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한국지구과학교사협회
 
 
 
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지구과학 수업 허블의 법칙에서..우주의 나이 구하는 문제
그린 추천 0 조회 710 14.12.10 21:39 댓글 33
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댓글
  • 14.12.11 09:24

    첫댓글 문제를 보지 않은 분들도 있으니 문제를 여기에 게재해 보시는 것은 어떤지요.

  • 작성자 14.12.11 20:32

    네. 문제 업로드 했습니다.

  • 14.12.11 20:57

    은하단의 후퇴속도가 과거나 현재나 같았다는 기본 전제가 왜 필요하죠?
    그리고 해당 출제 교수님이 누군지 어떻게 알 수 있나요?

  • 작성자 14.12.11 21:38

    우주의 나이를 구할 때, 특정 은하단까지의 거리를 그 은하단의 후퇴속도로 나누어 계산하잖아요. 여기서 은하의 후퇴속도는 일정하다고 가정해야 등속도 운동공식에 단순한 대입이 가능하지 않나요?

  • 작성자 14.12.11 21:39

    기본적으로 우주의 나이를 1/H로 구한다는 것 자체가 등속팽창을 전제로 하는 것이고요. 사실은 우주의 나이를 구할 때, 공간의 팽창률이 일정하다고 보고 공간의 크기(반지름)를 공간의 팽창속도로 나누어야 하지만, 관측자 입장에서는 공간의 크기(반지름)와 공간의 팽창속도를 측정하는 것이 아니라 은하단의 거리와 후퇴속도를 측정할 수 있고, 관측자입장에서 과거나 현재나 특정은하단의 후퇴속도가 일정하게 측정되기 때문에 위의 계산이 가능한 것이 아닌지요? 그리고 출제교수님은 저도 모릅니다.

  • 14.12.11 23:02

    복잡하게 생각하지 말고 간단한 사고를 해 보지요. 현재 우리 은하의 위치를 원점이라 하고, C에 있는 은하단이 20억년 전에는 B정도에 있었다고 가정해 봅시다. C보다는 당연히 원점에 가까워지지요! 그렇다면 그 때의 후퇴속도를 보세요. 당연히 후퇴속도가 다르지 않은가요!!

  • 작성자 14.12.12 16:42

    문제의 답이 맞다면, 특정은하단의 후퇴속도는 과거에는 우리은하로부터 거리가 가까웠으니까 후퇴속도도 현재보다 작았고, 현재까지 점점 커져왔다는 뜻인데, 우주의 나이를 구하는 식을 t= d/v = d/(Hd)=1/H 로 유도한다는 것은, 후퇴속도가 일정하다는 전제하에만 가능한 것이지 않나요? 왜냐하면 t= d/v 는 등속도운동에서만 사용가능한 식이니까요.

  • 14.12.16 16:36

    t=d/v라는 식은 등속도운동 이외에도 가능한 식입니다. v가 평균속도일 때이지요. 가속을 하더라도 우주와 같은 큰 구조에서 우주의 나이를 구하는데 평균속도의 개념으로 접근하여도 됩니다.

  • 작성자 14.12.16 19:36

    @성종규 성 선생님. 관심가져주셔서 감사합니다. 허블의 법칙은 우주가 균질 등방이고, 등속팽창한다는 가정하에 유도될 수도 있는 식으로 알고 있습니다. 그리고, 우주가 감속팽창을 했다면, 허블상수의 역수로 구한 나이보다 실제 나이는 더 많게 되고, 가속팽창을 한다면 그 반대가 되죠. 즉, 허블상수의 역수로 구하는 나이는 등속팽창을 전제하여 구한 우주의 나이가 된다는 뜻이지 평균속력으로 구한 나이는 아닙니다.

  • 작성자 14.12.12 16:46

    그리고, 또 하나는 공간의 팽창에 우리은하도 함께 참여하기 때문에 공간의 팽창이 등속도로 균일하다면(이는 허블의 법칙에 담긴 기본 가정이죠. 왜냐하면 등속팽창일 경우에만 허블의 법칙이 성립하니까요) 특정은하단의 거리가 멀어지더라도 우리은하에서 측정하는 후퇴속도는 일정하다는 것이죠. 왜냐하면 속력이라는 것이 단위시간당 거리의 증가량이니까 특정은하단의 거리가 점점 멀어져도 거리의 증가량이 일정하다면 후퇴속도는 같게 측정되겠죠.

  • 작성자 14.12.12 16:55

    그리고, 성 선생님의 풀이는 허블상수가 변하지 않는다는 전제하에 성립되는 것이지요. 그러나 허블상수는 상수가 아니라 과거에 측정한 허블상수는 현재와 다르다는 것입니다. (여기서 허블상수가 다르다는 것은 관측상의 오차를 말하는 것이 아닙니다.) 공간의 팽창률이 일정했다면 허블상수는 우주의 크기와 대체로 반비례해서 작아지는 것으로 측정된다는 것이 저의 생각입니다. (천문학 및 천체물리학 서론이나, 기본 천문학 참조, (H=(dr/dt)/r ))

  • 14.12.16 19:30

    와우! 이 글들에 대하여 다들 생각을 해 보고 글들을 올려봐요. 이런 논의들이 정말 소중한 것 아니겠어요....!!

  • 14.12.16 19:32

    등속 운동과 후퇴 속도의 개념을 한 번 정확히 짚고 넘어가야 할 것 같습니다. 등속 운동이라 함은 한 개체의 절대 운동을 이야기하고, 후퇴 속도라는 것은 한 개체가 다른 개체에 대하여 멀어지는 움직임인 양의 운동으로 상대 운동입니다. 절대 운동과 상대 운동을 함께 놓고 생각을 한 것이 이 논의에서 가장 큰 오류라고 생각합니다.

  • 작성자 14.12.16 20:35

    우주의 나이를 구하는 식의 유도과정에서, t= d/v = d/(Hd)=1/H에서 속도 v는 후퇴속도(물론 상대속도이죠.)입니까, 아니면 공간의 팽창속도(절대속도)입니까? 여기서 v의 의미를 정확히 하고 넘어가야 할 것 같습니다. 여기서의 v는 허블이 처음으로 발견한 은하단들의 후퇴속도이죠. 그런데, 왜 등속도운동 공식(실제로 v=d/t 는 등속도운동에만 쓸수 있는 식이고, 일반적인 속도식은 ds/dt 로 정의해야 맞지요.)으로 나이를 구하는지 이유를 고민해 봐야 할 것입니다, 은하단들의 후퇴속도의 관측값이 시간에 따라 점점 커져 가지만(수능문제처럼), 어차피 거리를 평균속력으로 나누면 되니까 위의 식이 타당한 것일까요?

  • 14.12.16 20:16

    문제의 지문 (ㄷ)은 후퇴속도를 이야기하고 있습니다.

  • 작성자 14.12.16 21:15

    속력이 변해가는 은하단을 관측해서, 어떻게 우주의 나이를 (빅뱅이후의 경과시간)을 t= d/v로 구할 수 있는지, 저는 물리적으로 전혀 이해가 되지 않네요.

  • 작성자 14.12.16 21:08

    반복해서 말씀드리지만, 수능문제의 그래프만 놓고 보면, 20억년전의 과거에는 당연히 후퇴속도가 작은 것처럼 보이겠지요. 하지만 그 그래프는 오늘날 측정된 허블의 법칙과 허블상수이지, 20억년전의 허블상수는 아니라는 것입니다. 20억년전의 허블상수는 현재보다 큰 값( 단순히만 생각해도, t=1/H, 즉 t와 H의 곱은 일정하지 않나요??)이었고, 따라서 거리가 가까웠어도 큰 허블상수를 고려하면 속도는 일정하게 관측될 것이라는 것이지요.

  • 작성자 14.12.16 21:59

    공간의 팽창이 가속팽창일 경우에는 은하단의 후퇴속도가 시간에 따라 점점 커져갈 것이고, 등속팽창일 경우에는 과거나 현재나 일정할 것이며, 감속팽창일 경우에는 과거의 측정값(여기서는 아주 오래된 의미있는 과거를 말합니다.)이 현재보다 컸겠지요. 하지만, 허블의 법칙으로 우주의 나이를 구하는 기본 가정은 등속팽창우주일 경우에만 가능한 관계식이지요. ( t=d/v=1/H).

  • 14.12.17 18:41

    그린님의 논리에 따르면 은하단A(현재)와 은하단B(현재) 사이의 거리가 과거에도 동일하다는 것이 됩니다. 지구를 중심으로 놓고 생각하면 하나의 동일한 은하단의 후퇴속도 증가율이 일정합니다만, 은하단과 은하단 사이의 거리가 함께 멀어지는 것이므로 은하단A(과거)와 은하단B(과거) 사이의 거리는 은하단A(현재)와 은하단B(현재) 사이의 거리보다 더 가까워야 하는데 그린 님의 논리를 따라가면 현재나 과거나 은하단A와 은하단B 사이의 거리가 동일하게 되는 것 같습니다.

  • 작성자 14.12.17 19:32

    공간의 팽창률이 균일하다면, 관측되는 후퇴속도가 일정하더라도 은하단과 은하단 사이의 거리는 시간에 따라 증가하게 됩니다. 간단한 예로서, 어느 자동차가 등속도로 멀어진다고 했을 때, 거리는 시간에 따라 멀어지지만 관측자에 대한 자동차의 상대속도는 일정하지 않나요? 등속도 운동일 때는 상대방과의 거리가 멀어진다고 속도까지도 증가하지는 않잖아요. 마찬가지로, 공간의 팽창률이 등속이라면, 은하단 사이의 거리는 일정한 비율로 멀어지기 때문에 거리가 멀어져도 후퇴속도는 변하지 않는다는 이야기 입니다.

  • 14.12.17 18:46

    그린님의 글을 읽어 보았는데, 시간 t를 자꾸 변수로 생각하시는 것 같습니다. 그런데 여기서 t는 빅뱅시작부터 현 시점까지 걸린 시간을 의미하는 상수로 봐야하는 것이 맞지 않을까요?

  • 작성자 14.12.17 19:27

    예를 들어서, 우주의 나이를 t로 했을 때, t= 1/H로 구한다면, 과거 우주의 나이가 현재보다 적었을 때는 t가 현재보다 작았을 것이고, 그에 따른 허블상수(과거)도 현재보다 컸다는 것이죠. 즉 허블상수는 상수가 아니라 시간에 따라 변해가는 값이라는 것입니다.

  • 작성자 14.12.17 19:40

    다시 한번 차근차근 토론을 진행해 가기를 제안합니다.
    우선, 우주가 등속팽창한다고 가정했을 때, 허블상수가 상수인가요? 아니면 시간에 따라 변하는 값인가요? (즉, 과거(아주 오래 전)의 허블상수는 현재 측정되는 허블상수와 크기가 같지 않다.( 관측상의 오차를 말하는 것이 아닙니다.) )선생님들의 의견을 구하겠습니다.

  • 14.12.17 21:13

    순수한 지적 호기심에 드리는 말씀입니다. 저는 부산인데 한 번 만나서 이야기하고 싶네요. 성종규 선생님과 제가 같이 찾아가겠습니다. 글로써는 한계가 있는 것 같아서 직접 대화를 나누고 싶은데 어떠신지요? 다음 주 월~수중 갈 수 있습니다.

  • 작성자 14.12.17 22:09

    @꿈공작소 저의 황당할 수도 있는 의견에 그렇게 말씀해 주시니 저는 너무나 감사합니다. 저도 거리만 가깝다면 선생님들과 뵙고는 싶습니다. 하지만 여긴 인천입니다. (제가 프로필에 소개를 안했는데, 회원가입시 성선생님께도 양해를 구했습니다.). 방학때, 시간 내어서 자리를 마련하는 것이 어떨까 합니다.

  • 14.12.17 22:12

    @그린 방학 때 아니어도 꿈공작소님과 저는 괜찮습니다. 다음 주 어렵다면 방학 때 뵙는 것도 아무 상관이 없습니다. 지역도 관계없습니다. 일산 쪽에 일을 만들어서 가면 되니까요. 아무튼 같이 앉아서 의견을 나누는 것이 좋을 듯 싶습니다. 또한 괜찮다면 이 논의에 다른 분들의 참여도 함께 되었으면 하는 생각입니다.

  • 작성자 14.12.17 22:50

    @성종규 선생님의 지구과학에 대한 열정, 존경스럽습니다. 그리고 감사드립니다. 저도 다음주 수요일 정도면 시간이 가능할 것 같습니다만, 장소를 어떻게 정해야 할 지 모르겠습니다. 제가 멀리 갈 수 있는 입장이 안 되어서요..

  • 14.12.17 23:25

    @그린 시간과 장소를 알려주시면 인천으로 가겠습니다. 꿈공작소님도 함께 하겠습니다.

  • 14.12.18 16:23

    @성종규 다음 주 수요일은... 성탄 전야인데.... 가능할까요? 조금 늦추심이...

  • 14.12.18 16:39

    @박창용(이화여고) 그러는 것이 좋겠지요. 이 과제에 대하여 서울이나 인천이나 어디에 관계없이, 방학 때, 지구과학교사협회에서 공론을 해 보는 것으로 추진을 하는 것에 대해서는 어떻게 생각하시나요?

  • 작성자 14.12.18 19:03

    선생님들과 논의의 자리를 갖는 것은 기본적으로 찬성하고, 시기는 저도 언제든 관계없습니다. 그런데 저는 저의 제안에 대해 좀 더 많은 지구과학 선생님들께서 관심을 갖고 충분히 검토를 해 보신 다음, 관심이 있는 좀 더 많은 분들이 모여서 논의의 자리를 갖는 것도 나쁘지 않다고 생각합니다. 또한 이론적으로 문제가 없는지도 검토가 필요하고, 전문가들의 조언도 필요하다고 생각합니다. 제가 여기에 글을 올린 것은 저의 생각의 오류를 검증받고 타당도를 확인하고 싶었던 것입니다. 협회장님이 추진을 해 주신다면 저는 정말 감사하게 생각합니다.

  • 14.12.19 00:01

    협회 사무국장을 맡고 있습니다. 그린 님의 의견을 읽다 보면... 혼란스러워지는 것이 저의 현실입니다. 공론화를 위해서는 우선 그린 님의 생각을 정리한 완성된 페이퍼를 제시해주시기 바랍니다. 그 후에 공식적인 일처리가 가능할 것 같습니다. 그리고 협회 차원에서 이야기하려면 그린 님의 실명을 밝혀주시기 바랍니다.

  • 작성자 14.12.19 21:10

    @박창용(이화여고) 한글 파일 형태로 업로드 했습니다. 그리고, 실명으로 활동을 하지 못한 것은 제가 현재 현직에 있지 않기 때문에 현직교사들의 모임인 귀 카페에 누가 될까봐 였고, 다른 의도는 없었다는 것을 분명히 밝힙니다. 그리고 저 또한 선생님들처럼 지구과학이라는 과목에 대해 애정을 갖고 있고 지구과학 과목이 학교 현장에서 더욱 큰 존재감을 갖기를 바라는 평범한 선생입니다. (참고로, 저는 인천과학고에 최종적으로 재직했었고, 협회장님께는 정회원 등록을 부탁할 때, 닉네임으로 활동하는 것에 대한 양해를 구했던 것으로 기억합니다.)

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