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물리 물리학의 통합을 암시하는 초유체 시공
2014.06.28 12:15
물리학의 통합을 암시하는 초유체 시공http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014060925&service_code=03 | |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-06-26 | |
| 시공간을 유체로 생각하는 것은 양자역학과 상대론을 조화시키는데 도움이 될지도 모른다. 어떤 물리학자들은 시공간이 유체라는 개념이 물리학의 2가지 주요 이론들 사이의 당황스런 불일치를 해결하는데 도움을 줄 수 있을 것이라고 이야기한다. 만약 시공간이 유체와 비슷하다면, 그것은 매우 특별한 유체임에 틀림이 없을 것이다. 그런데 최근에 발표된 한 논문에서 천체물리학적 관찰 결과와 유체 시공간이라는 개념을 기반으로 한 예측 결과가 비교되었고, 그러한 아이디어는 시공간이 엄청나게 부드럽고 자유롭게 흐르는 경우, 다시 말해서 초유체일 때에만 타당한 것으로 드러났다. 시공간을 유체로 생각하는 것은 유용한 비유일지도 모른다. 우리는 종종 공간과 시간을 우주에 대한 근본적인 배경으로 묘사한다. 그러나 공간과 시간이 근본적이지 않고, 그 대신 우리가 감지하지 못하는 실체로 이루어진 더 깊은 계층에 존재하는 더 작은 성분들로 만들어졌다면 어떻게 될 것인가? 만약 그것이 사실이라면, 시공간의 특성은 그러한 성분들의 근원적인 물리학으로부터 나올 것이며, 그것은 마치 물의 특성이 그 물을 구성하고 있는 입자들로부터 나오는 것과 마찬가지일 것이다. “물은 양자역학에 따라서 서로 상호작용을 하는 이산적이고 개별적인 분자들로 만들어졌지만, 액체 물은 연속적이고 흐르며 투명하고 광선을 굴절시키는 것처럼 보인다. 이러한 특성들은 모두 비록 궁극적으로는 그러한 분자들의 특성으로부터 파생되더라도, 개별적인 분자들에서는 발견할 수 없는 ‘새로 생긴‘ 특성들”이라고 메릴랜드대(University of Maryland) 물리학자 테드 제이콥슨(Ted Jacobson)은 말했다. 1990년대 이후로 물리학자들은 큰 규모에서 중력에 관한 우세 이론인 일반상대론과 우주의 가장 작은 조각들을 지배하는 이론인 양자역학을 조화시키기 위한 시도에서 이러한 가능성을 고려해왔다. 두 이론들 모두 각자의 영역에서는 완벽하게 작동하지만, 극도로 큰 질량과 극도로 작은 부피를 가진 블랙홀과 같이 크고 작은 규모가 결합된 상황에서는 서로 충돌한다. 많은 물리학자들은 마치 양자역학이 입자의 에너지 수준과 같은 많은 양들을 이산적인 패킷으로 분해하듯이, 더 작은 조각들로 나누는 중력의 양자화에 의해서 이 문제를 해결하려고 시도해왔다. “중력을 양자화하려는 많은 시도가 있다. 그러나 아마도 중력을 양자화할 필요가 없을지도 모른다. 시공간을 만드는 이 근본적인 대상들을 양자화해야 할지도 모른다”고 이탈리아 SISSA(International School for Advanced Studies)의 물리학자 스테파노 리베라티(Stefano Liberati)는 말했다. 리베라티는 독일 뮌헨대(Ludwig Maximilian University)의 동료 루카 막시온(Luca Maccione)과 함께 최근에 그러한 아이디어가 우주를 통과하는 빛에 어떤 영향을 끼치는지를 연구했다. 유체처럼 작용하는 새로운 시공간은 그 어떤 다른 이론의 시공간과는 바로 구별되지 않을 것이다. 그러나 초고에너지 빛 입자의 경우와 같은 극단적인 상황에서는 어떤 차이가 드러날 것이라는 것을 리베라티와 막시온은 발견했다. 실제로, 이 물리학자들은 게 성운(Crab Nebula)으로부터 나와 우주를 가로질러 날아가는 고에너지 광자들에 대한 관찰결과를 조사함으로써, 새로운 시공간의 특정 버전들을 배제할 수 있었고, 만약 시공간이 유체라면, 그것은 초유체일 것이라는 것을 발견했다. 연구진은 이 연구결과를 ‘Physical Review Letters’에 4월에 발표했다. 이러한 비유에서 입자들은 시공간을 바다의 파도처럼 통과할 것이고, 응집물질 물리학인 유체역학의 법칙들이 적용될 것이다. 이전에도 물리학자들은 물에서 서로 다른 파장을 가진 파도들이 분산되는 것처럼, 다시 말해서 서로 다른 속도로 진행하는 것과 마찬가지로, 서로 다른 에너지를 가진 입자들이 시공간에서 어떻게 분산될 것인지를 고찰한 바 있다. 이번 최근 연구에서 리베라티와 막시온은 또 다른 유체효과인 소산(dissipation)을 고려했다. 파동은 매질을 통과하면서 시간에 따라 에너지를 잃는다. 이러한 제동효과는 시공간을 통과하여 진행하는 광자들에게도 일어날 것이라는 것을 연구진은 발견했다. 비록 이 효과는 작지만, 먼 거리를 이동하는 고에너지 광자들은 눈에 띨 만큼의 에너지를 잃어야 한다고 연구진은 말했다. 실제 세계의 한 가지 예가 지구로부터 6,500광년 정도 떨어져 있으며 X-선과 감마선 빛을 방출하는 게 성운이다. 이러한 빛이 우리의 망원경에 도달할 때쯤에는, 시공간이 유체 특성을 갖고 있다면 빛의 에너지가 어느 정도 소산되어야 할 것이다. 하지만 게 성운에 대한 관찰 결과에서는 그와 같은 효과의 징후가 없다. “그 효과가 매우 작을지라도 매우 긴 거리를 이동하기 때문에 이러한 에너지 손실에 의해서 스펙트럼은 크게 영향을 받을 것이라는 것을 우리가 입증했다”고 리베라티는 말했다. 소산 신호의 부족으로 인해서, 연구진은 시공간에 존재할 수 있는 유체 효과를 크게 제한할 수 있었으며, 그러한 효과가 있을지라도 극도로 작아야 할 것임을 증명할 수 있었다. “이 아이디어가 완벽히 배제된다고 이야기하는 것은 아니다”라고 리베라티는 말했다. 하지만 이번 발견은 유체같은 시공간의 가능성을 좁혀서 점성이 매우 낮아 제동효과가 거의 없는 유체인 초유체로 제한한다. 유체 시공간의 지지자들조차 이 개념은 매우 대중적인 것이 아니며 아마도 그럴 가능성이 없다고 말한다. 그러나 사실이라면? “전혀 모른다. 아무도 모른다는 것이 내 솔직한 의견이다. 우리가 할 수 있는 것은 다양한 가능성들을 모형화하는 것”이라고 소산효과를 고려하는 아이디어를 처음 제안했던 파리수드대(University of Paris–Sud)의 물리학자 르노 파렌타니(Renaud Parentani)는 말했다. 시공간이 초유체라는 것이 사실이라면, 그리고 서로 다른 에너지를 가진 광자들이 서로 다른 속도로 진행하거나 시간에 따라 소산된다면, 그것은 상대론이 모든 상황에서 타당하지 않다는 것을 의미한다. 상대론의 주요 교의들 중 하나인 로렌츠 불변성(Lorentz invariance)에서는 관찰자의 기준틀에 무관하게 빛의 속도는 변하지 않는다고 말한다. “우리가 알고 있는 시공간이 상대론에 위배되는 무언가로부터 나온다는 가능성은 상당히 급진적인 것”이라고 제이콥슨은 말했다. 하지만 상대론과 양자역학을 결합하려는 시도에서 생기는 물제들 몇 가지를 조정하기 위한 잠재적 수단임에는 분명하다. 상대론을 어기면 현재의 이론에서 생기며 물리적으로 옳지 않을 것처럼 보이는 무한량(infinite quantities)을 제거할 수 있는 가능성이 열릴 것“이라고 그는 말했다. 만약 시공간이 초유체라면, 그것은 이론 물리학자들에게 서프 업(surf’s up)이 될 것이다. | |
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