의 문제도 풀리고요.
    이를 어떻게 생각하나요?
  • Dr.Yeo 2009/05/13 13:50 # 삭제 답글

    특수상대성이론은 혹시 특정 조건아래에서만 성립하는 이론이 아닌가요?
    제가 알기로는 관성계 내에서는 광속이 일정한 값을 가진다고 알고 있습니니다. 그런데 그 조건이란 관성계 내에서라는 것이죠. '관성계 내'라는 조건을 벗어나면 광속은 일정한 값을 가진다는 보장을 못하는 것이죠. 즉, '관성계 내'라는 조건이 갖는 경우에만 특수상대성이론이 성립하는 것이 혹시 아닌가요?
    4차원 시공간 좌표계 틀이 있다고 할 때, 4차원 시공간 좌표계 틀은 고정되어 있는 것이 아니라 팽창되기도 하고 수축되기도 하고 이동하기도 하는 것으로 여겨집니다. 4차원 시공간 좌표계 틀이 팽창 수축되는 예는 팽창 또는 수축 우주에서 잘 나타나는 것으로 여겨집니다. 이와같이 팽창 수축되는 시공간 좌표계에서 빛의 속도는 팽창 수축 비율에 그대로 비례하여 겉보기 광속이 변하고, 일정한 속도를 이동하는 시공간 좌표계에서는 원래 광속에다 이동속도가 고전론적으로 더해진 속도를 보이는 것이 아닐까요? 비록 시공간 좌표계 내의 광속은 일정하게 유지된다고 하더라도요. 여기서 시공간 좌표계 내의 환경이 곧 관성계 내의 환경이라 할 수 있는 것은 아닐까요? 이에 대해 독자께서는 어떻게 생각하시나요?
    즉. 특수상대성이론은 4차원 시공간 좌표계 틀 내에서만 성립하는 이론이 아닐까요? 4차원 시공간 좌표계 틀을 외부에서 관찰할 때 성립하는 이론은 아니지 않을까요? 4차원 시공간 좌표계 틀 외부에서 관찰할 때 발생하는 겉보기 속도는 다르게 나타나는 것은 아닐까요?
    이에 조금 생각해보아야 하는 것은 아닐까요?
    이에 대하여 독자들은 의견을 구합니다.
  • 사람 2013/03/16 23:45 # 삭제

    저도 아직은 잘 모르는데
    2차원에서 생긱하면 길이팽창이 될지도 모르지만 3차원으로 상각해보시면 안된다고 생각합니다만?
  • tigtjkk 2014/04/12 23:04 # 삭제 답글

    Dr.Yeo 님의 글은 잘 보았습니다. 일반물리학적으로 신호보다 빠른 운동체의 특성이지만, 관측자의 위치에 따라 2군데
    이상의 장소에 동시에 존재한다는 실험은 누구나 할 수 있습니다. 자연관찰력의 문제이지만....
    그림 18. M87의 jet (6c)의 1994, 1995, 1996년도의 사진이 한번에 찍은 사진이라면, 일반물리학적인 실험으로 증명된다고
    생각합니다만, 한가지 이상한 것은 분명히 사진의 오른쪽에서 왼쪽 사선 방향으로 지구에 접근해야 하는 사진 같은데....
    왼족에서 오른쪽 사선 방향의 운동이라면 이상하다는 것입니다.
    사진이 한번에 찍은 것이라면 2군데 이상의 장소에 동시에 존재하는 것으로 보아서 분명 광속 보다 빠른 것인데...
    운동 방향이 달리 설명되는 것 같아서....???
    수고하세요!
  • tigtjkk 2014/04/12 23:22 # 삭제 답글

    아무래도 그림 설명을 더 해야 할 것 같군요. 그림 15. 3C279의 Jet (4c)의 내용은 오른쪽 사선 방향의 접근 형태이고,
    그림 16. Blazar 0827+243의 jet(25c) 의 그림은 왼쪽 사선 방향으로 멀어지는 형태라고 봅니다.
    간단히 말씀드리자면, 한번에 찍은 사진에 2개의 점 이상으로 나타나면 사선 방향 접근이고, 멀어지는 경우는 단일
    점으로 나타날 수 밖에 없다고 생각합니다.
    일반물리학적인 자연 현상이 그러니까요.

    비례상수 K(혹은 감마상수) 를 넣은 물리 내용은 모두 엉터리일 수 밖에 없기에 4차원 시공간이니 뭐니 모두 엉터리
    말장난입니다. 지금은 비록 문을 닫고 숨어 버렸지만, 물리학회 게시판에서 질문했던 8시/2=? 라는 웃기지도 않는
    것이 상대론이니까요. 언젠가 물리학이 진리의 길로 돌아오겠죠. 다시 한번 수고하세요!!

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