"아페이론"에서 암흑 에너지까지: 보이지 않는 힘을 해독하려는 과학의 오랜 탐구

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"아페이론"에서 암흑 에너지까지: 보이지 않는 힘을 해독하려는 과학의 오랜 탐구

고대 그리스 우주론부터 오늘날의 암흑 물질과 암흑 에너지의 신비까지, 우주의 보이지 않는 힘을 이해하기 위한 끊임없는 탐구를 탐구하세요.

출처: suebsiri / Adobe Stock

주요 시사점

• 수수께끼 같은 관찰에 직면했을 때, 과학자들은 역사적으로 데이터를 설명하기 위해 특이한 물질의 존재를 제안해 왔습니다.
• 일부 설명에서는 매우 이상하고, 보이지 않으며, 질량이 없거나, 유령과 같은 물질을 제안했습니다.  
• 다행스럽게도 과학은 현실을 찾기 위해 무엇이 가능한지 상상하는 자기 교정적 서술입니다. 조만간 우리는 상황을 알아낼 것입니다.

마르셀로 글레이저

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무슨 일이 일어나고 있는지 모르는 것에는 꽤 흥미로운 것이 있습니다. 이곳은 알려진 것과 알려지지 않은 것의 경계가 만나는 곳이며 상상력이 지배하는 곳입니다. 우리는 우리가 모르는 것에 대한 최선의 경로를 추측하기 위해 우리가 아는 것을 사용합니다. 물론 여기서의 "추측"은 교육받은 것입니다. 경험과 방법론이 앞장서고, 우리는 미지의 현실 영역에 무엇이 있는지 알아내려고 노력합니다. 이것이 바로 매우 구체적인 의미에서 과학이 미지의 것에 대한 추파인 이유입니다.

과학의 역사는 신비롭고 눈에 보이지 않는 물질, 즉 실험과 관찰이 과학자들을 잘못된 길로 이끌면서 존재하도록 제안된 물질들로 가득 차 있습니다. 우리가 알고 있는 과학이 등장하기 전에도 고대 그리스의 철학자들은 그들의 세계관이 이해되는 데 필요한 모든 기능을 수행하는 모든 종류의 물질로 우주를 채웠습니다. 기원전 6세기 경, 철학자 아낙시만드로스는 우주 가 존재하는 모든 것을 탄생시키는 "무한한" 근원인 아페 이론 으로 가득 차 있다고 제안했습니다 . 세계는 아페이론 에서 나타나고 때가 되면 창조와 파괴의 영원한 춤을 추며 아페이론으로 되돌아갑니다. 약 300년 후, 아리스토텔레스는 빈 공간이 없으며 모든 것이 그리스인들이 에테르(또는 “ 에테르 ”)라고 부르는 원소로 채워져 있다고 제안했습니다. 모든 행성과 별도 에테르로 이루어져 있으며 영원하고 변하지 않는 것으로 생각되었습니다. 이것은 모두 과학적 실험 이전에 있었던 고대 철학적 추측이었습니다. 그럼에도 이상한 물질을 상상하는 습관은 현대과학의 출현에도 불구하고 멈추지 않았다.

열의 신비

열의 성질을 생각해 보세요. 물질이 가열되면 어떻게 뜨거워지는지, 왜 나무 조각이 다른 나무 조각과 문지르면 불이 붙을 정도로 뜨거워지는지 아무도 알 수 없었습니다. 첫 번째 추측은 열이 한 몸에서 다른 몸으로 흐르는 일종의 물질이라는 것이었습니다. 독일의 화학자 조지 에른스트 스탈(1660-1734)은 연소가 플로지스톤 이라는 가상의 물질의 방출로 인해 발생한다고 가정했습니다 . 모든 가연성 물질은 플로지스톤과 연소 후 남은 찌꺼기가 결합하여 만들어졌습니다. 어떤 의미에서 플로지스톤은 불 그 자체의 발화 가능한 본질이었습니다. 그러나 프랑스의 위대한 화학자 앙투안 라부아지에는 연소 과정이 물질과 산소의 화학적 결합을 포함한다는 것을 보여주었습니다. 그는 또한 무언가를 태울 때(또는 화학적 변형에서) 반응하는 물질의 전체 질량이 보존된다는 것을 증명했습니다. 연소를 이해하기 위해 플로지스톤을 가상의 요소로 언급할 필요는 없었습니다. 

그럼에도 불구하고 열의 본질은 여전히 ​​불분명했습니다. 우리는 열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다는 것을 알고 있습니다. 뜨거운 수프 한 그릇은 가열을 멈추면 식을 것입니다. 라부아지에는 열이 뜨거운 물질에서 차가운 물질로 자연적으로 흐르는 칼로리 라고 불리는 일종의 눈에 보이지 않는 유체라고 제안했습니다 . 라부아지에는 모든 화학 반응의 총 질량은 일정하게 유지된다는 사실을 보여 주었기 때문에 이 열량 유체는 눈에 보이지 않을 뿐만 아니라 질량도 없다고 제안했습니다. 그것은 또한 생성되거나 파괴될 수 없으며 단지 한 물질에서 다른 물질로 옮겨질 뿐입니다. 그렇다면 문제는 눈에 보이지 않고 질량도 없는 어떤 것이 존재한다는 것을 증명하는 것이었습니다. 아니면 아닙니다. 

나중에 럼포드 백작으로 알려지게 된 미국 국외 거주자 벤저민 톰슨(1753-1814)은 칼로리 가설에 반대한다고 공언한 사람이었습니다. 미국의 충성파들과 싸우는 조지 3세의 군대에서 장교로 복무한 후, Rumford는 결국 뮌헨으로 가서 바이에른 선제후에 의해 장군으로 승진했습니다. 뮌헨에 있는 동안 그는 마찰에 의한 열 발생을 연구하기 위한 완벽한 실험실인 대포의 천공 작업을 감독했습니다. 드릴과 대포를 식히기 위해 물을 사용하면서, 그는 엄청난 양의 열이 방출되는 것에 놀랐습니다. 그 열은 물을 빨리 끓게 하고 지루한 작업이 계속되는 동안 계속 끓게 만들었습니다. 그는 마찰로 인해 발생하는 열의 양이 “분명히 무궁무진한 것으로 보인다”고 지적했습니다. 그렇다면 열은 칼로리 로 만들어질 수 없습니다 . 어느 시점이 되면 물질이 고갈되기 때문입니다. 불과 수십 년 후, 열은 분자의 교반과 충돌로 인해 실제로 운동의 한 형태라는 것이 밝혀졌습니다. 열의 성질을 설명하는 보이지 않는 물질에 대해서는 이쯤으로 하겠습니다.

빛나는 에테르

다음 목록에는 광파 전파를 지원하는 물질인 발광 에테르가 있습니다. 19세기 중반에 대부분의 물리학자들은 빛이 파동이라고 확신했습니다. 그렇기 때문에 그들은 매체로 나아갈 필요가 있다고 추론했습니다. 결국 물결은 물 위에서 움직이고 음파는 공기 속에서 움직인다. 따라서 빛의 파동이 어떤 매질 위에서도 움직인다고 제안하는 것이 합리적이었습니다. 이 에테르가 진정한 마법의 속성(아리스토텔레스의 에테르와 같은)을 갖고 있다는 사실은 모든 공간을 채우면서도 헤아릴 수 없고(무중력), 단단한 고체처럼 단단하지만 행성과 지구의 움직임에 아무런 저항도 제공하지 않으며, 완벽하게 투명하다는 사실입니다. 우리는 멀리 있는 천체를 볼 수 있었습니다. 대부분의 물리학자들은 걱정하지 않는 것 같았습니다. 하지만 그랬어야 했어요. 신비한 에테르 속에는 고전 물리학의 심각한 결함이 숨겨져 있었습니다. 1905년에 아인슈타인은 빛의 파동이 지지 없이 빈 공간에서 전파되는 놀라운 특성을 가지고 있음을 입증함으로써 빛 에테르가 필요하지 않음을 보여주었습니다. 또 다른 보이지 않는 물질이 먼지에 닿습니다.

암흑물질과 암흑에너지

다른 이상한 물질도 있습니다. 여기서 언급하기에는 너무 많습니다. 그러나 오늘날 우리는 성격이 다른 두 가지 보이지 않는 물질, 즉 암흑 물질과 암흑 에너지를 다루고 있습니다 . 암흑 물질은 약 90년 동안 존재해 왔으며, 암흑 에너지는 1998년부터 존재해 왔습니다. 두 가지 모두 매우 설득력 있는 천문학적 관측으로 인해 존재하는 것으로 제안되었습니다. 둘 다 매우 이상한 특성을 가지고 있습니다. 암흑 물질은 중력에 의해서만 일반 물질과 상호 작용합니다. 그것은 우리가 주변에서 보는 것들을 끌어당기며 이것이 우리가 그것이 존재한다고 추정하는 방식입니다. 우주를 빛나게 하는 보이지 않는 손으로 움직이는 물건. 

암흑 에너지는 거대한 우주 규모에서만 작용하여 우주 구조를 우리가 예상했던 것보다 더 빠르게 확장시킵니다. 즉, 우주팽창을 가속시킨다. 그러기 위해서는 우리가 부압이라고 부르는 것, 즉 실험실에서 매일 볼 수 없는 것이 있어야 합니다. (우주 전체에 퍼져 있는 암흑에너지는 에테르 같은 매질처럼 불편하게 보인다.) 그러면 암흑물질과 암흑에너지가 존재하는가? 현실의 일부인 보이지 않는 새로운 물질로 발견될 것인가? 아니면 칼로리나 발광 에테르처럼 폐기될 것인가?

대부분의 물리학자와 천문학자들은 그것이 존재한다고 확신하지만 우리는 모릅니다. 그러나 대부분의 19세기 물리학자들도 에테르가 존재한다고 확신했습니다. 다행스럽게도 과학은 우리가 모르는 현실의 부분에 접근하면서 어떤 추측이 사실이고 어떤 추측이 사실이 아닌지 지속적으로 확인함으로써 앞으로 나아갈 수 있는 방법을 가지고 있습니다. 수십 년 안에 우리는 어떤 식으로든 알게 될 것입니다.

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