[Aether 물리] #23 중력파, 양자 중력 이론

etainclub (79)Beyond Reality Researcherin Korea • 한국 • KR • KO • 6 years ago

매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.

우주의 움직임을 기술하는데 지금은 일반 상대성이론만 사용하고 있습니다. 왜냐하면 양자역학은 거대한 별, 행성에서는 적용할 수가 없기 때문입니다. 하지만 우주가 생길 시점, 즉 빅뱅의 시점을 애기할 때는 양자역학 지식을 사용합니다.

빅뱅 우주론은 우주가 계속 팽창하니깐 역으로 따져보면, 최초에는 한 점에서 우주가 생성됐을 것이라고 추정하는 것입니다. 그 점이 무엇인지, 왜 있는지, 누가 만들었는지 모르지만, 한 순간에 우주가 펑 하고 생성되었다는 것을 누구나 받아들이는거 같습니다. 빅뱅이론은 그저 이론일 뿐인데도 말이죠. 좀 더 근사한 이론이 나오길 기대해 봅니다.

우주의 탄생

어쨌든 빅뱅이론에 따라 어떻게 우주가 만들어졌는지 따라가 보겠습니다.

우주는 137억년 만년 전에 생성되었습니다. 탄생할 때 우주는 점입자로 볼 수가 있어서 소립자론을 적용해 볼 수 있습니다. 탄생 직후 우주는 전자, 원자핵이 뿔뿔히 흩어져 원자가 생성되지 못하고, 전자가 자유로이 떠다니던 상태였습니다.

이 상태에서도 빛(광자)가 생성되어 우주로 퍼져나갔습니다. 만약 그 때의 광자를 우리가 관측할 수 있다면 우주탄생 순간을 볼 수가 있게 되는 것입니다. 하지만 우리가 볼 수 있는 것은 우주 탄생 후 30만년 후입니다. 왜냐하면 탄생 직후에 매우 높은 온도로 전자는 자유롭게 떠다녔고, 이러한 전자와 광자가 상호작용하여 직진하기 어려웠기 때문입니다. 광자가 흡수되거나 튕겨나가거나 해서 직진할 수 없었죠.

우주가 팽창하면서 온도가 낮아지면서 전자의 움직임도 줄어들게 되어 원자핵에 속박되게 되어 중성을 띤 원자가 만들어지게 됐습니다. 자유롭게 돌아다니는 전자가 원자핵에 속박되어 빛은 비로서 직진할 수 있게 되고, 그 빛이 우리에게 도달하여 관측될 수 있게 되는 것입니다. 이렇게해서 원자가 생성될 때까지 30만년이 걸렸다고 보는 것입니다.

중력파

그러면 30만전 우주는 관측할 방법이 없는 것일까요?

아인슈타인은 일반 상대성이론을 내놓으면서 중력파라는 것이 존재할 것이라고 예측했습니다. 별의 질량이 변화하면 시공간에 파동이 발생하는데 이것을 중력파라고 합니다. 일반 상대성이론에서 가속운동을 하면 질량이 증가하는 것으로 관찰됩니다. 질량 증가로 인해 시공간이 출렁이게 되는 것입니다. 특히 두 계의 블랙홀이 충돌할 때 엄청난 질량이 에너지로 변환하면서 매우 큰 파동이 발생하여 이론적으로 관측을 할 수가 있어야 합니다.

중력파를 관측하기 어려운 것은 그 규모가 너무나 작기 때문입니다. 측정을 해도 이게 잡음(노이즈)인지 알 수 없었습니다. 그러나 2015년 드디어 중력파 검출에 성공합니다.

위 그림에서 13억 광년 떨어진 블랙홀 쌍이 서로 가까워지다가 충돌하면서 발생하는 중력파로 인한 공간 변형률이 나타나 있습니다. 중력파 관측이 어려운 것은 중력파로 인해 공간 변형이 일어나면 관측자도 동일한 공간 변형이 일어나기 때문에 변형을 관측할 수가 없습니다. 이를 해결한 방법은 서로 다른 위치에서의 중력파 차이를 검출하는 것입니다. 이것을 구현한 것이 LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 레이저 간섭계를 이용한 중력파 관측) 입니다.

중력파는 빛과 달리 전자와 상호작용하지 않기 때문에 빅뱅 순간의 파동이 전달될 수 있는 것입니다. 그리고 파동은 사방으로 퍼져 나가기 때문에 어느 방향에서 오든 지구에서 관측할 수가 있습니다.

중력파를 관측하면 블랙홀의 내부를 간접적으로 관찰할 수가 있고, 초신성 폭발의 순간도 관찰할 수가 있는 것입니다. 물리학자들이 가장 하고 싶은 것은 빅뱅 순간의 모습을 중력파로 관찰하고 탄생 시점을 확인하고 싶은 것이겠죠.

응용분야로는 중력파 통신이 있습니다. 빛의 직진성으로 투과에 제약이 있는 전자기파 대신에 중력파를 사용하게 된다면 뭐든 투과하기 때문에 장소에 구애받지 않는 통신 기술이 될 수 있습니다.

중력자와 중력파

그럼 중력파가 중력자가 되는 것일까요? 중력파는 질량 변화로 인해 시공간에 파동이 생기는 것을 의미하고, 중력자는 소립자 관점에서 중력을 매개하는 입자입니다. 비슷한듯 다른 듯합니다.

물리학자들은 중력파가 중력자의 역할을 하지 않을 것이라고 생각하고 있습니다. 그 근거는 중력파가 다른 어떤 것과 상호작용하지 않는다는 것입니다. 다른 어떤 것과 상호작용했다면 매우 민감한 장치가 필요한 중력파 검출은 불가능했겠죠.

루프 양자중력 이론 (Loop Quantum Gravity)

4대 힘 중 중력만큼은 양자역학으로 설명할 방법이 없습니다. 그래서 루즈 양자 중력 이론 (LQG)가 나왔습니다. 양자역학과 중력을 아우르는 통일장 이론이긴 하지만, LQG는 오직 중력만 양자역학으로 설명하려는 이론이기 때문에 엄밀히 통일장 이론이라고 하긴 좀 그렇습니다.

LQC는 시공간이 양자화되어 있다는 가정에서 출발합니다. 양자화 되어 있다는 것은 어떤 디지털 값으로 되어 있는 것을 말합니다. 즉 연속적이지 않고 특정 값만 존재하는 것이지요.
LQC에서는 길이를 한없이 작게 하다보면 언젠가는 더이상 작게 할 수 없는 한계점이 오는데 이것을 플랑크 길이라고 부릅니다. 이 플랑크 길이는 플랑크 상수에서 봤던 것과 같습니다.

플랑크 길이: 10^-35m
플랑크 시간: 광자가 빛의 속도로 플랑크 길이를 이동하는데 걸리는 시간 -> 10^-44초

플랑크 길이와 시간은 물리적으로 의미를 갖는 최소의 길이와 시간입니다. 시간과 공간이라는 것은 이 플랑크 값에 비례해서만 존재하게 되는 거죠.

그런데 면적과 부피도 플랑크 값에 비례해서 존재하게 됩니다. 즉 면적의 경우 면적이 0인 그 다음 면적값은 플랑크 길이의 제곱값이 됩니다. 그 사이에는 면적이 존재하지 않습니다. 부피도 그렇습니다. 이와 같이 시공간이 양자화되어 있다면, 그야말로 우리가 사는 세상은 디지털 세상입니다. 아날로그라고 느끼지만 사실은 모든게 디지털인 셈이죠.

전자공학하시는 분들은 아시겠지만, 아날로그 신호를 디지털로 바꿔주는 ADC칩이 있는데, 사실은 이게 아날로그 입력이 아니라 디지털 입력인 것입니다. 그 양자화 단위가 너무 작아서 아날로그로 인식되는 것 뿐이죠.