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광속 이야기 (4)







 5. 양자 중력 이론 (Quantum Gravity Theory) 


 거시 세계에서 주로 작용하는 힘인 중력을 설명하는데는 일반 상대성 이론이 잘 통용됩니다. 하지만 미시 세계를 설명하려 하면 이는 제대로 작용하지 못합니다. 20세기 과학이론에서 하나의 화두는 미시 세계를 설명하는 양자론과 중력 이론을 합친 양자 중력 이론입니다. 


 만약 이것이 실제로 가능하다면 모든 현상을 하나의 이론으로 설명이 가능해 질 것이기 때문에 모든 것의 이론, 혹윽 궁극의 이론이라고 불리기도 합니다. 


 과학자들은 실제 우주를 구성하는 네가지 힘인 중력, 전자기력, 강력, 약력의 네가지 힘이 빅뱅  직후 우주 초기에서는 하나의 힘이었다고 생각하고 있습니다. 점차 우주가 팽창하고 온도가 낮아지면서 힘들이 따로 분리되었을 뿐이고 처음에는 하나로 합쳐진 힘이었기 때문에 이들을 통일하는 것이 결국 초기 우주의 모습을 아는 데 중요합니다. 


 또 거대한 질량이 아주 작은 점에 밀집한 블랙홀의 특이점에 있어서도 그 현상을 보다 잘 이해하기 위해서 양자론과 중력 이론을 조화시키지 않으면 안됩니다. 이와 같은 시대적 필요성과 물리학의 진보에 의해 양자 중력 이론의 여러 후보들이 등장하게 되었습니다.  


 이와 같은 양자 중력 이론의 대표적인 후보로써 끈 이론 (string theory) 나 루프 양자 중력 이론 (Loop Quantum Gravity : LQG) 등이 있습니다. 


 루프 양자 중력이론에서는 시간과 공간의 최소단위가 존재한다고 생각합니다. 이것은 플랑크 스케일 (Flanck scale) 로 나타낼 수 있습니다. 이 양자 중력 이론 중에는 사실 빛(전자기파) 역시 진동수에 의해 광속이 변할 수 있다는 이중 특수 상대성 이론 (Double Special Relativity DSR) 이 존재합니다. 


 이 이론의 주요 주창자인 리 스몰린 (Lee Smolin) 에 의하면 DSR 에 의거 광속의 값은 불변이 아니라 빛이 가진 에너지에 의존하여 변할 수 있습니다. 하지만 이 값이 너무 작기 때문에 통상적인 방법으로는 이를 입증하기 힘듭니다. 


 한가지 가능한 방법은 아주 멀리 떨어진 감마선 버스트 (GRB, 즉 감마선 버스트에 대해서는http://blog.naver.com/jjy0501/100130391818  를 참조 ) 에서 나오는 파장이 서로 다른 전자기파를 감지하는 것입니다. 이와 같은 목적의 사용될 수 있는 관측 위성으로 페르미 감마선 우주 망원경이 존재합니다.




(델타 로켓에 탑재되기 위해 준비 중인 페르미 감마선 우주 망원경  This file is in the public domain because it was created by NASA. ) 

 2009 년 페르미 감마선 우주 망원경은 지구에서 약 73 억 광년 떨어진 GRB090510 에서 오는 다양한 파장의 감마선을 관측했습니다. 만약 DSR 에 의해 실제 파장에 따라 광속도가 변할 수 있다면 관측이 가능할 수도 있습니다. 아주 미세한 속도 차이라도 73 억년이 지나는 사이에는 측정 가능한 수준으로 벌어질 수 있기 때문입니다. 그러나 실제 관측에서 310 억 eV 의 고에너지 감마선 (파장 4X10^-17 m) 과 500 만 eV 의 저에너지 감마선 (파장 2x10^-13 m) 이 지구에 도달하는 시각이 DSR 에 의한 오차라고 생각할 만큼 큰 오차가 나오지 않았습니다. 


 파장과 에너지의 관계 없이 광속도 불변의 법칙은 다시 한번 살아남은 것입니다. 앞으로 다시 언급하겠지만 이와 같은 초신성 관측 결과들이 광속도 불변의 법칙을 여전히 지지하고 있기 때문에 OPERA 실험 결과 역시 의문이 제기되고 있습니다. 


 한편 광속도 c 에 대한 새로운 이론 가운데 하나로 광속 변동 이론 (VSL : Varying Speed of Light) 이 존재합니다. VSL 에 의하면 인플레이션이라는 우주의 급팽창이 일어났던 우주의 극초기에는 광속이 현재의 값보다 빨랐다고 주장합니다. 다만 이 역시 실험적으로 입증이 가능하지는 않은 이론이라고 하겠습니다. 


 이외에도 광속도 c 가 하나의 값이 아니거나 혹은 불변은 아니다란 이런 저런 이론들이 존재하긴 하지만 결정적으로 광속 불변의 법칙을 수정해야 할 만큼 확실한 증거를 가진 것은 현재까지 아닙니다. 아무튼 광속도 c 는 물리학적으로 매우 중요한 값이기 때문에 수세기 동안 논란과 연구의 핵심에 서 있습니다. 


 한편 2011 년 9월에 발표된 OPERA 실험은 누구도 예상하지 않았던 결과이기 때문에 상당히 논란의 대상이 되고 있습니다. 이 실험은 이전의 실험 및 이전의 관측과 일치하지 않기 때문에 마이컬슨과 몰리의 실험과는 사뭇 다른 상황입니다. 마이컬슨과 몰리를 비롯 빛의 속도를 실험한 모든 사람이 빛의 속도가 항상 일정하다는 사실을 발견했던 것과 비교해서 OPERA 실험은 반대로 이 실험에서만 빛보다 빠른 뉴트리노가 관측되었다는 데 문제가 있습니다. 


 언론을 통해 꽤 유명해진 OPERA experiment 에 대해서 다음에 설명해 보겠습니다. 


 (다음에 계속) 


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