광속불변의 법칙을 말하지만 왜 매질에서의 광속은 이를 어기는가? 양자중력공간 에세이

맥스웰 방정식을 통해서 파악되는 빛의 속도는 빛을 전달하는 매질 내에서는 항상 일정하다고 말한다. 그리고 이는 더 나아가 진공의 경우에만 해당한다고 한다. 하지만 왜 물이라는 매질을 달릴때, 유리라는 매질을 달릴때 빛의 속도는 감소하는가?
이는 특수상대성이론이 특정 조건에서만 성립하는 이론임을 단적으로 나타낸다. 그 특정 조건만을 벗어나면 즉, 물이나 유리라는 매질이라는 조건이 부여되면 성립하지 않는다. 보다 상위 이론이 있다는 말이다. 그것은 과연 무엇인가?
물이나 유리를 볼 때, 물질적인 관점에서 보면 진공보다 광학 밀도가 더욱 높다. 질량 밀도도 더욱 높다. 왜 광학밀도가 높은 곳에서 빛의 속도는 느리게 가는가? 이것에 대한 근본적인 질문을 가져보자.

우리의 우주는 인플레이션 우주론에 의해 우리 우주의 시공간 좌표계가 날마다, 매시간 팽창되고 있다고 한다. 그런데 그렇게 팽창되더라도 날마다 팽창되는 우주의 4차원 시공간 좌표계 안에 사는 내부 관찰자인 우리가 측정하는 빛의 속도는 진공상에서 항상 C로 동일하다. 시간 좌표계와 공간 좌표계가 날마다 팽창되고 있는데도 내부 관찰자인 우리는 광속불변의 법칙을 주장하고 있다.
태초에 특이점이 있었고 특이점으로 부터 우주의 씨앗 시공간 좌표계는 하나의 점도 아닌 0의 크기로 부터 뻥 터뜨려져 초기에는 광속을 초월하는 속도로 팽창하다 지금은 서서히 팽창하고 있다고 한다. 그래도 그 팽창속도는 굉장히 빠를 것 같다.



그런데 우리는 진공상의 빛의 속도는 항상 일정한 것으로 느낀다. 이는 무슨 말인가? 빛의 파장 역시 우주의 시공간 좌표계의 골격의 팽창률에 맞추어 팽창하고 있다는 말이 아닌가? 그렇지 않으면 아마 우리가 측정하는 빛의 파장은 날마다 줄어들고 전자기파의 위상 속도 역시 날마다 조금씩 줄어드는 것을 관찰하고 있을 것이다. 그러면 당연히 광속불변의 법칙 대신 광속변화의 법칙을 낳았을 것이다.
그러면 우리 우주의 시공간 좌표계가 팽창되고 있음을 관찰하고 있는 외부 우주의 어느 관찰자가 볼 때, 우리의 우주도 팽창되고 있고, 빛의 속도도 우주의 시공간 좌표계의 팽창과 더불어 증가하고 있음을 관찰할 수 있을 것이다. 그러나 우리 우주의 시공간 좌표계 내부에 사는 내부 관찰자인 우리는 전혀 광속이 변하고 있음을 관찰하지 못하고 있다. 그것은 당연할 지 모른다. 우리의 시간도 팽창되고 우리의 공간도 팽창되고 우리의 몸의 리듬도 팽창되어 느려지고... 우리는 아무런 느낌도 받지 못하고 인식도 못하는 것이다.
만약 우리 우주의 시공간 좌표계가 팽창되지 않고 수축된다면 어떻게 될까?
그때도 우리 우주 내부에 사는 우리는 진공상의 빛의 속도가 변하고 있음을 전혀 느끼지 못할 것이다. 이는 우리 우주의 4차원 시공간 좌표계의 수축과 더불어 빛의 파장도 수축되기 때문이다. 빛의 파장이 같은 비율로 수축되지 않는다면 빛의 속도는 날마다 증가됨을 관찰하게 될 것이다.

그러므로 이 말은 뭔가?
빛의 속도는 4차원 시공간 좌표계 내부 관찰자의 관점에서 항상 광속 불변의 법칙을 만족한다는 뜻이 아니던가? 즉, 4차원 시공간 좌표계 내부 관찰자의 관점에서만 특수상대성이론이 성립하는 진정 '특수한' 상대성이론이 아니던가?
이러한 점에서 본인은 아인슈타인 박사를 진정 존경한다. 이는 농담이 아닌 진심이다. 특수상대성이론이란 정말 특수한 상황에서 성립하는 이론이기 때문으로 여겨지기 때문이다.

다시 앞으로 돌아가서,
왜 물이나 유리의 매질에서 광속은 느려지는가?
물이나 유리는 진공보다 질량밀도, 광학밀도 면에서 매우 촘촘하다. 따라서 이러한 물질이라는 매질의 촘촘함에 따라 그 물질이 놓여있는 4차원 시공간 좌표계도 촘촘하게 압축되어 있는 것이 아닐까?
소위 깁손 박사가 블랙홀과 시간굴절이란 책에서 말한 평평한 시공간 패러다임의 입장에서 길이의 척도인 자가 줄어드는 그러한 상황이 발생되는 것은 아닐까?
그럴 경우 빛은 그렇게 수축되어 촘촘하게 된 4차원 시공간 좌표계의 내부를 지나가려 하므로 비록 내부 관찰자의 입장에서는 광속은 불변하더라도 외부 관찰자인 우리의 눈에는 물이라는 매질을, 유리라는 매질을 통과하는 빛의 겉보기 속도는 느려지는 것으로 인식하는 것은 아닐까?

만약 그렇다면 빛의 속도를 결정하는 요소는 하나가 더 있게 된다.
빛이 지나가는 4차원 시공간 좌표계의 조밀도 여부이다. 시공간 좌표계가 팽창되었나? 아니면 수축되었나?
만약 빛이 그 내부를 일정한 속도 광속 C로 지나가는 4차원 시공간 좌표계가 팽창되었으면, 외부 관찰자 입장에서는 그 팽창된 비율만큼 광속은 비례하여 증가되어 보일 것이요, 4차원 시공간 좌표계가 수축되었다면, 외부 관찰자 입자에서는 그 수축된 비율만큼 광속은 비례하여 감소되어 보일 것이 아닌가?
이것이 혹 물이나 유리라는 매질을 통과하는 빛에 있어서 그 속도가 느려지는 근본 원인은 아닐까?

만약 빛이 그 내부를 일정한 속도 광속 C로 지나가는 4차원 시공간 좌표계가 빛의 방향으로 함께 등속 운동을 하고 있다고 한다면, 어떻게 될까?
내부 빛의 입장에서는 빛이 움직이고 있는 그 배경이 되는 4차원 시공간 좌표계가 움직이고 있다는 것은 전혀 느끼지 못하고 있을 것이다. 그러나 외부 관찰자의 입장에서는 내부 빛이 일정 속도 a로 움직이고 있고 같은 방향으로 4차원 시공간 좌표계 역시 속도 b로 움직이고 있다면 이때의 속도는 어떻게 될까? 과연 상대론적 속도합산의 법칙이 성립할까? 아니면 고전론적 속도합산의 법칙이 성립할까?

이 문제를 어떻게 생각하는가?
본인은 당연히 고전론적 속도합산의 법칙이 성립한다고 본다. 이는 외부 관찰자의 입장이며 이러한 입장에서는 특수상대성이론이 성립하지 않기 때문이다. 그러나 4차원 시공간 좌표계 내부 관찰자의 입장에서는 진공상의 빛의 속도는 항상 광속 C를 유지하므로, 특수상대성이론이 성립하고 따라서 당연히 상대론적 속도합산의 법칙이 성립한다고 보여진다.

과연 어느 쪽이 맞겠는가? 독자의 의견은 어떤가?
이 부분에 있어 빛의 속도는 고전론적 속도합산의 법칙을 만족하게 되므로 초광속 현상을 자연계에서 형성하는 것 같다.
이에 대한 의견을 구한다.

(혹 왜 고전론적 속도합산의 법칙이 성립하는가 알고 싶으신 분은, 5차원 시공간과 우주의 구조(1)-2,3,4를 보세요.)


덧글

  • 모모 2009/05/15 02:49 # 답글

    계속 보면서 느끼는 건데, 자꾸 물리에서 성립하지 않는 '외부관찰자' 를 가정하고있어서 이상한 모순점들이 보이는 것입니다. '우주'(Universe)는 우리가 관찰하고물리법칙을 적용할 수 있는 대상 모두를 총칭하는 것입니다. 그러니 '우주 외부'의관찰자라는 걸 상상할 수는 있지만 그런 걸 가정하면 물리법칙이 맞지 않는 것이야 당연한 것이지요. 즉, '외부관찰자' 같은 걸 쓰면 안 된다는 겁니다.

    그러니, 자연계에서 초광속 현상이 일어난다는 것 역시 말도 안 되는 것이지요.
    '당연히' 물리법칙은 '우주 내'에서만 적용됩니다. 우주 밖에 관찰자가 있을 수 있습니까? '우주'라는 게 우리가 관찰하고 물리법칙을 적용할 수 있는 모든 것에 대한 총칭인데 말이죠.
  • Dr. Yeo 2009/05/15 13:17 # 삭제

    제가 시야를 조금 크게 잡았네요. 죄송합니다.
  • 모모 2009/05/15 02:53 # 답글

    덧. 밀도가 다른 매질에서 빛의 속도가 달라지는 이유는 빛이 전자기파이고, 매질의 유전율과 투자율이 각각 다르기 때문입니다. 매질의 밀도하고는 그다지 상관이없습니다. 4차원 시공간하고는 더더욱 관련이 없지요.
  • 키시야스 2009/05/15 10:28 # 답글

    빛이 보존인건 아시죠? 특수 상대성 이론이 당신이 말하는 특수를 지칭하진 않습니다.
  • 데지코 2009/05/15 18:01 # 삭제 답글

    예...보고 있으니..뭔가...좀 그래서 짧으나마 적겠습니다.

    제가 이런걸 좋아합니다.

    그래서 어디까지 전개되나 보고 있습니다만,

    솔찍히 이야기 하자면 처음부터 끝까지 엉터리라고 말하고 싶습니다. 정말 기본도 모르고 썻다라고 말하고 싶습니다만

    하지만, 모든 과학적 이론의 시작은 엉터리에서 나왔으니 이것도 나름 재미있지 않겠습니까?

    그래서 몇가지 원칙을 권해드리고 싶습니다 .


    1. 하나의 자연현상을 해석하는데 집중하십시오.

    어런저런 잡다한것 다 끌고 들어오니까 안그래도 이해안돼는거 더 안됩니다.
    애초에 양자 단위 와 은하 단위의 문제를 하나로 설명하는것 자체가 골치아픈데 그걸 계속 가져다 붙이니까 모순만 늘어 납니다.
    정말 이 이론을 전개하고 싶으시다면, 단 하나의 자연 현상에 대하여 완벽하게 전개 하십시기를 추천합니다. 어짜피 그거하나 완벽하게 전개하면 나머지는 자동으로 전개됩니다.

    2. 모순된 현상에 대한 기존 학설의 설명을 참조하십시오.

    기본적으로 거시적인 아인슈타인계열 이론이나, 양자적으로 양자역학적 이론 모두가 약간의 모순은 가지고 있으나 그걸 나름대로 설명하는 방법도 가지고 있습니다.
    만약 목표로 삼은 모순된 자연계의 현상을 다시 정립하고자 하시면 기존이론에서 설명하는 것에 대하여 완전히 이해 하시고, 그 이론상에서 모순을 지적하신 다음에 윤선생님 이론으로 그걸 다시 증명해서 기존이론의 미싱된 부분을 채워줄수가 있어야지 정상적인 전개가 될껍니다.

    3. 제발 특수상대성이론부터 먼저 공부하십시오.

    에초에 양자역학은 "닥치고 계산"이니 넘어간다치고 거시적 자연현상은 특수상대성이론으로 많은부분 자연스럽게 이해할 수 있습니다.
    그러니 특수상대성이론을 먼저 완벽하게 이해하시기 바랍니다.
    솔찍히 이야기하자면 지금 윤선생님 께서는 특수상대성이론은 고사하고 시공간의 개념이나 차원의 개념조차도 흔들리고 계시고 있습니다.
    애초에 사고실험을 할 정도가 되면 거의 모든 엘레멘트를 다 머리속으로 핸들링 할수 있을때 하는겁니다.

    4. 이상한 과학기사같은거 인용하지 마십시오.
    뭔가 알고 싶으시면 원래 논문을 읽으시기 바랍니다. 어짜피 대학원나오셨으니 학교 사이트로 접속하면 원문읽기는 언제든지 가능합니다.
    원문을 읽으시기 바랍니다.


    5. 답을 정해 놓고 끼워맞추지 마십시오
    미리 답 만들어 놓고 끼워맞추지 마십시오. 답은 푸는 과정에서 나옵니다. 미리 이거다 라고 대충 끼워맞추면 처음에는 맞는거 처럼 보이지만, 안 끼워지는 조각이 엄청나게 남습니다. 그러니, 정상적으로 이론을 전개해서 답을 도출해 내십시오


    그럼 앞으로
    즐거운 사고실험을 하시기 바랍니다.
  • Dr. Yeo 2009/05/16 04:53 # 삭제 답글

    데지코 선생님께.
    선생님의 조언 참 감사합니다. 또한 이런 것을 즐긴다 하시니 감사합니다.
    또한 모든 과학적 이론은 엉터리에서 나왔다하시니 참으로 저에게 용기를 주시는 말씀이시군요. 제 주변에 비판과 조언을 날카롭게 가하시는 분들이 한 분씩 생기니 솔찍히 매우 감사드립니다. 제가 사실 비판과 조언에 조금 굶주렸거든요. 제 주변에 조언을 주십사 부탁하였으나 극히 일부 조언을 주시고 조언을 더 주시지 못하시더라고요. 그래서 할 수 없어 이렇게 완전 오픈된 인터넷 사이트를 선택하였습니다. 사실 조언과 비판을 통하여 성장해 나가는 것 아니겠습니까?

    그리고 저는 '윤씨'가 아니고 '여씨'입니다. 제가 뭐 감출 것 뭐있겠습니다. 처음부터 드러내놓고 토론하고자 이 싸이트를 만들었는데. .. 그러나 제 주변의 우려도 있어 단지 닥터 여라고 불러 주시면 고맙겠습니다. 다들 그렇게 불러주시니까요...
  • Dr Yeo 2009/05/16 06:52 # 답글

    데지코 선생님.
    선생님께서 조언해 주신 몇가지 원칙에 대해 참으로 마음에 많이 와닿는군요. 선생님께서 조언해 주신 것을 병행하도록 하겠습니다. 제가 물리를 전공하지 않고 의학을 전공하였던 사람이라 조금 한계점이 있습니다만 최대한 독학으로 보완해 나가고 있는 상황입니다. 그러나 제가 워낙 평상시 수학과 물리를 좋아했던 사람이라 빠른 시간내에 정복해 가겠죠. 그러나 그 전까지 뭉퉁거리는 것은 좀 이해해 주시기 바랍니다. 그러나 제가 원래부터 수학에 머리가 있는 사람이라 자부하기 때문에 과학의 원리는 어느 정도 파악되는 바가 있어 본 토론의 장을 감히 만들었음을 어엿비 여겨주시기 바랍니다. 그리고 선생님의 조언에 진심으로 감사합니다.
  • 우당탕탕 2013/10/09 15:27 # 삭제 답글

    닥터 여님 주위의 비판에 대해 긍정적으로 받아들이고 즐기시는 분이군요
    과학이론이란게 애초에 완전한게 없죠. 상상력에서 시작해 기존 이론과 비교 분석해나가면서 논리적으로 정립해나가는 과정 아니겠습니까? 그래서 그런 과정을 즐긴다는 자체가 중요한거 같습니다. 제가보기엔 충분히 그 과정에서 벗어남이 없군요. 기존의 객관적 증명의 이론적 틀에서 조금 벗어났다해서 반드시 틀렸다고할 수는 없습니다. 물론 여러 이론의 기초가 두텁다면 더 좋긴하겠지만 그렇게하다간 날 새고 또 재미도 없잖아요? 혹시라도 주위에서 전공자라고 또 권위에 벗어난다고 아마추어 정도로 무시하고 비아냥거리며 따돌리는 한신한 사람들이 있더라도 감정 상하고 믿음이 흔들리지 말고 계속 즐기면서 주체적으로 공부해가셨으면 좋겠습니다. 타 전공자라니 다른 학문분야와 융합해가면서 발전해가신다면 독창적이고 새로운 것을 발견하는 기회도 될 것같군요. 퐈이팅
  • godiy12 2014/04/08 21:45 # 삭제 답글

    아인쉬타인의 생각은 오로지 유일한것은 광속이라는 것이고 광속은 고정이고 시공간은 변하는 것이라는 거죠. 중력에 의해 공간이 굽어지고 그 굽어진 공간에서의 빛은 최단거리로 지나간다 라고 말하죠.
    예를 들자면 우리나라에서 프랑스 까지 철도를 최단거리로 깔면 직선이 되겠지만 지구가 둥그니 곡면이 되는거죠. 이렇게 빛은 중력에 의해 휘어진 공간을 최단거리로 간다고 말 하고 있습니다.
    같은 매질에서, 공기중에서 정지한 관찰자가 보나 빛의 속도로 달리는 관찰자가 보나 빛의 속도는 일정하다 이것이죠 물속에서 본다면 역시 빛의 속도는 일정한 것입니다.
    근데 내가 공기중에 서서 물속으로 들어가는 빛을 보면 굴절이 일어나는건 다른 매질로 들어가는 빛의 속도가 변한것입니다. 넬슨의 법칙 이라고 찿아 보시면 나옵니다.
    빛의 이중성 파동이면서 입자인 이중성 으로 설명 합니다
  • 방문자 2014/12/09 13:49 # 삭제 답글

    즐겁게 보고 갑니다 ^^
  • gg 2015/01/14 16:38 # 삭제 답글

    회유불탁
  • gg 2015/01/14 16:38 # 삭제 답글

    회유불탁
  • gg 2015/01/14 16:38 # 삭제 답글

    회유불탁
  • 응?내가뭘 본거같아 2016/02/01 22:15 # 삭제 답글

    그냥 지나가다 읽고 궁금해서 그러는데 물론 물리를 배운건 아니지만 마냑 정말우주 팽창속도에맞춰서 빛의속도가 우주 외부의사람이볼때 변하고있다면 일딴 우주의 크기가 늘어난다해도 태양과 지구의 거리는 변화가없는데 빛의 속도가 변한다는 뜻은 태양에서 생긴 빛이 지구로 도달하는속도가 계속 빨라져야하는거네요? 그리고 질문하나더 우주가 팽창한다는게 정확히 공간이 늘어난다는뜻인가요 생겨난다는뜻인가요?
  • 달인 2017/02/12 11:34 # 삭제 답글

    아안슈타인의 상대성 이론에서 핵심은 두가지 가정에 있습니다.
    1. 모든 관성계에서 모든 물리법칙은 똑같다. - 갈릴레이의 상대성 원리 (절대적인 기준이 없다)
    2. 모든 관성계에서 빛의 상대속도는 똑같다. - 광속불변 가설입니다. (여기서 빛의 속도 = 빛의 상대속도 라는 점을 잘 기억해두세요.)

    - 이 것이 상대성 이론의 모든 것입니다. 그러나 "빛의 절대좌표 이론" 이라는 것에 입각해서 보면 2번의 광속불변이론이 틀렸습니다. 또 광속불변가설이 틀림으로 해서 1번 모든 것은 상대적이다 = 절대적인 기준이 없다는 는 것도 틀렸습니다. 왜냐하면 절대적인 기준이 있기 때문이죠. 바로 빛이라는 놈 이놈이 절대적인 기준계가 될 수 있다는 것입니다. -
  • 여신같은 북극곰 2017/08/12 18:38 # 답글

    매질 속에서의 빛의 속도는 어떤 물리량과 비례하는지요? 혹시 질량 또는 투과율과 상관관계가 있나요?
  • 신박 2017/08/23 13:01 # 삭제 답글

    재미있는 생각입니다. 저도 이런 생각을 하고는 합니다. 그렇지만 너무 복잡하게 생각할 것 없이 프리즘이 빛에 파장에 따라 빛을 분리한다든가 다른 기본적인 물리 법칙도 포함해서 생각해야 합니다. 4차원 시공간 좌표계가 촘촘하게 얽혀있다면 다른 특징도 나타나고 파장에 따라 분리가 안 되겠지요. 먹고 사느라 바쁘기는 한데 광학도 공부하고는 싶고 사고 실험만 하면서 시간 떼우고 있네요.
  • 흠... 2018/06/20 19:33 # 삭제 답글

    파동으로 전달되는 소리의 경우 음원이 이동한다고 소리가 빨라지나요?
    빛도 마찬가지입니다. 파동이기 때문에 일단 광원의 이동은 광속에 영향을 주지 않습니다.
    그리고 광속은 오직 매질의 유전율과 투자율에 의해 결정됩니다. 파장이기 때문에.
    맥스웰은 이것을 수학적으로 유도해내고 나중에 실제로 유전율과 투자율의 측정만으로 광속이 약 초속 30만키로라는 것을 구하게 됩니다.
    하지만 진공이라고 해도 유전율과 투자율이 0이 되지 못합니다. 그래서 광속이 유한하죠. 그건 양자역학에서 설명해야 할 부분이라 느껴지지만.
    그리고 진공이란 것은 내가 이동을 하건 정지를 하건 누구에게나 똑같은 상태가 되죠. 진공상태에선 내가 어떻게
    움직이든 매질에 대한 상대속도 개념이 없기 때문에 광속이 불변이 되는 것이죠.

    상식에서 너무나도 벗어난 개념이라서 19세기엔 에테르란 가상의 매질을 도입해서 빛을 설명하려 했지만 이미 상대성 이론이고 나발이고
    이전에 맥스웰이 광속은 불변이란 것을 수학적으로 증명해냈습니다. 그걸 이해하는데 상대성 이론이란 것까지 나올 필요가
    없어요. 수학만 알고 빛이 입자의 성질도 갖고 있어서 매질을 필요로하지 않는다는 사실만 알아도 광속이 불변이란 것이 설명됩니다.

    혹자는 마이켈슨-몰리 실험으로 아인슈타인이 광속이 불변이란 걸 알았다고 하는데 개소리입니다. 이론 물리학자가
    그런 실험결과가 나오면 왜? 라는 것을 수학적으로 증명을 해내야지 실험 결과만 보고 아... 광속은 불변이구나 라고 생각한다고요?
    그건 일반인들이나 하는 거죠. 아인슈타인은 그런 실험따위엔 관심도 없었고 이론만으로 광속불변을 가설로 생각했고 이젠 가설이
    아닌 정설이 된거죠.
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양자중력공간 이론과 빛

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