상대성이론이 설명하는 시간과 공간이 변화하는 메커니즘

◆ 진공 중에 있는 '장'

진공 중에는 전기장, 자기장, 힉스장이라는 장이 있습니다. 전자기파는 전기장과 자기장의 진동입니다. 전기장과 자기장의 진동이 멈추면 전자기파가 사라집니다. 따라서 공간은 '무'가 아니라 '진동하는 장'이 있습니다.

전자기파(=빛)와 마찬가지로 물질도 '공간의 장'의 진동입니다. 드 브로이는 물질을 파동으로 보았습니다. 그리고 그 파장을 λ=h/mv라고 표현했습니다. 이것을 '드 브로이 파장'이라고 합니다. 드 브로이는 입자가 '파동성'을 나타내는 것으로 생각한 것입니다. 진동하는 입자가 움직이면 그 궤적은 파동이 됩니다.

그 후 슈뢰딩거는 물질파의 파형이 정현파라는 사실을 밝혀내 '파동방정식'을 발견했고 양자역학의 건설에 중심적인 역할을 했습니다.

여기까지는 입자가 점으로 여겨졌습니다. 그러나 '점상입자'끼리는 어디까지나 접근할 수 있어 입자간에 작용하는 만유인력이 무한대가 되는 모순이 일어났습니다. 2개의 페르미 입자는 같은 장소에 겹칠 수 없는데 점끼리는 무한하게 가까워지기 때문입니다.

거기서 유가와 박사는 소립자를 점상입자가 아니라 넒이를 가진 입자라고 취급해 소립자끼리가 무한하게 접근하는 모순을 해소할 수 있었습니다.

초끈이론에서는 넒이를 가진 입자를 초끈이라고 생각했습니다. 초끈은 진동하고 있어 진동수가 많은 초끈일수록 에너지나 질량이 큰 것입니다. 이런 식으로 소립자가 진동하여 이동하면 그 궤적이 파형이 되는 원인을 알 수 있었습니다.

◆ 전자기장의 왜곡과 빛의 구부러짐

중력에 의해 이 공간의 장이 왜곡됩니다. 진동하지 않는 장은 늘어나고 진동하면 장은 작아집니다. 이 때문에 진동하는 장(질량)의 주위는 질량의 방향으로 당겨집니다. 마치 트램폴린에 볼링구슬을 놓았을 때와 같이 공간의 장은 질량이 있는 방향으로 늘어납니다.

이와 같이 전자기장이 중력에 의해 왜곡되기 때문에 전자기장의 위를 똑바로 진행하는 빛은 구부러집니다. '슈왈츠실트 반경' 위치에서 전자기장은 '0'으로 압축됩니다. 그러므로 빛은 전자기장을 통해 앞으로 나아갈 수 없고 거기에서 탈출할 수 없습니다.

◆ 힉스장의 왜곡에 의한 물질의 낙하

물질이 '힉스장'에서 움직이면 '힉스입자'가 나타나서 붙어 움직임에 어려움을 줍니다.

2개의 질량이 있으면 상대의 질량의 방향의 힉스장이 그 반대 측보다 더 늘어져 힉스장은 얇아집니다. 상대의 질량에 가까워 중력이 강하기 때문에 더 늘어나는 것입니다.

따라서 물질이 같은 거리 이동해도 나타나는 힉스입자의 수는 '상대질량의 방향으로 움직일 때 생기는 수＜반대 측의 방향으로 움직였을 때 생기는 수'가 됩니다. 즉 다른 질량이 있는 방향으로는 움직이기 쉽습니다.

입자는 위와 같이 진동하여 끊임없이 다양한 방향으로 움직이려고 합니다. 그것을 힉스입자가 멈추고 있습니다. 그 밖에 질량이 있을 때 진동하면 입자는 상대질량의 방향으로 움직이기 쉽기 때문에 상대질량의 방향으로 움직여 갑니다. 이것이 '낙하'입니다.

이와 같이 중력에 의해 공간의 장이 왜곡되므로 빛이 구부러져 물질은 낙하합니다. 전자기장이나 힉스장이라는 실체를 제외한 후에 남는 아무것도 없는 공허한 공간 그 자체는 중력에 의해서도 왜곡되지 않습니다. 왜냐하면 왜곡되는 것이 없기 때문입니다.

그리고 그 공간의 장소의 실체는 '초끈의 망'입니다. 진공 중에는 초끈이 상전이하여 연결된 초끈의 망이 있습니다. 그리고 초끈이 진동하면 빛이나 물질로 보이고 진동을 멈추면 거기는 진공으로 보입니다.

이와 같이 소립자를 점으로 생각하면 점상의 물질을 제거하면 공간에 아무것도 남지 않습니다. 즉 공간은 중력에 의해서도 왜곡되지 않고 일반상대성이론을 설명할 수 없습니다.

소립자를 진동이라고 생각하면 물질을 제거해도(=진동을 멈추어도) 나중에 지금까지 진동하고 있던 실체(초끈)가 남습니다. 그 실체(전자기장이나 힉스장)가 중력에 의해 왜곡되기 때문에 빛이 구부러져 물질은 낙하합니다. 이것으로 일반상대성이론의 공간의 왜곡을 잘 설명할 수 있었습니다.

◆ 중력으로 인한 시간 지연

강한 중력장에서는 입자가 움직이기 어렵습니다. 물질이 변화하는 것은 주로 '전자기력'에 달려 있습니다. 그리고 전자기력은 전하를 띤 입자 간을 빛이 왕복하는 식으로 생깁니다. 빛의 왕복 수에 비례한 강도의 전자기력이 생깁니다.

중력에 반대하는 방향으로 빛이 진행될 때 빛의 속도는 느려집니다. 중력의 방향으로 빛이 진행되어도 그 속도는 광속도 c인 채입니다. 그러므로 강한 중력장에서는 입자 사이를 빛이 왕복하는 데 시간이 걸립니다. 그리고 슈왈츠실트 반경 강도의 중력에서는 빛이 앞으로 진행되지 않기 때문에 입자 간을 빛은 왕복할 수 없게 되어 전자기력은 생기지 않습니다.

이와 같이 강한 중력장에서는 전자기력이 약해지기 때문에 같은 운동에너지를 얻어도 입자는 움직이기 어려워집니다. 즉 시계를 구성하는 입자가 움직이기 어렵기 때문에 중력장에서는 시계가 지연됩니다. 슈왈츠실트 반경 강도의 중력 하에서는 전자기력은 발생하지 않으므로 시계는 멈춥니다.

이와 같이 강한 중력장에서는 발생하는 전자기력이 약해지고 초당 입자의 이동거리는 짧아집니다. 그러나 시계도 천천히 시간을 가리키므로 이 시계를 사용하면 전자기력에 의해 입자는 무중력장과 같은 거리를 움직였다고 관측됩니다.
　
즉 관측자에게는 중력의 강도에 영향을 받지 않고 발생하는 전자기력의 강도는 불변입니다. 어떠한 중력장(=가속계)에서도 물리현상이 동일하게 관측되는 현상을 '일반상대성 원리'라고 합니다.

이렇게 입자가 움직이기 어려워지기 때문에 강한 중력장에서 '입자는 질량이 증가한 것처럼 행동한다'는 것입니다. 시계를 구성하는 입자의 무게가 무한대가 되면 개별 입자는 전혀 움직이지 않고 시계는 멈춥니다. 이에 따라 중력장에서는 (시계가 나타내는) 시간이 지연됩니다. 이것으로 일반상대성이론에서의 시간의 지연을 잘 설명할 수 있었습니다.

◆ 공간의 장과 정지계

그렇다면 이 '공간의 장'은 상대성이론이 부정하는 '정지계'일까? 공간에 실체가 있으면 그 실체를 정지계로 해 운동의 기준으로 삼을 수 있을 것 같습니다. 그러나 힉스장 위를 물질이 등속 직선운동을 해도 아무런 힘도 가해지지 않습니다. 즉 물질이 힉스장 위에서 정지하고 있는지 혹은 어느 방향으로 등속 직선운동하고 있는지 우리에게 알 수 있는 방법은 없습니다.

이와 같이 공간에는 힉스장이라는 실체가 있지만 그 등속 직선적인 움직임을 아는 방법은 없고 또 물리현상은 그 움직임에 무관합니다. 그러므로 힉스장이 있어도 그 위치를 특정할 수 없기 때문에 힉스장은 정지계가 아닙니다.

전기장이나 자기장도 마찬가지입니다. 전자기장 위를 물질이 어느 방향으로 어느 정도의 속도로 등속 직선운동해도 물질로부터 관측되는 전자기파(=빛)의 속도는 같습니다. 이것을 '광속도 불변의 원리'라고 합니다. 이와 같이 위치를 특정할 수 없기 때문에 전자기장은 정지계가 아닙니다.

◆ 특수상대성이론에서 시공간이 변화하는 원리

한편 특수상대성이론에서는 고속으로 이동하는 물질의 공간과 시간이 변화합니다. 즉 이동속도에 따라 관측자의 공간과 시간이 변화하는 것입니다. 관측자의 수에 따라 무수한 공간과 시간이 필요합니다. 그러나 이 우주에 공간과 시간은 하나뿐입니다. 이것을 어떻게 생각하면 좋을까요?

광속에 가까운 속도로 움직이면 물질이 점차 움직이기 어려워집니다. 그리고 광속을 초과할 수 없습니다. 그러므로 광속에 가까운 속도로 이동하면 물질은 천천히 움직이게 되어 시간의 진행이 늦어진 것 같은 현상이 일어납니다.

이것을 '고속이동에 의한 질량 증가'라고 합니다. 즉 시계를 구성하는 개별 입자가 무거워지면 시계가 천천히 시간을 가리키게 됩니다.

또한 광속에 가까운 속도로 이동하면 물질이 '로렌츠 수축'합니다. 고속으로 움직이는 관측자가 가진 눈금자는 수축합니다.

관측자가 움직이는 동안 지연된 시계와 수축된 눈금자로 빛의 상대속도(관측자로부터 빛이 멀어지는 속도 또는 관측자에 빛이 가까워지는 속도)를 측정하면 그 속도는 항상 299,790.25킬로미터/초라고 측정할 수 있습니다. 이것이 '광속도 불변의 원리'입니다.

이런 식으로 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이면 눈금자는 '로렌츠 수축'하므로 공간은 오랫동안 측정됩니다. 시계는 천천히 시간을 가리키기 때문에 시계가 나타내는 시간은 지연됩니다.

이것으로 특수상대성이론의 공간의 변화와 시각의 지연을 잘 설명할 수 있었습니다.

◆ 빅뱅과 우주공간의 팽창

우주공간은 빅뱅에 의해 팽창하고 있습니다. 빅뱅에 의해 공간의 장(전자기장이나 힉스장)이 유사팽창하고 있습니다. 천체에서 지구로 오는 빛은 팽창하는 전자기장 위를 통과하므로 그 파장이 늘어나고 적색편이합니다.

그러므로 이것은 '도플러 효과'가 아닙니다. 도플러 효과란 전해지는 매체인 공기에 대하여 음원이 멀어지면 전해지는 소리의 파장이 늘어나는 현상을 말합니다. 빅뱅에서는 광원인 천체는 매체인 공간의 장과 함께 유사팽창하므로 광원의 천체의 후퇴로 빛이 적색편이하는 것은 아닙니다. 빛의 파장이 늘어나는 이유는 천체와 지구 사이의 전자기장이 팽창하기 때문입니다.

◆ 만물의 이론

양자역학과 일반상대성이론은 모두 초끈이론에 통합되어 있습니다. 초끈이론은 여전히 발전댠계이지만 세계의 이론가는 이론의 완성에 몰두하고 있습니다. 만물을 끈이라는 하나의 실체로 풀어내는 만물의 이론이 완성될 날은 멀지 않았을지도 모릅니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 相対性理論で時間と空間が変化する仕組み
http://catbirdtt.web.fc2.com/soutaiseirironnniokeruzikuukannnohennka.html