f118

현대 천체물리학과 우주론에 남아 있는 문제들.

...이 두 학문은 말 그대로 미해결 문제들의 무게에 짓눌려 있다. 역사적으로 우주의 연구는 여러 단계를 거쳤다. 여기서 천문학의 역사를 되짚어 보려는 것은 아니다. 분광학은 물체의 조성과 온도에 관한 중요한 데이터를 얻을 수 있게 했고, 도플러 효과의 측정은 태양계 지름보다 수많은 자릿수나 더 큰 거리에서 속도장을 얻고 항성의 질량을 결정할 수 있게 했다. 거리 표준(세페이드 변광성)의 발견은 이러한 거리 측정을 우주론적 규모(5천만 광년)까지 확장할 수 있게 했다.

...미분기하학의 도구를 우주론에 적용한 것(장 방정식)은 일부 현상(우주 팽창, 국소적 상대론적 현상)을 다른 시각으로 바라볼 수 있게 했다.

...핵물리학의 발견은 항성 모형을 구축할 수 있게 했다. 그러나 위에서 보았듯이, 인간이 항성의 작동에 대해 가지고 있다고 믿었던 통제력은 갑자기 문제 제기를 당하게 되었다.

...바로 이 핵물리학은 더 먼 과거로 거슬러 올라가 예컨대 헬륨의 풍부함을 설명할 수 있게 했다.

그러나:

• 은하에 관한 이론적 모형은 전혀 없다. 이 분야에서는 경험주의 단계를 벗어나지 못했다.

• 이 물체들이 어떻게 형성되는지, 왜 다른 질량이 아니라 그러한 질량을 가지는지, 어떻게 진화하는지 알지 못한다. 강한 주변 속도를 보이는 은하 회전 곡선의 형태는 여전히 수수께끼다.

• 오로지 수치 시뮬레이션에만 기반한 나선 구조 이론들은 매우 논쟁적이다.

• 질량 측정과 측정된 속도장 사이에는 상당한 불일치가 존재한다(암흑물질 현상).

• 은하단에 관해서도 같은 불협화음이 있다.

• 매우 불규칙한 은하들이 다수 존재하는데, 이에 관해 영국 천문학자 제임스 진 경은 "그러한 형태를 보면, 그것이 우주에서 작용하는, 우리가 그 본질을 모르는 상당한 힘들 때문이라고 생각하지 않을 수 없다"라고 말한 바 있다.

• 우주론 차원에서는 우리 은하의 가장 오래된 항성들로부터 추정한 우주의 나이와 팽창 측정(허블 법칙, 허블 상수) 사이에 일정한 불일치가 존재한다.

• 은하들이 거대한 공동 주위로 분포하는, 우주의 대규모·구멍투성이 구조를 설명하지 못한다.

• 허블 법칙을 위반하는 수많은 은하 쌍들이 밝혀졌다(더 가까운 쪽이 배경에 있는 두 번째 은하보다 더 큰 적색편이를 가진다).

• 태양계 크기를 넘지 않으면서 은하 전체만큼의 에너지를 방출하는, 매우 큰 적색편이의 천체들이 발견되었다(퀘이사). 에너지원은 미지다. 일부 천문학자들은 이 천체들이 "활동 은하"(세이퍼트 은하)의 핵이라고 생각한다. 그러나 핵이 폭발 상태에 있는 듯한 "활동 은하"의 정의를 물으면, 그들은 "중심에 퀘이사를 품고 있다"라고 답한다.

• 평균적으로 하루에 하나씩, 천문학자들은 감마선 섬광을 기록한다. 메커니즘, 거리, 방출체의 본질: 미지.

• 은하와 은하단에 관련된 중력 렌즈 효과는 해당 천체들의 질량과 맞지 않는다.

• 이론은 무거운 항성의 잔해, 즉 중성자별의 존재를 예측했다. 일반적으로 어떤 천체가 선구적인 이론가에 의해 예측되면(1931년 미국인 프리츠 츠비키의 초신성처럼) 곧 여러 개, 그다음에는 수백 개가 발견되었다. 중성자별(빠르게 회전하면 소위 펄사가 된다)의 경우가 그러하다. 이들은 흔히 또 다른 항성과 짝을 이루는데, 그 항성이 보내는 질량 때문에 때때로 2.5 태양질량으로 평가되는 "임계 질량"을 넘게 된다. 이러한 조건에서 이들을 구성하는 중성자들은 서로 밀착되어 더 이상 중력을 상쇄할 수 없고 천체는 자체적으로 붕괴한다. 이 붕괴를 기술할 수 없다. 장 방정식의 해로서 구원투입된 블랙홀 모형은 거슬리는 결함을 지닌다. 그것은 다음과 같은 해다:

S = 0

즉 T = 0인 방정식의 해로, 에너지-물질 밀도가 0인 공간 영역을 기술한다. 게다가 이 모형에 반하는 것은 30년 동안 블랙홀 후보가 희귀하다는 점인데, 그럼에도 이 천체들은 갖은 용도로 동원되어 무엇이든 그리고 다른 모든 것을 "설명"하는 데 쓰인다.

• 우주론으로 돌아가, "빅뱅"이라 불리는 표준 모형은 2.7°K 복사 배경을 구성하는 원시 우주의 이 화석 흔적의 놀라운 균질성을 설명할 수 없다. 이 모형에 따르면 우주의 아주 초기에는 이웃한 두 입자가 c보다 큰 속도로 서로 멀어진다. 따라서 상호작용할 수 없다. 원시 우주는 따라서 비충돌적이었다. 그렇다면 왜 그토록 균질했는가?

• 과거로 거슬러 올라가 어느 단계부터는 시간을 정의하는 것이 불가능하다. 어쨌든 초고밀도·초고온 상태의 우주에 대한 기술은 고에너지 물리학의 현 위기에 의해 제약을 받는다.

• 아인슈타인 방정식의 해에 기반한 표준 모형은 전자기 현상을 고려할 줄 모른다. 더 일반적으로, 입자물리학과 우주의 대규모 거동 사이의 연결은 이루어지지 않았다. "Classical and quantum gravity"라는 제목의 학술지가 존재하지만, 양자화 방법은 중력으로 확장될 수 없었다. 가상의 중력자를 정의할 줄 모른다.

비물리학의 50년.

...과학의 위기는 사실 총체적이며 천체물리학과 우주론에 국한되지 않는다. 양자역학의 예측적 성공은 착각을 일으킨다. 이론의 많은 부분이 여전히 반경험적 영역에 머문다. 예컨대 입자의 질량과 전하를 연결할 수단이 전혀 없다. 입자의 질량을 예측할 줄 모른다. 쿼크 모형은 불행히도 프톨레마이오스의 주전원 모형을 닮았다. 양자역학은 태양 중성미자 결핍을 설명하는 데 무력하다.

...대다수 이론물리학자들이 현재 (다른 아이디어가 없어서) 초끈의 세계로 향하고 있지만, 이 "새로운 학문"은 30년 동안 가장 사소한 관측조차 설명하지 못했고 가장 사소한 실험조차 제안하지 못했다. (이론물리학에 대한 나름의 정의, 즉 수학에서 엄밀함을 뺀 것, 물리학에서 실험을 뺀 것을 가진) 수학자 장마리 수리오에 따르면, 우리는 방금 "비물리학의 50년"을 살았다. 그는 파인만의 1950년대 연구 이후 그 이름에 걸맞은 이론물리학의 발견은 아무것도 없었다고 본다.

...몇 년 전, 초끈에 관한 국제 심포지엄의 회의록을 보여주면서, 그는 나에게 그 심포지엄 책임자의 서두 연설 한 구절을 읽어 주었다:

• 초끈 이론이 오늘날까지 어떤 현상도 예측하지 못했고 어떤 실험이나 관측도 해석할 수 있게 하지 못했지만, 지금 발표되는 논문의 수를 고려하면 이 새로운 학문의 극심한 활기를 주목하게 될 것이다.

연구의 세계.

...전 세계에서 일하는 연구자 수는 과학사상 그 어느 때보다 많다. 예산과 기술적 수단도 상당하다. 그런데도 과학사에 이름을 남길 것이 확실한 물리학자를 한 명 지목하기란 쉽지 않을 것이다. 1895년(베크렐의 방사능 발견)과 1932년(채드윅의 중성자 발견) 사이에는 서른일곱 번의 짧은 해가 흘렀다. 이 기간을 뒤흔든 세계관의 모든 깊은 격변과 그 시대에 이름을 남긴 저명한 과학자들의 수많은 명단을 상기할 필요도 없을 것이다. 반대로, 기술적 진보(달 정복, 통신 위성, 정보기술, CD롬 등...)를 제외하고 1961년 이후 과학 무대에서 무슨 일이 일어났는가?

우리의 모든 과학은 패러다임적 갇힘을 겪고 있는 듯하다.

...수리오에 따르면, 전후에 연구 심사 시 "심사자"(해당 분야 전문가)의 독립성을 보장한다고 여겨진 동료 심사 제도의 일반화는 재앙적인 반동 효과를 일으켰다. 익명성은 가장 완전한 면책을 낳고, 언제나 거슬리는 새로운 아이디어의 봉쇄를 쉽게 만든다.

글 목차 과학 목차 홈페이지

이전 페이지 다음 페이지

과학 안내로 돌아가기 2004년 7월 1일 이후 이 페이지의 조회수: