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【과학상식 제407호161204】시험대에 오르는 광속 불변의 원리

작성자

신종오

등록일

2016.12.04

조회

0

 [과학상식 제407]                                                           2016. 12.  4


시험대에 오르는 광속 불변의 원리


[요약]


○ 우주에서 일어나는 대부분 현상을 설명할 수 있는 물리학 이론이 풀지 못하는 커다란 난제 중 하나

    가 지평선 문제 (horizon problem) 이다.

○ 광대한 우주에서 서로 멀리 떨어진 지역들은 접촉을 하지 않았음에도 온도를 포함한

    물성이 같다. 그런데 정보, 에너지, 열 등은 빨라야 빛의 속도로 이동하기 때문에 빛이 도달하기 전

    에 일어나는 이 현상을 설명할 방법이 없다(지평선 문제)

○ 지평선 문제를 해결하기 위해 제시된 2가지 이론이 우주 팽창 이론과 광속 가변 이론이다.


                                              이변을 설명하려면 극단적인 이론이 필요하다


[본문]

    

     우주에서 가장 특이한 것 중 하나는 몇 가지 기본적인 상수(常數)가 있다는 것이다. 진공에서 광속과 같은 이러한 상수들은 어떠한 조건에서 시험을 해도 변하지 않는다. 19세기에 많은 물리학자들이 측정한 진공에서 광속은 항상 일정했지만 아인시타인의 상대성 이론이 나온 이후에야 광속이 일정한 이유를 이해할 수 있었다. (1970년대에 광속은 정확하게 299,792,458m/초로 밝혀졌다.) 빛은 전자기파와 입자, 즉 광자(光子)의 성질을 모두 가지고 이동한다. 아인시타인은 “빛보다 빨리 이동할 수 있다면 상대적으로 정지 상태의 전자기파를 관찰 할 수 있기 때문에 기본적인 물리 법칙에 어긋난다.“는 가설을 세웠다. 따라서 상대성 이론이 작동하려면 광속은 반드시 일정해야 한다. 아인시타인이 상대성 이론을 발표한 20세기 내내 그가 내렸던 모든 결론은 정확한 것으로 입증되었다. 그런데 진공에서 광속이 일정하다는 그의 가정이 처음부터 잘못되었다면 어떻게 될까? 광속으로 에너지를 운반하는 광자가 팽창하는 우주 구석구석까지 도착하기 오래 전에 우주의 온도가 이미 일정한 상태에 이르렀다는 "지평선 문제(horizon problem)”를 어떻게 설명할 것인가? 1998년 런던 임페리얼 대학 물리학자 Joao Magueijo는 물리학의 가장 큰 난제 중 하나인 지평선 문제를 풀려면 광속이 일정하다는 생각에 의문을 제기해야 한다고 제안했다. 지평선 문제에 대해서 가장 인정받는 설명은 “빅뱅 후 우주가 빠르게 확대되는 과정을 마치기 전에 온도가 안정되었다“는 우주 팽창 이론이다. 하지만 많은 물리학자들은 왜 우주가 팽창하기 시작했고 팽창을 멈추었는지 아무도 설명하지 못한다는 이유로 팽창 이론에 동의하지 않는다.


      Magueijo는 지평선 문제를 설명하기 위한 이론을 연구하는 과정에서 광속에 대한 의문이 들었다. 문제를 풀기 위해서 “광속 불변“이라는 물리학의 주춧돌을 빼내고 싶은 유혹이 들었겠지만 시험이 가능한 가설을 세우지 않고 그렇게 하는 것은 현명치 못하다. 이것이 그의 가설이 물리학의 주변부에 머물렀던 이유이다. 하지만 2016년 11월 28일 학술지 Physical Review에 실리는 그의 연구 논문 때문에 모든 것이 바뀔 수도 있다. Magueijo는 Perimeter Institute 물리학자 Niayesh Afshordi와 함께 시험이 가능한 가설을 제안했다: “우주 생성 초기에 빛과 중력은 다른 속도로 이동했다. 광자가 중력보다 빠르게 이동했다면 우주 구석구석에 도달할 시간이 충분했기 때문에 온도 평형에 이르는데 도움을 주었을 것이다.” 이 가설은 우주 극초단파 배경 복사 (CMBR: Cosmic Microwave Background Radiation)를 측정해서 시험이 가능하다. 가설에 의하면 우주의 온도가 변했기 때문에 빛과 중력의 속도가 CMBR에 반영되어야 한다. 그들이 예측하는 값, 즉 우주의 밀도 파문(波紋)을 기술하는 분광 지수는 0.96478이다. 최근 위성이 측정한 CMBR을 기준으로 계산한 분광 지수는 0.968이다. 매우 근접한 수치이다. 조만간 측정될 CMBR이 0.96478이면 “광속 불변”이라는 물리학의 기본 원리가 깨질 것이고 그렇지 않으면 Magueijo와 Afshordi의 이론은 폐기 될 것이다.


[출처]  2016년 11월 27일 QUARTZ 기사 “Physicists plan to test a new theory about the speed of light to

            explain what Einstein’s theory can’t”

[참고자료]  WIKIPEDIA 사전

[번역 정리] 과학상식 보급위원 김규헌