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빅뱅 우주론이 맞는다면, 왜 새로운 중력이론을 찾고 있는가?

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저자: John G. Hartnett
번역자: 한국창조과학회 (creation.or.kr)

때때로 누군가가 새로운 중력이론을 제안하는 보도를(특히 온라인에서) 보게 된다. 우주의 진화를 설명하고 있는 현재의 빅뱅 이론(Big Bang theory)이 맞는 것이라면, 새로운 이론은 왜 필요한 것일까?

표준 ΛCDM(람다시디엠) 빅뱅 우주론은 아인슈타인의 일반 상대성이론의 물리학에, 비성경적 조건의 적용으로부터 유래했다. 그러나 그것이 우주 전체에 적용되었을 때, 세속적인 표준 빅뱅 우주론에는 두 가지 문제점이 발생했다. 하나는 암흑에너지(dark energy)를 더할 필요가 있다는 것이고 (즉, 아인슈타인의 장 방정식(Einstein’s field equations)에 우주론적 상수 Λ(람다)를 더할 필요가 있다는 것이고), 다른 하나는 눈에 보이지 않는 차가운 암흑물질(CDM, cold dark matter)을 상당한 량으로 필요로 한다는 것이다.

은하 스케일과 심지어 은하성단 스케일에서도, 뉴턴 물리학은 일반상대성 이론의 낮은 중력 한계(low gravity limit)로서 사용된다. 그러나 은하계(그림 1 참조)와 은하성단에서 눈에 보이는(가시적) 물질들의 알려진 밀도를 사용하여 얻어진 결과에 암흑물질을 추가하지 않는다면, 그 이론은 관측치와 일치하지 않는다. 그러나 40년이 넘는 기간 동안, 암흑물질을 규명하기 위한 다양한 실험실 실험에서도 지속적으로 부정적 결과를 나타내고 있다. 이것은 암흑물질의 위기(dark matter crisis)로 불리는 것으로 발전했다.1

때때로 이론가들은 암흑물질 입자가 무엇과 같을지를 암시하는 주장을 제기하곤 한다. 그러나 그 위기는 계속된다.2 암흑물질 입자는 깊은 지하 광산에 설치된 매우 민감한 탐지기를 사용하고서도3, 은하들에서 탐지되지 않았다. 그리고 가장 낮은 질량의 안정적인 입자(아직 미발견된 초대칭 입자의 이론화된 부류)를 찾고 있는, 지난 10년 이상 동안 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider, LHC) 실험을 통해서도 탐지하지 못했다.4

뭔가 잘못되었다.

수천 개의 은하들에서 얻은 관측 자료들과 암흑물질 입자를 탐색하기 위한 모든 실험들에서의 부정적인 결과는, 우리가 사용하는 물리학이 잘못되었거나, 예상되는 암흑물질이 추정하는 것보다 훨씬 탐지하기 어렵거나, 또는 실제로는 존재하지 않음을 가리킨다. 이것은 우리로 하여금 물리학과 함께, 뭔가 잘못되었음을 가리킨다.

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그림 1 : 나선은하의 전형적인 회전 곡선 : 1000 광년(ly) 단위로, 은하 중심으로부터 거리에 따른 함수로서의 속도(V, km/s). 위의 커브는 가시적 광선 및 가스(무선주파수 방출로 결정)로 결정된 은하 원반 영역에서 관측되는 별들의 속도를 보여준다. 아래쪽 곡선은 표준 뉴턴 물리학에서 관측되어야만 하는 예측 곡선이다. 두 곡선의 불일치는 보이지 않는 암흑물질(dark matter)의 존재를 가정하게 만들었다.

이것과 동일한 유형의 문제가 암흑에너지(dark energy)의 개념에도 적용된다. 암흑에너지는 우주의 팽창률이 우주 시간이 흘러감에 따라 사실상 증가하고 있는 것으로, 즉 팽창이 가속화되고 있는 것으로 나타나는 관측을 설명하기 위해서, 빅뱅이론 안으로 도입되었다. 이러한 중력과 반대되는 암흑에너지의 정체가 무엇인지는 아직도 답을 찾지 못하고 있다.5 그 답은 카멜레온이라고 불리는 입자에 놓여 있을 수 있다고 제안되어왔다.6 텅빈 우주 공간에서 가설적인 카멜레온 입자(chameleon particle)는 우주에서 새로운 반-중력(anti-gravity)을 제공하는 특성(즉 암흑에너지)을 가진 것으로 제안되었다. 그러나 그 입자를 지구 근처에서 찾았을 때, 그것은 새로운 정체성을 갖게 되었는지, 발견될 수 없었다.

암흑물질을 설명하기 위해 새로운 물리학들이 제안되어왔다. 여기에는 밀그롬(Mordehai Milgrom)의 수정뉴턴역학(MOdified Newtonian Dynamics, MOND)7, 베켄슈타인(Jacob Bekenstein)의 텐서-벡터-스칼라 중력(Tensor-Vector-Scalar gravity, TeVeS) (수정된 중력의 상대적 이론)이 포함된다.8 처음부터 암흑물질의 위기를 극복하기 위해 의도된 것은 아니었지만, 나는 카멜리(Carmeli)의 우주일반상대성(Cosmological General Relativity, CGR)은 암흑물질이나 암흑에너지가 필요 없는 관측들을 설명해줄 수 있음을 발견했다.

가속 팽창은 없다.

이제 우주 전체에 대한 대규모 관측 자료들9이 모두 고려될 때, 표준우주론에 적용된 관측치들이 가속 팽창과 일치하지 않기 때문에, 암흑에너지는 필요 없다고 제안하는 일부 사람들이 있다. 그러한 연구의 한 저자는 다음과 같이 말했다10 :

”… 우리는 잘못된 방향으로 가고 있으며, 암흑에너지의 뚜렷한 징후는 지나치게 단순화된 이론적 모델에서 데이터들을 분석한 결과이다 …”

게다가, 그것은 더 일찍 알려졌었다 :

하나의 대안적 가능성은… 그러한 관측을 우주론적 기하학의 요행(fluke)으로 설명하는 것이다. 그것은 임시변통의 암흑에너지를 필요로 하지 않지만, 대신에 코페르니쿠스 원리(Copernican principle)를 갖다버려야 하는 대가를 치러야하는 것이다. 간단히 말하면, 그것은 지구, 또는 적어도 우리 은하를 관측 가능한 우주의 중심으로 되돌려 놓는 것이다.”11

물론 코페르니쿠스의 원리는 지구가 우주에서 특별한 위치에 있지 않다는, 우주론적 관측들을 해석하는 데에 부과된 임의적인 조건이다.

이제 새로운 아이디어가 이 분야에 등장했다.12

”2010년에 에릭 베를린데(Erik Verlinde)는 완전히 새로운 중력 이론으로 세계를 놀라게 했다. 베를린데에 따르면, 중력(gravity)은 자연의 근본적인 힘이 아니라, 하나의 창발현상(emergent phenomenon)이라는 것이다. 온도가 미시적 입자들의 움직임으로 발생하는 것과 같은 방식으로, 중력은 시공간의 구조에 저장된, 정보의 기본적 비트의 변화로부터 발생한다는 것이다.”13

이 새로운 이론은 중력을 ”창발되는(emergent, 새로 발생되는)” 것으로 묘사하고 있다. 즉, 중력은 근본적인 것이 아니라, 초기의 뜨거운 빅뱅 불덩어리에서부터 냉각됨으로서, 우주에서 나타났음을 의미한다. ”거대 스케일에서, 중력이 아인슈타인 이론이 예측하는 것처럼 행동하지 않는 것 같다”고 베를린데는 말했다.13 그의 접근은 새로운 물리학이다. 이것은 표준 물리학이 실패한 곳을 메꾸기 위해 사용되고 있는, 오늘날 의존하고 있는 모든 암흑물질, 암흑에너지…, 등을 찾는 것보다 훨씬 합리적인 방법일 수 있다.14

그들이 새로운 물리학을 찾고 있는 이유는?

이 글에서 본인이 말하고 싶은 것은, 중력이론이 올바른지 아닌지를 말하려는 것이 아니다. 나는 다른 질문을 하고 싶다. 그들이 말하고 있는 우주론이 사실이라면, 즉 빅뱅이론이 본질적으로 완전하고, 우주의 대폭발 기원이 정확한 것이라면, 왜 이들 물리학자들은 새로운 물리학을 찾고 있는 것인가?

관측되지 않으며 탐지되지 않고 있는, 암흑물질(dark matter), 암흑에너지(dark energy), 암흑복사선(dark radiation15, 비활성 중성미자(sterile neutrino), 암흑광자(dark photons)16, 카멜레온 입자(chameleon particle)6, 기타 암흑적 존재들은17 ​​전체 패러다임이 매우 의심스러움을 가리키는 것이 아닌가?

분명 우주가 커다란 폭발로 스스로 만들어졌다는 빅뱅이론은 의심스러운 것임에 틀림없다. 그리고 새로운 물리학을 찾고 있는 이러한 시도들은, 빅뱅이 성경에 기록된 창조의 방법이라고 주장하고 있는 러셀 험프리(Russell Humphreys, 오래된 지구 창조론자로서 빅뱅이론을 신봉하는 천문학자)와 같은 사람들의 주장이 유효하지 않음을 가리키고 있는 것이다.18,19

암흑물질의 위기와 같이, 빅뱅이론의 문제점을 해결하기위해서, 새로운 물리학을 모색하고 있는 세속적 물리학자들의 노력은, 창조주가 수천 년 전에 우리에게 말씀하셨던 것을 받아들이려 하지 않는 사람들에게는 피할 수 없는 숙명일 수 있는 것이다. 믿음이 없는 이 세상은 찬성하지 않겠지만, 우주는 제1 원인, 즉 창조주를 필요로 한다.

”태초에 하나님이 천지를 창조하시니라” (창세기 1:1)

참고 문헌및 메모

  1. Kroupa, P., The dark matter crisis: problems with the current standard model of cosmology and steps towards an improved model. adsabs.harvard.edu (accessed November 2016). 텍스트로돌아 가기.
  2. Hartnett, J.G., Claimed dark matter ‘find’ won’t help end ‘big bang’ crisis, creation.com, January 25, 2014. 텍스트로돌아 가기.
  3. Hartnett, J.G., Dark matter search comes up empty, biblescienceforum.com, July 2016. 텍스트로돌아 가기.
  4. Hartnett, J.G., SUSY is not the solution to the dark matter crisis, biblescienceforum.com, August 2016. 텍스트로돌아 가기.
  5. Identity means what type of agent causes it. Some suggest a particle, the chameleon (see Ref. 6), others a slowly evolving scalar field. The latter then begs question of what that is. 텍스트로돌아 가기.
  6. Hartnett, J.G., Dark energy and the elusive chameleon—more darkness from the dark side, creation.com, October 2015. 텍스트로돌아 가기.
  7. Milgrom modified gravity to make the strength of its force inversely proportional to distance in weak gravitational fields. This contrary to standard Newtonian gravity which is inversely proportional to distance squared. Milgrom’s theory can account for the observed orbital speeds of stars and gasses as shown in Fig. 1 without the need for dark matter. But Milgrom has no underlying fundamental reason why such a modification should be made except by tuning it to observations. 텍스트로돌아 가기.
  8. Bekenstein introduced a relativistic generalisation (hence more fundamental) of Milgrom’s MOND to produce a mechanism why gravity is modified in the limit of weak accelerations. In the weak-field approximation of the spherically symmetric, static solution, TeVeS reproduces the MOND acceleration formula. 텍스트로돌아 가기.
  9. From type Ia supernovae, which led to the Nobel prize in physics in 2011, for detection of an accelerating universe. 텍스트로돌아 가기.
  10. Hartnett, J.G., Now the expansion of the universe is not accelerating, biblescienceforum.com, November 2016. 텍스트로돌아 가기.
  11. Rennie, J., Nothing special, Scientific American 300(4):8, 2009. 텍스트로돌아 가기.
  12. Verlinde, E., Emergent Gravity and the Dark universe, Preprint at arxiv.org. 텍스트로돌아 가기.
  13. New theory of gravity might explain dark matter, phys.org, November 2016. 텍스트로돌아 가기.
  14. Hartnett, J.G., Where materialism logically leads, creation.com, May 2016. 텍스트로돌아 가기.
  15. Hartnett, J.G., ‘Dark photons’: another cosmic fudge factor, creation.com, August 2015. 텍스트로돌아 가기.
  16. Hartnett, J.G., Dark radiation in big bang cosmology, creation.com, November 2014. 텍스트로돌아 가기.
  17. Hartnett, J.G., Why is Dark Matter everywhere in the cosmos? creation.com, March 2015. 텍스트로돌아 가기.
  18. Humphreys, D.R., The ‘Pioneer anomaly’, Creation 31(1):37, December 2008. 텍스트로돌아 가기.
  19. Humphreys, D.R., New creation cosmology, creation.com, June 2009. 텍스트로돌아 가기.
  20. Hartnett, J.G., Starlight Time and the New Physics, 2nd Ed., Creation Book Publishers, 2010.
  21. Hartnett, J.G., A biblical creationist cosmogony, Answers Research Journal 8:13–20, 2015.
  22. Hartnett, J.G., Is ‘dark matter’ the unknown god? Creation 37(2):22-24, April 2015.

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