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다크에너지, 마이너스중력, 우주의 팽창, 우주상수, 일반상대성원리

최종 수정일: 2021년 6월 3일



지금까지 알고 있는 일반적인 개념과는 정반대의 압력(pressure) 혹은 마이너스 중력(질량이 있는 물체는 서로 인력을 작용하고 이것을 “중력”이라고 말하는데, 이러한 중력과 반대방향으로 작용하는 힘)이 아무런 물질이 없는 진공 공간에서 생성된다는 것을 상상해본적이 있는가?


도무지 알 수 없는 이러한 반발중력 (repulsive pressure or repulsive gravity)의 원인인 되는 것을 학자들은 ‘다크 에너지’ 혹은 ‘암흑에너지’라고 부르고 있다. 순전히, 그것이 무엇인지 모르기 때문에 붙여진 이름이다.


● As if you didn’t have enough to worry about, 마치 충분히 걱정할 거리가 없기라도 하듯이… (사실은 이미 너무나 많은데!)


the universe in recent decades was discovered to wield a mysterious pressure that issues forth from the vacuum of space 우주가 신비한 압력을 행사하는데, 그 압력은 ‘아무것도 없는 진공’ 빈공간에서 발생한다는 것이 최근 수십년간 발견되었다.


여기에서 ‘아무것도’는 우리가 아는 통상적인 물질을 말한다. 원자, 소립자와 그로부터 구성되는 질량이 있거나 혹은 없는 물질이다.


이러한 압력은 중력과 반대방향으로 작용하여 ‘마이너스 중력’(negative gravity)라고도 부른다. a mysterious pressure that acts opposite cosmic gravity. 그 뿐이랴, 이러한 반중력=마이너스중력=반발중력으로 인해 우주공간이 지수함수적으로 팽창하게 된다. 마이너스중력은 결국 우주에서 모든 힘의 승자가 된다. Not only that, this ‘negative gravity’ will ultimately win the tug-of-war, as it forces the cosmic expansion to accelerate exponentially into the future.



이모든 논란이 아인시타인의 일반상대성이론에서 시작되었다.

그 방정식에 무언가 잘못된 것이 있었을까... 순수 이론가였던 아인쉬타인이 무언가 (중력의 본질에 대하여 ) 잘못한 이해하거나 정식화 한 것인가.. 자연스럽게 의심이 든다.


다크에너지가 실재하는 것으로 확인되는 과정에서 실재로, 아인쉬타인 자신도 매우 혼란스러워했다. 본 장에서는 그러한 내용이 서사적으로 요약된다.


아인쉬타인이 활동한 2차세계대전 이전의 독일에서 유태인은 실험과학을 할 수 있는 여건이 주어지지 않았다. 개인적인 이유가 아니라, 그당시의 시대가 그랬던 것이다. 실험으로 증명되는 과학은 아리안족 과학자에게나 가능한 것이었다. 아인쉬타인의 사고실험(thought experiment)은 불가피한 선택이었던 것이다.


● Jewish physicists were all relegated to the lowly theorists' sandbox and left to fend for themselves. 유태인과학자들은 “천박한 이론가”들의 ‘모래주머니’(sandbox, 악전고투를 해야 하는 어려운 처지를 나타내는 단어)로 좌천되었고, 그 안에서 스스로 살아나오도록 방치되었다.


- relegate 좌천시키다. 좋지 않은 환경, 여건에 내몰리는 것을 문학적으로 표현.

- lowly theorists 2차 세계대전 이전의 독일 아리안족의 과학에 대한 시각을 차용하여 이론과학자들을 ‘천박하다’고 멸시하였던 사실을 나타내고 있다.

- left to fend for themselves 자기들이 알아서 그 한계 (실험과학이 불가능한 유태인의 처지)를 뚫고 어떻게든 살아남도록 방치되었다.


이책의 저자 Neil deGrasse Tyson은, 마이너스중력이라는 것이 워낙 이해할 수 없는 것이라서, 그러한 마이너스중력을 예견한 아인쉬타인의 일반상대성이론 GR (General Theory of Relativity)에 의한 중력의 이해가 잘못된 것이 아닌지 의심할 수 있다고 서술한다. 그러나, GR의 예측을 실험에 의해 밝히면 밝힐 수록 GR의 확장성과 일반성이 더 넓어지기만 하였다는 사실을 언급한다.


다음 문장이 그 사례이다.

Every few years, lab scientists devise ever more precise experiments to test the theory, only to further extend the envelope of the theory’s accuracy. 수년마다 더욱 정교한 실험을 통해 GR 이론이 정당한지 테스트하려고 하지만, 오히려 그 이론의 정확성에 대한 폭을 더욱 확장하기만 할 뿐이었다.

- the envelope of the theory’s accuracy 여기서, envelope는 ‘적용되는 영역, 대상’을 의미하는 단어로 사용됨; 단순히 scope보다 훨씬 많은 것을 의미.

- 위의 대표적인 사례가 2016년에 발견된 ‘중력파(gravitational wave)’이다. GR에 의해 예측된 중력파는 중력장의 심각한 섭란(간섭에 의해 크고, 격렬하며 급작스러운 변동)에 의한 시공간의 파동이다. 2016년에 관측된것은 13억광년 우주에서 2개의 블랙홀이 충돌하면서 발생한 것이었다.


Tyson은 중력파가 우주 공간으로 지구로 향하는 8억년동안 지구에서 발생한 많은 변화를 파노라마처럼 설명한다.최근 1만년동안, 인류가 언어를 발명하고 복잡한 사고를 체계화하였으며 예술과 과학을 발달시켜, 그리고 21세기 초 그들의 두뇌에 의하여 중력 파의 존재를 이론적으로 예측하게 한 그들의 두뇌에 의하여 중력 파의 존재를 이론적으로 예측하게 한 인류의 경이로운 변화에 대해서도 이야기한다. 이론적 예측이 있은 후 정확히 100년 후 실제로 중력파를 검출하게 되는것이다.


물론 아인슈타인에게도 결정적인 실수가 있었다.


당초 그가 수립한 GTR에 의하면 우주의 모든것이 중력에 의해 하나의 거대한 질량덩어리로 응축되어 (우주의 구조가 붕괴되어) 버리는 것이었는데, “우주가 평창하지도 수축하지도 않는 그저 존재하는 정적인 존재여야만 한다”는 당시의 믿음을 수학적으로 반영하기 위하여, 소위 말하는 우주 상수( Cosmological Constant, 그리스문자 람다를 대문자로 표기) 를 인위적으로 삽입했던 것.


이성적 사고에 의해 도출된 일반상대성이론 방정식에, '안정된 우주여야 한다'는 인간의 주관적인 당시의 믿음에 따라 방정식을 수정하는 오류를 저지른 것이었다. Einstein invented a universe that neither expands nor contracts, consistent with everybody’s expectations at the time


위와 같은 인위적인 방정식의 수정은, 과학역사상 가장 환상적인 실수들의 하나의 씨앗이 뿌려진 것이었다. Therein were sown the seeds of one of the most fascinating blunders in the history of science.


- Lambda는 처음 자신이 유도한 GR방정식에는 없었는데, Einstein은 " 팽창하지 않는, 고정된 우주 "를 구현하기 위해 GR (일반상대성원리) 에서 구현할수 있었던 것이다.


아인슈타인 자신도 어떠한 수치에 이름을 붙였다고 해서, 즉, 마이너스 중력을 나타내는 그의 방정식 상의 우주상수에 맞는 것이 실제의 세계에서 그에 대응할 만한 것이 아직 알려진 바 없다는 것을 스스로 알고 찜찜해 하기는 하였다. Einstein knew that lambda, as a negative gravity force of nature, had no known counterpart in the physical universe.


그런데 얼마 안 있어서 러시아의 물리학자 Alexander Friedman 은 아인슈타인 우주가 매우 불안정한 상태라는 것을 밝혀냈다. 수학적인 증명을 한 것이다. 붕괴하거나 팽창하는 그 중간상태에 매우 불안정하게 위치하고 있다는 것이다. 마치 언덕 꼭대기에 살짝 올려놓은 Ball이나, 날카롭게 깎은 심으로 세워놓은 연필과 같이 약간의 자극만 주어도 어느 한 쪽으로 급격하게 굴러 내릴 것과 같은 그러한 상태라는 것이다.

Like a ball resting on the top of a hill, awaiting the slightest provocation to roll down in one direction or another, or like a pencil balanced on its sharpened point, Einstein's universe was precariously perched between a state of expansion and total collapse.


(한순간에.. 우주상수하나 넣었을 뿐인데, 그 영향이 일파만파 되는 것을 표현)At the end of the day, general relativity described two kinds of gravity. One is the familiar kind. It also predicted another variety—a mysterious, anti-gravity pressure associated with the vacuum of space-time itself.

끌어당기는 중력, 시공간진공에서 밀어내는 반중력..아인시타인의 GTR은 이 2가지 중력을 내포하고있었다… 문제는, Alexander가 증명한 우주의 상태는, 자연계에서는 이러한시스템이 존재할수 있는게 아니라는 점이었다.. 특정한 상태로 영원히, 고정된 상태로 존재하는 것이 자연계, 물리학에서는 불가능한데, 아인시타인이 도입한 우주상수 람다가 그것을 기정사실화 하는 모순이 발생한 것이었다.


[엎친데 덮친격으로 13년후, 1929년 Edwin Hubble이 팽창우주를 입증하자 Einstein이 항복]


자연계에 대응하는 force 가 없는 (자신이 도입하기는 하였지만) "우주상수" 개념에 당혹스러워하고 있었고, 이 우주상수를 인위적으로 도입하는 바람에, Einstein 자기자신 이 팽창우주를 예측할수 있었던 기회를 놓친것도 당황스러워했던 Einstein은 이제 " 나의 가장 큰 실수 " 라고 하면서, 자신의 GR 방정식의 우주상수값을 0 으로 하여 사실상 없애버렸다. Einstein discarded lambda entirely, calling it his life’s “greatest blunder.” By yanking lambda from the equation he presumed its value to be zero,


[그런데, 아뿔싸... Einstein이 "나의 가장 큰 실수"라고 하였던 것이, 실수가 아닌 것으로 밝혀졌다. 그 스스로 우주상수를 0으로 만들어버렸는데, 그러지 말걸... 자신의 방정식에 우주상수를 넣은 것이 실수가 아니라 그것을 지운 것이 실수였다는 것이다.


우주상수가 있어야만 설명될 수 있는 물리적 현상이 관찰된 것이다. 즉, 잘 확립되고 검증된 이론에 의한 밝기보다 훨씬 희미한 심우주 초신성이 1998년에 발견된것이다 ]


그 이후 우주상수 람다가 사라졌으나, 69년후 1998년 2개의 천문학연구팀( Perlmutter & Schmidt)이 재소환하게 된다.


우주상수 값이 0 아닌경우( 반중력 )에만 설명되는 현상이 실험적으로 관찰된 것이다.


1998년, 심우주의 초신성이 계산에의한 밝기보다 훨씬 희미한것으로 관측된것이다. 당시, 초신성이론은 상당히 정확한 수학적 이론(stars가 정해진 동일한 질량을 가지고 있을 경우, 그 별들은 초신성이 되는 과정에서, 동일한 핵융합 방출 에너지량, 동일한 방출 지속시간 을 가지게 된다. 따라서, 그에 따른 밝기를 관측하면 그 초신성까지의 거리를 거의 정확히 계산해낼수 있음)을 가지고 있어서, 관측결과는 새로운 물리적 해석이 필요해졌다.


1) 새로 관측된 희미한 초신성들의 물리학적 거동이 다른 초신성들과 매우 다르거나

2) 기존 천문학이론에 의한 수학모델이 예측한 거리보다 최소한 15%이상 멀리 있어야한다.


※ 이것을 자연스럽게 설명하는 유일한 방법으로,과학자들이 한 일은, ' (아인시타인 스스로 지워버려서 먼지가 낀 ) 우주상수의 먼지를 털어내고 제자리에 가져놓는 ' 것이었다. 그랬더니, 관측에 의해 새로 알게된 우주의 상태가 아인시타인의 GTR에서 서술하는 것과 일치하였던것이다. 매우 문학적 표현이다.

The only known thing that “naturally” accounts for this acceleration is Einstein’s lambda, the cosmological constant. When astrophysicists dusted it off and put it back into Einstein’s original equations for general relativity, the known state of the universe matched the state of Einstein’s equations.


0 이 아닌 우주상수가 있을때 가능한 " 멀리있는 우주가 더 빨리 팽창"할 경우, 위 초신성밝기문제가 해결되었던 것이다. 다시 말하면, 우주상수 람다가 아인시타인이 0이라고 했지만 사실은 0이 아닌 것이라는 것이었다. 우주상수를 넣은 일반 상대성 이론에 따라 예측하는 모델이 실제의 실험으로 관측되는 우주와 정확히 일치하였던 것이다.

It turned out that the supernovas were splendid standard candles, surviving the careful scrutiny of many skeptical investigators, and so astrophysicists were left with a universe that had expanded faster than we thought, placing galaxies farther away than their recession speed would have otherwise indicated. And there was no easy way to explain the extra expansion without invoking lambda, Einstein’s cosmological constant.


→반발중력( repulsive force),반중력 ( anti-gravity, opposing gravity) 가 우주에 충만해있다고 보아야 하는 직접적인 증거가 최초로 확보된것이었다. 우주상수가 죽음에서 환생하였다. Here was the first direct evidence that a repulsive force permeated the universe,opposing gravity, which is how and why the cosmological constant rose from the dead.


아인쉬타인의 우주상수 Lambda, 즉, 마이너스 중력이 실험적으로 입증되는 사건이었다.다크에너지의 탄생이다.


현재까지 가장 정확히 관측된 결과는 다음과같다.

ㅡ 우주의 질량- 에너지 총량의 68% 가 암흑에너지이다.

ㅡ 8 7%는 암흑물질이다.

ㅡ 5 %만이 관측가능(빛,파장에반응해 측정가능;원자 / 핵반응에 관여 가능 1)한 일반물질이다.


《다크에너지의 실존에 대한 또 하나의 관측; 우주팽창지표 :오메가 》


오메가 =

( 우주의 질량-에너지 밀도 )/ (우주의 팽창이 시작되는 딱 그 정도의 질량-에너지 밀도)

= (우주의 실제 질량-에너지 밀도) / (우주의 질량-에너지 임계밀도 )


① < 1.0 : 전 공간방향으로 영원한 팽창( expands forever in every directions for all of time)..평행선 점점멀어짐 (initially parallel lines diverge )..4차원 시공간의 모양은 말안장 모양 (shape of a saddle)


② = 1.0 : 영원히 팽창하지만 딱 그정도 (the universe expands forever, but only barely so ), 평행선은 그대로 평행선유지 (preserving the initially parallel lines forever), 4차원시공간의 모양은 편평한 우주 ( a flat universe)


③ >1.0 : 평행선은 점점 가까워지다가 만나게 되고, 우주는 자기자신으로 되돌아 수축,원래의 화구로 돌아감(parallel lines converge, the universe curves back on itself, ultimately recollapsing into the fineball whence it came )


-> -> -> 현재까지 관측결과를 종합하건데, 오메가의 최대값은 0.3에 불과


→ 관측자들의 결론에 한정하여 생각한다면, 우주가 무한팽창 외길에 제대로 접어들었다. 진짜로 그렇게 보인다. Adding up all the mass and energy their telescopes could see, and even extrapolating beyond these limits, dark matter included, the biggest values from the best observations topped out at about Ω = 0.3. As far as observers were concerned, the universe was “open” for business, riding a one-way saddle into the future.


< 한편, 1978년 경부터 MIT의 Alan Guth 등 빅뱅이론가들은 오메가가 1.0 이 되어야한다는 이론을 완성 >

-> 당연히, 질량-에너지를 ( 현재 관측되는 값보다) 3배나 더 많은양이 필요한것이 문제…


이 차이를 설명하기 위해서는 " 암흑물질 " 의 양을 관측가능물질의 5~6배 많은것으로 가산해야 하였다.


※ 관측 / 실험, 이론가 그룹은 서로의 이론 / 관측결과가 잘못되었다고 믿고 있었다.

→ 그러다가, 다크에너지 ( 우주상수로 등장하는, 반발중력을 유발하는 에너지 ) 를 발견하고,, 그 값을 추가하였더니, 우주의 질량-에너지 밀도가 대폭증가해 오메가값이 1.0 에 근접하였다. 이론 / 실험, 모두만족.


다크에너지의 실존을 전제하지 않고는 실측되는 우주의 질량-에너지와 팽창우주에 필요한 질량-에너지의 차이를 설명할 수 없었다. 아무도 예측하지 못한 결과였다. Nobody had foreseen the dominating presence of cosmic dark energy,nor had anybody imagined it as the great reconciler of differences.


《그럼, 다크에너지, Dark Energy는 도대체 무엇인가? 정체가 무엇인가 ? 》


지금까지 가장 근접한 설명은 The closest anybody has come, 진공공간이 사실은 물질과 반물질이 생성과 소멸을 ( 관측되기위한 최소한 시간보다 훨씬 짧은 순간 ) 찰나 적으로 반복한다는 양자역학적 설명이다.


가상 입자들Virtual Particles가 우주공간에 가득하다는 것이고, 이들에 의해 반발중력이 발생하는 구조이다.


이들 가상입자들의 쌍은 서로 약간씩 밀쳐내는 특성이 있는데...즉, 반발압력을 가지는데...안타깝게도 이 값을 계산해보니, 실험적으로 결정된 우주상수보다 10 의 120 승 배나 컸다.


Yes, we’re clueless. But it’s not abject cluelessness. Dark energy is not adrift, with nary a theory to anchor it. 우리가 그 정체를 파악할 실마리가 없는것이 사실이지만, 전혀 그런,완전히 없는 것은 아니다. 다크에너지는 그것의 존재를 예측하거나 내포하는 방정식이 전혀 없는, 고립무원의 것이 아닌것이다. 아이시타인 GR 에 있는 우주상수와 직접연관이 있다.


다크에너지가 장차 무엇으로 밝혀질 지는 모르겠지만, 우리는 이미 그것을 측정하는 방법을 알고 있고 과거 현재 그리고 미래에 그것이 미치는 영향을 계산하는 방법을 알고 있는 것이다.

Whatever Dark Energy turns out to be, we already know how to measure it and how to calculate its effects on the past, present,and future of the cosmos.


(우주 상수 와 다크 에너지에 대한 관측과 이론이 이렇게 전개되는 상황에서) 의심할 바 없이 아인시타인의 가장 큰 실수는 그 자신이 우주상수를 0으로 하면서 “자신의 가장 큰 실수”라고 선언한 것, 바로 그 사실이라고 볼 수 있다.


이렇게 하여 DARK ENERGY가 무엇인지는 모르지만, 그 존재는 의심할 수 없게 되었다. 우주의 미래는 어찌 될 것인가


진공공간이 커질수록 반발중력은 더욱커지고, 우주는 끝없이,지수함수적으로 팽창을 계속하는것이 현재 관측된다. 우주의 모든것이 더 빨리 희박해지고 있다. 지금 밤하늘에 보이는 갤럭시도 곧 도달할수 없는 수평선너머로 사라지고, 광속보다 더 빠른속도로 모든것에서 멀어져갈것이다. Distant galaxies now visible in the night sky will ultimately disappear beyond an unreachable horizon, receding from us faster than the speed of light.


우주공간 자체가 광속보다 빠르게 팽창한다. 공간내의 물체는 광속을 초과할수 없지만. 이것을 불가능하게 하는 물리학법칙은 없다. 더 먼 미래에서는 아무도 다른 갤럭시들을 알지 못할것이다. 무한히깊은 어두운 심연만을 마주 할 것이다.


이런의미에서, 우주의 기본구성요소인 다크에너지가 우주를 이해할수없는 원인 그 자체가 된다고 말할수있다. 다크에너지가 아무것도 보이지 않게 할 것이기 때문이다.


여기에서 의문이 든다.


다크에너지로 인해 우주가 무한, 급속팽창하고 모든 것이 사라져가서, 먼 미래의 학자들이 있다면 그들은 우주의 지나온 역사에 대한 지식을 아무것도 모르거가 입증불가능 하게 되는 것과 같이, 지금 이순간도, 먼 과거에서는 존재하였으나 이미 사라져서 우리에게 접근이 허용되지 않는 우주의 기초적 구성요소가 있는것이 아닌지...우리가 사용하는 이론과 방정식에 당연히 있어야 할 것이지만 사라져서, 우리인류가 원래부터 찾을 수 없는 답을 갈구하고 있는것은 아닌지? what remains absent from our theories and equations that ought to be there, leaving us groping for answers we may never find?









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