중력자기 효과
확인될 수 있을까?
2005년 8월 15일
프레드릭 헨리-쿠아니에의 연구를 소개하고 설명하는 웹사이트가 이제 생겼다:
http://toronto.dess-res.univ-mrs.fr/sitefred
자료:
및
나사의 중력 탐사선 B가 우주에서 첫 해를 마무리
먼저 이 장치의 궤도 진입 장면을 감상해 보자. 진짜로 그 안에 있는 것처럼 느껴진다:
http://www.gravityprobeb.com/movies/launch01.mov
일반 상대성 이론은 특별한 측면을 지니고 있다. 예를 들어, 회전하는 질량이 큰 천체를 설명할 때 사용되는 '커 메트릭'에서 이를 확인할 수 있다. 질량이 매우 클 경우, '프레임 드래깅'(frame-dragging, 좌표계의 끌림)이라고 불리는 현상이 나타난다. 이는 곧 '좌표계가 끌려가는 것'을 의미한다. 이는 무엇을 의미하는가? 두 질량이 스프링으로 연결된 시스템을 상상해 보자. 이 스프링을 두 가지 방식으로 늘릴 수 있다:
-
시스템을 회전시킬 때. 이 경우 원심력이 나타난다.
-
'공간 자체를 회전시킬 때'.
사람들이 일반 상대성 이론이 등장하기 전부터 이 질문을 제기해 왔다는 점이 흥미롭다. 뉴턴은 먼저 '절대 공간'의 존재를 가정했다. 이 공간은 어떤 물질의 내용과도 독립적이다. 그의 유명한 물병 실험(내 만화 '코스믹 스토리'에 설명됨)이 그 예이다.
후에 철학자 마흐(1883년)는 공간(즉, 물체의 운동을 평가할 수 있는 '관성 기준계')이 그 안에 있는 물질의 분포에 의해 국소적으로 결정되어야 한다고 제안했다(뉴턴의 주장과 반대). 마흐는 만약 두 질량이 스프링으로 연결된 시스템을 매우 큰 껍질 안에 넣고 이 껍질을 빠르게 회전시킨다면, 그 시스템에 원심력이 나타날 것이라고 주장했다. 그러나 이 원심력은 질량 자체를 회전시키기 때문이 아니라, 그 질량이 잠겨 있는 '공간 자체가 회전하기 때문'이라고 말했다. 마흐는 1896년 프리드리처 형제에게 이 실험을 하도록 권유했지만, 그 실험은 확실한 결과를 내지 못했다.
오늘날 실험자들은 공간과 물질 사이의 관계에 대해 다시 이 질문을 제기하고 있다. 하이퍼크리티컬 중성자별(즉, 태양 질량의 2.5배 이하인)을 생각해 보자. 우리는 이 천체를 관측하고 있다(즉, '펄서'). 이 천체 주변의 시공간은 회전하지 않는 물체 주변의 '슈바르츠실트 메트릭'과 마찬가지로 '커 메트릭'으로 설명할 수 있다. 아인슈타인 방정식의 이 해인 커 해를 분석하면 매우 특이한 결론에 도달한다. 예를 들어, 이 천체와 같은 축을 가진 원형 궤도를 따라 움직일 때, 빛의 속도는 천체의 회전 방향과 일치하는지, 아니면 반대 방향으로 움직이는지에 따라 달라진다! 다시 말해, 마치 천체가 시공간을 자신과 함께 끌고 가는 것처럼 보인다. 이 현상에 '프레임 드래깅'이라는 이름을 붙였다.
중성자별에 해당하는 이 현상은 일반 상대성 이론에 따라 회전하는 모든 질량에 적용되어야 하며, 지구 역시 예외가 아니다. 다만 지구의 경우 효과는 극히 미미하다. 이전까지는 이를 측정하는 것은 불가능했지만, 최근에야 이 효과를 관측할 수 있는 방법이 발견되었고, 그 결과가 바로 '중력 탐사선 B'의 발사 이유였다. 이러한 현상을 '중력자기 효과'라고 부르며, 이는 단순한 유사성에 불과하다. 전하가 움직일 때 자기 효과(자기장)가 생기듯, 일반 상대성 이론에서는 질량이 움직일 때 중력자기 효과(중력장의 변화)가 발생해야 한다고 주장한다.
나사와 스탠포드 대학이 공동으로 수행한 이 실험은, 지구에서 720km 높이의 극궤도를 따라 공전하는 자이로스코프의 회전축이 미세하게 변화하는지를 측정할 수 있는 충분한 정밀도를 갖추고 있다. 이 실험은 지구의 존재와 회전이 시공간을 어떻게 끌고, 비틀어지는지를 보여주기 위한 것이다. (사이트 dragg의 설명에서 'entrainer'는 끌다, 'warp'는 비틀다를 의미함.)
다른 예측들.
프레드릭 헨리-쿠아니에는 지중해 대학교의 조교수이다. 지난 1년 동안 다음과 같은 논문을 발표했다:
심사된 학술지 게재 논문:
International Journal of Modern Physics A [입자 및 장; 중력; 우주론; 핵물리학], Vol. 20, No. 11 (2005) 2341-2345
국제 학술 회의 발표:
제6차 알렉산더 프리드만 국제 중력 및 우주론 회의, 2004년 6월 28일 ~ 7월 3일, 카르제즈
헨리-쿠아니에 프레드릭
QFT와 GR에서의 음의 에너지, 중력의 어두운 면
제5차 베트남 입자물리학 및 천체물리학 회의, 2004년 8월 5일 ~ 11일, 하노이
헨리-쿠아니에 프레드릭
QFT와 GR에서의 음의 에너지, 중력의 어두운 면
GdR SUSY, 2004년 7월, 클레르몽-페랑
헨리-쿠아니에 프레드릭
QFT와 GR에서의 음의 에너지, 중력의 어두운 면
아인슈타인 탄생 100주년 기념 회의, 2005년 7월 18일 ~ 22일, 파리
이산 대칭과 GR, 중력의 어두운 면
제18차 스페인 상대성 물리학 회의 "상대성 물리학 100년", 2005년 9월 6일 ~ 10일, 오비에도, 스페인
이산 대칭과 GR, 중력의 어두운 면
arXiv에 게시된 사전 인쇄본:
gr-qc/0410055
: "이산 대칭과 일반 상대성 이론: 중력의 어두운 면"
gr-qc/0404110
: "양자장론과 일반 상대성 이론에서의 음의 에너지와 시간 반전: 중력의 어두운 면"
gr-qc/0507065
: "음의 에너지와 지속적으로 가속되는 평평한 우주"
프레드릭 헨리-쿠아니에의 논문은 다양한 가능성을 열어준다. 빨간색으로 강조된 논문에서는 중력 탐사선 B가 측정한 결과와 관련된 예측들이 나와 있으며, 이 분석은 현재 진행 중이다(1년간의 관측 결과 발표는 곧 이뤄질 예정이다). 이 예측들은 일반 상대성 이론에서 도출되는 것들과 크게 다르다.
일반 상대성 이론의 핵심 원칙 중 하나는 '등가 원리'로, 이는 절대적으로 무결하다고 여겨져 왔다. 이 원리는 어떤 특별한 기준계도 존재하지 않는다고 주장한다. 다시 말해, 물리 법칙은 모든 기준계에서 동일한 형태를 가진다. '기준계'란 무엇인가? 그것은 특정 관측자와 연결된 공간과 시간의 측정 체계를 의미한다. 등가 원리는 특별한 관측자가 존재하지 않는다고 가정한다. 그러나 프레드릭 헨리-쿠아니에는 이 물리학의 기초를 도전하고 있으며, 이는 마치 '절대 공간'이 존재한다는 것을 의미한다(과거에는 '에테르'라고 불렸다). 이는 마치 뉴턴에게 옳은 말을 해주고, 아인슈타인을 반박하는 것으로, 이 절대 공간에 대한 물체의 운동에 따라 특정한 효과를 예측하는 것이다.
그러면 이 '절대 공간'이란 무엇일까? 그것은 바로 '우주론적 공간'이 될 수 있다. (티레시아스가 말하듯이, '우주가 존재하는 장소'라 할 수 있다.) 우주에는 완전한 진공이 존재하지 않는다. 만약 내가 우주에서 별이나 은하간 물질이 전혀 없는 곳에 1m³의 공간을 생각해 본다면, 이 공간은 '빅뱅의 잔재'인 광자들로 가득 차 있다. 실제로 실험을 해보자. 실린더와 피스톤이 있는 시스템을 준비하자. 피스톤과 실린더 사이의 밀봉은 매우 좋다. 피스톤을 갑자기 끌어당기면, 마찰로 인한 미세한 누출을 제외하면, 그로 인해 생긴 공간은 '진공'이 된다고 생각할 수 있다. 그러나 실제로는 실린더 벽면에서 방출된 광자들로 즉시 채워진다. 벽이 상온이라면, 방출되는 광자는 적외선이다. 광자가 전혀 없는 상태를 만들려면 실린더 전체가 절대영도여야 한다.
이 사실을 어떻게 알 수 있는가? 왜냐하면 피스톤을 놓아주면, '복사 압력'이 그를 실린더 바닥으로 완전히 되돌리지 못하기 때문이다. 이것은 정말 물리학이다.
우주 역시 비슷하다. 벽이 없지만, 3K의 온도를 갖는 '광자 기체'가 존재한다. (파장은 약 5mm이다.) 만약 어떤 관측자가 이 광자 구름에 대해 정지해 있다면, 그는 어느 방향으로 눈을 돌려도 광자의 색이 동일하게 보일 것이다. 우주는 그에게 등방성으로 보일 것이다. 따라서 우주가 등방성으로 보이는 특별한 기준계(특정한 관측자의 선택)가 존재한다. 반대로, 이 광자 기체에 대해 움직이게 되면, 도플러 효과로 한쪽 방향에서는 광자가 적색편이되고, 반대 방향에서는 청색편이된다. 지구는 이 'CMB'(우주 마이크로파 배경)에 대해 시속 300km로 움직이고 있다.
중력 탐사선 B의 궤도는 극궤도이며, 고정된 평면에 존재한다. 지구는 이 평면에 대해 자전한다. 기대되는 중력자기 효과는 지구가 시공간을 끌어당기는 결과이다.
일반 상대성 이론에서 '중력자기 효과(프레임 드래깅 효과)'는 지구의 회전 운동이 측정 장치에 대해 상대적으로 일어나는 현상과 관련이 있다. 이 효과가 바로 중력 탐사선 B로 측정하고자 하는 것이다.
프레드릭 헨리-쿠아니에는 이 효과가 측정되지 않을 것이라고 예측하며, 만약 어떤 효과가 측정된다면, 그것은 자이로스코프-측정 장치가 CMB와 같은 특별한 기준계에 대해 움직이기 때문이라고 말한다.
일반 상대성 이론에 따르면, 측정된 끌림 효과는 자이로스코프의 회전축이 시간이 지남에 따라 지속적으로 변하는 진동(프리세션)으로 나타난다. 이 효과는 연간 수 센티아크(0.01초각) 정도이다.
만약 '특별한 기준계 효과'(헨리-쿠아니에 효과)가 존재한다면, 이 현상은 주기적이며, 진폭은 0.04초각 정도가 된다(만약 특별한 기준계가 CMB라면). 이 결론은 일반 상대성 이론을 완전히 재구성하는 데서 도출된다.
2005년 8월 18일
프레드릭 헨리-쿠아니에의 메일. 자신의 입장을 명확히 하려는 의도로 작성됨.
안녕하세요, 장피에르 씨,
당신의 웹사이트에서 제가 제안한 모델이 예측하는 비정상적인 중력자기 효과에 대한 공지를 읽었고, 이에 대해 몇 가지 보완 설명을 추가하고자 합니다. 다만 이 공지에 대해 약간의 경고를 덧붙이고 싶습니다. 제 모델에서 중력자기 영역은 완전히 명확하지 않습니다. 단지 특정한 경우, 예를 들어 유일한 특별한 기준계(즉, CMB가 정지해 있는 기준계)가 존재할 때만 일반 상대성 이론과 다른 견해를 가집니다. 따라서 중력 탐사선 B의 실험은 매우 중요합니다. 이 실험을 통해 특별한 기준계의 수와 각각의 기준계가 유효한 공간 범위를 명확히 할 수 있을 것입니다. 또한 자이로스코프가 제 비국소 중력의 영역이 작용하는 지역에서 궤도를 돈다는 점도 중요합니다. 이 역시 명확하지는 않습니다.
제 확신은, 이 모델을 현재 상태에서 완전히 배제할 수 있는 유일한 실험은 정적 해의 '후-후-뉴턴 계수' 측정이라는 것입니다. 그러나 저는 '재미 삼아' 당신의 웹사이트에서 비정상적인 중력자기 효과에 대한 베팅을 해보려고 합니다. 왜냐하면 이와 같은 예측을 하는 이론적 모델이 매우 드물기 때문이며, 만약 일반 상대성 이론이 흔들린다면, 그건 정말 '잭팟'이 될 것입니다.
곧 제 웹사이트에서 이러한 아이디어와 놀라운 결과들을 대중화할 예정입니다.
친애를 담아,
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