중력자기 효과. 프레데릭 헨리-쿠아니에의 연구, 마르세이유
중력자기 효과는 어떻게 입증될 수 있을까?
2005년 8월 15일
프레데릭 헨리-쿠아니에가 이제 자신의 연구를 소개하고 설명하는 웹사이트를 운영하고 있습니다:
http://toronto.dess-res.univ-mrs.fr/sitefred
참고 자료: http://einstein.stanford.edu 및 http://www.gravityprobeb.com
NASA의 중력 탐사선 B가 우주에서 첫 해를 마무리
먼저 이 장비의 발사 장면을 감상해 보세요. 진짜로 그 현장에 있는 듯한 느낌이 듭니다:
http://www.gravityprobeb.com/movies/launch01.mov
일반 상대성 이론은 특별한 측면을 지니고 있으며, 예를 들어 회전하는 질량이 큰 천체를 설명할 때 사용되는 '케르 메트릭'에서 이를 확인할 수 있습니다. 질량이 매우 클 경우 '프레임 드래깅'(frame-dragging)이라 불리는 현상이 나타납니다. 이는 직역하면 '좌표계의 끌림'을 의미합니다. 이는 무엇을 의미할까요? 두 질량이 스프링으로 연결된 시스템을 상상해 보세요. 이 스프링은 두 가지 방식으로 늘릴 수 있습니다:
-
시스템을 회전시킬 때. 이 경우 원심력이 나타납니다.
-
'공간 자체를 회전시킬 때'.
사실, 이 질문들은 일반 상대성 이론이 등장하기 훨씬 전부터 존재했습니다. 뉴턴은 먼저 '절대 공간'이라는 개념을 도입했는데, 이는 물질의 존재와 무관한 공간을 의미합니다. 그의 유명한 물병 실험(내 만화책 '코스믹 스토리'에 설명되어 있음)이 대표적입니다.
나중에 철학자 마흐(1883)는 공간(즉, 물체의 운동을 평가할 때 기준이 되는 '관성 기준계')이 그 안에 있는 물질의 분포에 의해 지역적으로 결정되어야 한다고 제안했습니다. 뉴턴의 주장과 반대되는 입장입니다. 마흐는 두 질량이 스프링으로 연결된 시스템을 매우 큰 껍질 안에 넣고 이 껍질을 빠르게 회전시키면, 질량 자체가 회전하지 않음에도 불구하고 '원심력'이 나타날 것이라고 주장했습니다. 그 이유는 질량이 잠겨 있는 공간 자체가 회전하기 때문이라고 설명했습니다. 1896년에 마흐는 프리드리처 형제에게 이 실험을 하도록 권유했으나, 결과는 확실하지 않았습니다.
오늘날 실험자들은 다시금 공간과 물질 사이의 관계에 대해 질문을 던지고 있습니다. 질량이 태양의 2.5배 미만인 '서브크리티컬 중성자별'(즉, 우리가 관측하는 '펄서')을 생각해 봅시다. 이 천체 주변의 시공간은 회전하지 않는 물체를 설명하는 '슈바르츠실트 메트릭'과 마찬가지로 '케르 메트릭'으로 묘사될 수 있습니다. 아인슈타인 방정식의 케르 해석을 분석하면 매우 특이한 결론들이 도출됩니다. 예를 들어, 이 천체와 같은 축을 가진 원형 궤도를 따라 움직일 때, 천체의 회전과 함께 움직이는 경우와 반대 방향으로 움직이는 경우에 빛의 속도가 달라집니다! 다시 말해, 마치 천체가 시공간을 자신과 함께 끌고 가는 것처럼 보입니다. 이 현상은 '프레임 드래깅'이라 불립니다.
중성자별에 적용되는 이 현상은 일반 상대성 이론에 따라 모든 회전하는 질량에 대해 성립해야 하며, 지구 역시 예외가 아닙니다. 다만 지구의 경우 효과는 매우 미미합니다. 지금까지는 이를 측정할 수 없었지만, 최근에야 이러한 효과를 관측할 수 있는 방법이 발견되었고, 그 결과가 바로 '중력 탐사선 B'의 발사 이유입니다. 이러한 현상을 '중력자기 효과'라고 부르며, 이는 단순한 유사성에 불과합니다. 전하가 움직일 때 자속(자기장)을 생성하듯, 일반 상대성 이론에서는 질량이 움직일 때 중력자기 효과를 생성해야 한다고 주장합니다. 이는 중력장의 변화로 나타납니다.
NASA와 스탠포드 대학이 공동으로 수행한 이 실험은 지구를 720km 고도에서 극궤도를 따라 공전하는 자이로스코프의 회전축이 미세하게 변하는 것을 측정할 수 있는 정밀도를 갖추고 있습니다. 이 실험은 지구의 존재와 회전이 시공간을 어떻게 끌어당기고 비틀는지를 보여주려는 것입니다. (사이트 dragg의 설명에서 'entrainer'는 끌다, 'warp'는 비틀다를 의미함.)
다른 예측들.
프레데릭 헨리-쿠아니에는 지중해 대학의 조교수입니다. 지난 1년간 그는 다음과 같은 논문들을 발표했습니다:
심사된 학술지에 게재됨: International Journal of Modern Physics A
[입자 및 장; 중력; 우주론; 핵물리학], Vol. 20, No. 11 (2005) 2341-2345
국제 회의 발표: 제6회 알렉산더 프리드만 국제 중력 및 우주론 회의
2004년 6월 28일 - 7월 3일, 카르제즈
헨리-쿠아니에, 프레데릭: 양자장 이론과 일반 상대성 이론에서의 음의 에너지, 중력의 어두운 면
제5회 베트남 입자물리학 및 천체물리학 회의, 하노이, 8월 5일 - 11일
헨리-쿠아니에, 프레데릭: 양자장 이론과 일반 상대성 이론에서의 음의 에너지, 중력의 어두운 면
GdR SUSY, 2004년 7월, 클레르몽-페랑
헨리-쿠아니에, 프레데릭: 양자장 이론과 일반 상대성 이론에서의 음의 에너지, 중력의 어두운 면
알베르트 아인슈타인 100주년 기념 회의, 2005년 7월 18일 - 22일, 파리
이산 대칭과 일반 상대성 이론: 중력의 어두운 면
제18회 스페인 상대성 물리학 회의, "상대성 물리학의 100년", 2005년 9월 6일 - 10일, 오비에도, 스페인
이산 대칭과 일반 상대성 이론: 중력의 어두운 면
arXiv에 게시된 프리프린트:
"이산 대칭과 일반 상대성 이론: 중력의 어두운 면"
"양자장 이론과 일반 상대성 이론에서의 음의 에너지와 시간 반전: 중력의 어두운 면"
"음의 에너지와 일정한 가속도를 가진 평평한 우주"
프레데릭 헨리-쿠아니에의 논문들은 다양한 전망을 열어줍니다. 빨간색으로 강조된 논문에서는 중력 탐사선 B가 측정한 결과를 분석 중이며, 그 결과는 약 1년간의 관측 결과 발표가 예정되어 있습니다. 이 결과들은 일반 상대성 이론에서 도출되는 예측과 크게 다릅니다.
일반 상대성 이론에는 핵심 원칙으로 여겨지는 '등가 원리'가 있습니다. 이 원리는 어떤 특별한 기준계도 존재하지 않는다는 것을 전제로 합니다. 다시 말해, 물리 법칙은 모든 기준계에서 동일한 형태를 가집니다. '기준계'란 무엇일까요? 그것은 특정 관측자와 연결된 공간과 시간의 좌표 체계입니다. 등가 원리는 특별한 관측자가 존재하지 않는다는 것을 전제로 합니다. 그러나 프레데릭 헨리-쿠아니에는 이 물리학의 기초를 도전하고 있으며, 이는 '절대 공간'이 존재한다는 의미입니다(과거에는 '에테르'라 불렸습니다). 즉, 뉴턴의 입장을 옹호하는 것이며, 아인슈타인에 반해 절대 공간에 대해 물체의 운동이 미치는 영향을 예측하게 됩니다.
그렇다면 이 '절대 공간'은 과연 무엇일까요? 그것은 우주론적인 '공간', 즉 '우주의 장소'(티레시아스가 말하듯)일 수 있습니다. 우주에는 완전한 진공이 존재하지 않습니다. 만약 별이나 은하간 물질이 없는 공간에서 1m³의 공간을 생각해 보면, 아무것도 없는 듯 보이지만 실제로는 '빅뱅의 잔재'인 광자들로 가득 차 있습니다. 실험을 해봅시다(실제로 이루어진 실험입니다). 실린더와 피스톤을 준비합니다. 피스톤과 실린더 사이의 밀봉은 매우 좋습니다. 피스톤을 갑작스럽게 당하면, 아주 미약한 누출만 제외하고는 방출된 공간이 '완전한 진공'이라고 볼 수 있습니다. 그러나 실제로는 실린더 벽면에서 방출된 광자들로 즉시 채워집니다. 벽이 일반 온도라면, 이 광자는 적외선입니다. 광자가 존재하지 않으려면 실린더가 절대 영도여야 합니다.
왜 이런 일이 일어나는지 어떻게 알 수 있을까요? 피스톤을 놓아보면, 방출된 광자들의 '복사 압력'이 피스톤을 다시 실린더 바닥으로 되돌리지 못하기 때문입니다. 이건 정말 물리학입니다.
우주 역시 비슷합니다. 벽이 없지만, 3K의 온도를 가진 '광자 기체'가 존재합니다(파장은 약 5mm). 만약 관측자가 이 거대한 광자 구름에 대해 정지해 있다면, 어느 방향으로든 보더라도 광자의 색깔이 동일할 것입니다. 우주는 그에게 등방성이 보일 것입니다. 즉, 우주가 등방적으로 보이는 특별한 기준계(특정 관측자의 선택)가 존재합니다. 반대로, 이 광자 기체에 대해 움직이면, 도달하는 방향에서는 빛이 적색편이되고, 반대 방향에서는 청색편이됩니다. 지구는 이 'CMB'(우주 마이크로파 배경복사)에 대해 시속 300km로 움직입니다.
중력 탐사선 B의 궤도는 극궤도이며, 고정된 평면에 존재합니다. 지구는 이 평면에 대해 스스로 회전하고 있습니다. 기대되는 중력자기 효과는 지구가 시공간을 끌어당기는 현상에서 비롯됩니다.
일반 상대성 이론에서는 '중력자기 효과(프레임 드래깅 효과)'는 지구의 회전 운동과 측정 장치 사이의 상대 회전 운동과 관련이 있습니다. 이것이 바로 중력 탐사선 B로 측정하고자 하는 효과입니다. 프레데릭 헨리-쿠아니에는 이 효과가 측정되지 않을 것이라고 예측합니다. 그리고 만약 어떤 효과가 관측된다면, 그 원인은 자이로스코프 측정 장치가 CMB와 같은 특별한 기준계에 대해 움직이기 때문일 것이라고 말합니다.
일반 상대성 이론에 따르면, 끌림 효과로 인해 자이로스코프의 회전축은 시간이 지남에 따라 계속해서 변위(진동)하게 됩니다. 그 크기는 연간 수 밀리초각 정도입니다.
만약 '특수 기준계 효과'(헨리-쿠아니에 효과)가 존재한다면, 이 현상은 주기적이며, 진폭은 0.04초각 정도(특수 기준계가 CMB일 경우)가 됩니다. 이 주장은 일반 상대성 이론의 전면적 재구성에서 비롯됩니다.
2005년 8월 18일. 프레데릭 헨리-쿠아니에의 메일, 그의 입장을 명확히 하기 위해:
존경하는 Jean-Pierre님께,
당신의 사이트에서 제가 제안한 모델이 예측하는 '비정상적인 중력자기 효과'에 대한 공지를 읽었으며, 이에 대해 몇 가지 보완 설명을 덧붙이고자 합니다. 다만 이 공지에 대해 약간의 경고를 해야 할 것 같습니다. 제 모델에서 중력자기 영역은 아직 완전히 명확하지 않습니다. 단지 특정한 경우, 예를 들어 유일한 특수 기준계(즉, CMB가 정지해 있는 기준계)가 존재할 때에만 일반 상대성 이론과 다릅니다. 따라서 중력 탐사선 B의 실험은 매우 중요하며, 이 실험을 통해 특수 기준계의 수와 각각의 유효 범위를 명확히 할 수 있을 것입니다. 또한 자이로스코프가 제 비국소 중력 영역이 적용되는 지역을 공전해야 하며, 이 역시 확실하지 않습니다.
제 확신은, 현재 상태에서 이 모델을 완전히 배제할 수 있는 유일한 실험은 정적 해의 '후-후-뉴턴 계수' 측정이라는 것입니다. 그러나 저는 단지 '재미로' 당신의 사이트에서 '비정상적인 중력자기 효과'를 예측하는 베팅을 시도해 보았습니다. 왜냐하면 이와 같은 예측을 하는 이론적 모델이 거의 없으며, 만약 일반 상대성 이론이 흔들린다면, 그건 정말 큰 성과일 것이기 때문입니다.
내가 자신의 사이트에서 곧바로 이러한 아이디어와 놀라운 결과들을 대중화할 예정입니다.
친애를 담아,
존경하는 Jean-Pierre님께,
당신의 사이트에서 제가 제안한 모델이 예측하는 '비정상적인 중력자기 효과'에 대한 공지를 읽었으며, 이에 대해 몇 가지 보완 설명을 덧붙이고자 합니다. 다만 이 공지에 대해 약간의 경고를 해야 할 것 같습니다. 제 모델에서 중력자기 영역은 아직 완전히 명확하지 않습니다. 단지 특정한 경우, 예를 들어 유일한 특수 기준계(즉, CMB가 정지해 있는 기준계)가 존재할 때에만 일반 상대성 이론과 다릅니다. 따라서 중력 탐사선 B의 실험은 매우 중요하며, 이 실험을 통해 특수 기준계의 수와 각각의 유효 범위를 명확히 할 수 있을 것입니다. 또한 자이로스코프가 제 비국소 중력 영역이 적용되는 지역을 공전해야 하며, 이 역시 확실하지 않습니다.
제 확신은, 현재 상태에서 이 모델을 완전히 배제할 수 있는 유일한 실험은 정적 해의 '후-후-뉴턴 계수' 측정이라는 것입니다. 그러나 저는 단지 '재미로' 당신의 사이트에서 '비정상적인 중력자기 효과'를 예측하는 베팅을 시도해 보았습니다. 왜냐하면 이와 같은 예측을 하는 이론적 모델이 거의 없으며, 만약 일반 상대성 이론이 흔들린다면, 그건 정말 큰 성과일 것이기 때문입니다.
내가 자신의 사이트에서 곧바로 이러한 아이디어와 놀라운 결과들을 대중화할 예정입니다.
친애를 담아,
2005년 8월 15일 이후 조회 수: