스크랩 [교양.지식] 광속보다 빠른 소립자가 상대성 법칙을 바꿀것인가?

[5/공석환]

출처 BBC

2011년 9월 22일 유럽공동체핵물리연구소(CERN)의 연구팀이  "중성미자(Nutrino)"라는 소립자가 광속보다도 더 빨리 움직였다는 측정결과를 공식적으로 발표한 것은 전세계에 큰 파장을 주고 있다. 위 그림에서 설명된 것처럼  스위스 제네바에 있는 입자가속기에서  생성된 중성미자를 그 곳으로부터 732Km 떨어진 이탈리아 그란사쏘로 보낸 과정을 측정한 결과 광속보다 4만분의1 더 빠른 속도를 얻었다는 것이다. 이 결과는 3년간 15,000번을 반복하여 측정한 결과이기 때문에 장치설계상 근본적인 문제가 있지 아니한 통계적으로 우연한 결과로 볼 수 없다.

현대물리학은 빛보다 빨리 움직이는 물체는 없고 빛의 관측을 통하여 모든 것이 기준이 된다는 아인슈타인의 상대성원리를 기본으로 한다. 그러한 원리에서 E=mc2라는 공식이 유도되어 원자폭탄도 발명되고 일반상대성원리로부터 우주가 약 137억년전 한점에서 폭발하여 지금도 계속 팽창하고 있다는 "빅뱅이론"이 우주의 생성과 발전에 대한 정설로 받아들여지고 있다.

그런데 "중성미자"가 빛보다 조금이라도 더 빨리 움직였다는 측정결과는 그 것이 확증될 경우 현대물리학의 기초를 뒤 흔들 수 있는 충격적인  것이다. 참고로 중성미자는 전자와 비슷하나 전기를 띄지 아니한 소립자로서 각종 핵반응에서 생기는 것으로  빅뱅이론에 따르는 우주기원에서도 중요한 역할을 하는 소립자이다.  빛(광자)와 달리 작은 질량이 있다는 점이 차이가 있다.

위 비디오는 연구진이 직접 그러한 연구과정을 설명하는 것이다. 이번 측정결과가 불러올 파장 때문에 해당 연구진들은 이러한 결론을 단정하지 아니하고 다른 연구진에서 이러한 실험을 반복하여 검증할 것을 촉구하였다. 지금 전세계 물리학자들이 이러한 측정결과를 다시 검증하는 방법에 대해 고민하고 있다.  미국이나 일본 등 다른 곳에서의 장비가 유럽공동핵물리연구소의 것보다 수준이 떨어지기 때문에 똑 같은 실험을 반복하기 쉽지 아니하기 때문이다.

출처 위키미디아 공용 http://en.wikipedia.org/wiki/File:SN1987a_debris_evolution_animation.gif

위 사진은 1987년 지구에서 168,000광년 거리에서 폭발한 "SN1987"라고 불리우는 초신성의 잔해를 그 이후 허블망원경으로 촬영한 것을 중복한 것이다. 위 초신성은 고성능의 망원경과 각종 첨단 장비에 의해  관측되어 초신성의 기원에 대해 많은 정보를 주었다.  위 초신성이 폭발하여 그 빛이 지구에 도착하기 3시간전에 이미 위 초신성 폭발과정에서 생겨난 중성미자가 지구 3곳의 관측소에서 관측되었다.

중성미자가 빛보다 3시간 먼저 도착한 결과에 대해 폭발이 일어나서 먼저 중성미자가 방출되고  그러한 내부 폭발로 인하여  표층에서 강한 빛이 발생하는 시차가 있었다고  설명되었다.  만약 이번 측정결과와 같이 중성미자가 항상 빛보다 4만분의1만큼 빨리 움직인다고 가정할 경우 중성미자가 빛보다 4.2년 더 먼저 도착하였어야 할 것이다.

필자의 개인적인 견해는 중성미자가 빛보다 빨리 움직인다고  판정하여 현대물리학의 기초가 되는 상대성이론을 부정하기에는  아직 이르다고 생각한다. 그렇다고 이번 발표된  측정결과를 오류라고 단정하지도 아니하다. 이번 측정결과와 위 "SN1987"초신성 관측의 결과를 조화할 수 있는 유력한  해석방안이 있다. 그것은 중력에 의하여 공간이 휘어진다는 이론이다.

출처 BBC

아인슈타인의 일반상대성이론은 빛이 중력에 의해 휘어진다는 것이다. 그 이론이 처음 발표되었을을 때 대부분의 물리학자는 회의적이었다. 그런데 영국의 천문물리학자인 에딩턴이 1919년 남아공에 일어난 개기일식 때 수성을 촬영한 사진에서 그 것을 증명한 것이다. 아인슈타인의 일반상대성이론은 우주의 빅뱅이론 등 현재의 우주기원에 대한 이론적인 시작점이 된 것이다. 그 내용이 "아인슈타인과 에딩턴"이라는 이름으로 2008년 BBC에 의해 영화로 되어 감동을 주었다 

 위 유튜브 영상은 "아인슈타인과 에딩턴" 영화의 예고편이다.

중성미자는 빛(광자)과 달리 미세하나마 질량이 있어 중력에 따르는 시공간에서 더 휘어질 수 있다.  이번 측정결과에서 GPS로 중성미자가 움직인 거리를 732km라고 가정하였지만 중성미자의 경우 시공간의 왜곡이 있을 경우 실제 그 보다 훨씬 짧은 거리를 축지법으로  움직일 가능성이 있다. 즉 중성미자가 광속보다 빠르지 않으면서도 GPS로 가정된 거리보다 지름길을 가게 되어 광속보다 더 빠르게 움직인 것처럼 보이는 시간내에 목적지에 도착할 수 있는 것이다.

출처 위키미디아 공용  http://en.wikipedia.org/wiki/File:LorentzianWormhole.jpg

이러한 공간왜곡이론은 "웜홀( Wormhole, 벌레구명이라는 뜻)" 이론으로 불리운다.  블랙홀의 강한 중력이나 빅뱅 이후 생겨난 반질량에 의한 스트링(끈)에 의한 작용으로  시공(Space-Time)을 지름길처럼 통과하는 길이 존재한다는 가상적인 이론이다. 이러한 지름길을 따라 가면 사실상 광속보다 빨리 움직일 수 있다는 것이다. 다만 이러한 웜홀이 실제 존재한다는 확증이 되지 아니하였다. 그런데 중성미자의 속도가 국지적인 환경에 따라 다르다는 것은 중성미자의 실제 속도는 광속이하이면서 이러한 지름길인 웜홀이 존재할 수 있다는 간접적인 증거가 될 수 있다.

웜홀을 통하여 시공을 가로지르면 과거로의 시간여행이 가능할 것이라는 견해도 있다. 그러나 시공을 가로 질러도 이미 지나간 과거로는 따라잡기 어렵고 미래를 먼저 가는 것만 가능하다는  반론도 있다. 시간여행의 가능성에 대해서는 인과관계가 엉망이 될 것이라는 점에서  필자는 부정적이다.  시간여행과 관련하여 우주가 인과관계가 서로 달라질 수 있는  복수의 우주가  존재한다는 "멀티버스(Multiverse)"이론도 있다.

미국 로스웰에 있는 UFO박물관의 외계인 모형사진(원저작자 최용복님의 허가를 얻어 사용함)

최근 외계인의 존재 여부에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양계외에 인간보다 지능이 높은 외계인이 존재하여 과거 또는 현재에도 지구를 방문하고 있다는 것이다. 최근 대한민국 상공에도 정체를 알 수 없는 비행접시와 같은 물제가 촬영된 적이 있다.

2010년에 스티븐 호킹 교수는  적대적인 외계인이 지구를 침공할 가능성에 대비하여야 한다고 주장하여 센세이션을 일으킨 적이 있다. 필자는 외계인이 지구를 방문하더라도 단순한 과학탐구를 위하여 지구에 오는 가능성이 높다고 생각하지만 적대적인 행동을 할 가능성에 대해 완전히 배제할 수는 없다고 생각한다.  그에 관하여 더 자세한 내용은 이 블로그의 글 "호킹박사의 외계인 침공론에 대한 횡설수설" 참조 http://blog.daum.net/shkong78/610

안드로메다 성운 출처 위키미디아 공용 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Andromeda_Galaxy_(with_h-alpha).jpg

사실 우주에는 약 1700억개의 은하수와 같은 성운이 있고 각 성운에는 평균 1000억개가 넘는 태양과 같이 빛을 내는 항성이 존재한다. 참고로 태양계가 있는 은하계에는  2000억에서 4000억개의 항성이 있다. 은하계에서 250만광년 거리에 있는  안드로메다 성운에는 약 1조계의 항성이 있다고 한다. 생명체가 존재할  확률을 계산하는 소위 "드레이크 방정식"에 의하면   우주안에 지구와 같이 물이 액체상태로 존재하여 생물이 진화할 수 있는 환경이 상당수 존재한다고 본다.

출처 NASA

 태양계에서 가장 가까운 항성인 "프락시마 센타우리(Proxima Centauri)"도 4.2광년 거리에 위치하여 있다.  최근 지구에서  20여광년 떨어진 곳에 지구처럼 물이 액체상태로 존재할 수 있는 "Gliese 581 항성계"라 불리우는 곳이 발견되었다 ( 이 블로그의 글 "태양계 밖의 외계생명체 탐사 " 참조 http://blog.daum.net/shkong78/794)

그러한 먼 곳에 과연 지능이 높은 외계인이 살고 있다고 하더라도 광속보다 더 빨리 이동하지 아니하고는 지구에 오기 쉽지 아니할 것이다. 만약 중성미자가 왜곡된 공간으로 광속보다 빨리 움직일 수 있다는 원리가 확증되고 실제 공간을 효과적으로 가로지르는 방법이 있다면 외계인의 이동이 쉬어질 것이다.

만약 외계인의 우주선이 추락한 것을 발견한다면 가장 궁금한 기술이 그러한 우주선이 광속보다 더 빨리 이동할 수 있는 기술인 것이다. 아니면 외계인과 평화적으로 접촉하여 그러한 기술을 이전받는 것을 협상할 수도 있을 것이다.

정리하면 이번 유럽공동체핵물리연구소팀이 중성미자가 광속보다 빨리 움직일 수 있는 결과를 발표한 것은 현대물리학의 기초가 되는 상대성이론을 흔들 수 있는 것으로 큰 파장을 일으키고 있다. 만약 그 측정결과에 오류가 없다 하더라도  필자는 그 결과를 중성미자가 광속보다 빨리 움직인다는 것보다는 시공간이 왜곡되어 축지법처럼 가로지르는 현상이 가능한 것으로 해석하고 싶다.   그 경우 실제 중성미자의 속도가 광속에 미치지 아니하더라도 광속보다 빠른 것으로 나타나 보이는 것이다. 이 문제는 당분간 과학계에 큰 파장을 일으킬 것이다. 그 추이를 보면서 필자의 의견을 다시 개진하기로 한다.

[11/우천식]

공박사 오랜만이네. 올린 글, 재미있게 봤다. 바로 앞에서 네 강연 듣는 느낌이다. 잘 지내라.

[5/공석환]

사우디에서 수고 많다. 광속보다 중성미자가 빠르다는 주장은 쵤회하였다고 한다. 나도 처음부터 그 주장을 그대로 믿지 아니하고 공간외곡론을 생각했지.

건강하게 귀국하기 바란다.