우주의 감속팽창과 가속팽창에 대한 설명 -2 음의질량-암흑물질-암흑에너지

앞으로 몇개의 포스팅을 통하여 우주초기에 음의 질량과 양의 질량의 쌍생성을 가정할 경우,
기존의 우주론이 가지고 있었던 몇가지 중요한 문제들이 설명됨을 보이고자 합니다!

1. 우주의 시간에 따른 감속팽창과 가속팽창

2. 암흑에너지
    - 암흑에너지의 근원
    - Cosmological Constant의 파인튜닝문제(왜 우주상수(또는, 암흑에너지)값이 매우 작고, nonzero 값인가?)
    - 암흑에너지의 상전이 문제(왜 우주초기에는 암흑에너지 또는 우주상수가 인플레이션을 발생시킬 만큼 컷는데, 현재는 작은가?)

3. 암흑물질
    - 암흑물질의 실체
    - 암흑물질로 이루어진 거대 구조가(별,은하,은하단구조...) 존재하지 않는 이유, 태양계에서 암흑물질을 검출하지 못한 이유
    - 암흑물질이 일반물질보다 더 양이 많은 이유
    - 암흑물질 존재의 명확한 증거중의 하니인 총알성단의 충돌모습에 대한 설명

4. 질량밀도의 파인튜닝문제
    - 왜 현재 우리우주의 질량밀도는 임계질량밀도 근처인가?

5. 인플레이션의 원인과 자연스런 종료문제

6. 음의 질량은 관측되고 있다!
    - 음의 질량의 문제는 우주상수가 없는 장방정식과 우주상수가 있는 장방정식중 어느것이 옳은가? 하는 문제이다.

7.우주의 미래
    - 영원히 가속 팽창할것인가, 일정하게 팽창할것인가, 아님 수축할 것인가~?

8.Bigbang
    - 우리 우주의 초기에너지는 어디로부터 왔는가?
    - 우주론적으로 에너지 보존은 성립하는가?(우리우주의 초기에너지문제, 진공에너지 문제)
 

설명은 음의 질량(Negative mass, 마이너스 질량)의 본질적인 특성을 먼저 다루고, 그러한 본질적인 특성으로부터 우리 우주의 기존 현상과 관측에 대한 설명을 다루어야 겠지만,

기존의 음의 질량에 대한 퍼텐셜장벽이 너무 커서 장벽을 넘는 생각을 하기가 어려운 관계로 현상론적인 설명을 한가지 더 하여, 일말의 가능성을 좀더 증진시킨 후에, 음의 질량의 본질적인 특성을 다시 살펴보고,

그리고 궁극의 문제인 우주의 질량밀도의 파인튜닝과, 우주상수의 파인튜닝문제에 대해서 설명하도록 하겠습니다.


음의 질량에 대한 선입견을 가지고 바라보는 사람들과, 내용이 아니라 물리학자의 권위에 의해서 판단하는 사람들에게 한가지 당부를 드리고 싶습니다.

우리는 우리가 스스로 과정을 밟아서 증명한것 이외에는 어느것도 믿어서는 안되고, 저는 아직도 그러한 것이 물리학도의 기본자세라고 생각합니다.
교과서 또한 마찬가지이며, 물리학자 또한 마찬가지입니다. 그와같은 의심과 회의를 가지고 접근하다보면 경험이 쌓여서 결국 그들의(책 또는 교수님, 또는 어떤 주장) 주장중 내가 직접 검증하지 않은 사항에 대해서 얼마만큼 신뢰할수 있을지 느낌을 가지게 됩니다.
 
제가 무언가를 말했다고 해서 그것이 옳음을 보장하지 않듯이,
물리학자가 무언가를 말했다고 해서 그것이 옳음을 보장하거나 하진 않습니다. 옳은것은 그것이 물리학적으로 옳고, 수학적으로 옳으며, 자연을 제대로 기술했을때 옳을 뿐입니다.

 

암흑에너지 문제와 관련해서 어떤 논문에서 서로 다른 암흑에너지 가설중 퍼텐셜에너지를 제시한 이론들을 비교한 논문을 본적이 있습니다.

 

아래에 제목만 적어두었는데 15개쯤 됩니다. 암흑물질 관련해서도 10개 넘는 후보들이 있져~, 그들중 물론 복수의 이론이 옳을 가능성이 있지만, 하나가 옳다면 다른것들과는 대체로 양립하기 어려운 것들이므로, 나머지 이론들은 옳지않을 가능성이 높겠져~

 

결국, 나머지 14개의 이론은 틀린 이론이 되는 겁니다. 나머지 14개의 이론을 지지했던 물리학자들도 많이 있겠져~, 여기에 포함되지 못한 수많은 이론들도 물론 있구여~

 

그러니, 암흑에너지와 암흑물질에 대한 설명문제에 있어 물리학자의 권위를 언급할 필요가 없습니다. 단지 내용에 대해서 과학적으로 언급하면 될뿐입니다.


Einstein-de Sitter model

ΛCDM model

FRW model filled with n noninteracting multi-fluids...

FRW quintessence model

FRW model with generalized Chaplygin gas

FRW models with dynamical equation of state for dark energy pX = wX(a)_X and dust

FRW models with dynamical equation of state for dark energy coefficient equation of state wX = w0 + w1z

Non-flat Cardassian models filled by dust matter

Bouncing cosmological models

Randall-Sundrum brane models with dust on the brane and dark radiation

Cosmology with spin and dust (MAG cosmology)

Dvali, Deffayet, Gabadadze brane models (DDG)

Sahni, Shtanov brane models

FRW cosmological models of nonlinear gravity with matter and radiation

ΛDGP model screened cosmological constant model

 

 

이들중, 가장 성공한 이론으로 평가받는 ΛCDM model을 살펴보져~

Λ
CDM model은 은하내의 공전커브에 대한 분석으로부터 추가적인 구심력효과가 존재해야 하기에, CDM(Cold Dark Matter)이라는 암흑물질을 가정합니다. 이 암흑물질의 후보들이 여러가지 있는데, 그중 가장 가능성이 높은 암흑물질인 WIMP는 암흑물질들이 일반물질들과 중력적인 상호작용을 하면서도 암흑물질로 이루어진 별이나, 은하등을 형성한게 관측이 안되므로, WIMP(Weakly Interacting Massive Particles- 약하게 상호작용하는 무거운 입자)라는 가정을 합니다.


그런데, 우주를 가득메우고 있고, 따라서 태양계에도 존재해서 관측되어야 할 이 암흑물질을 아직 관측하지 못하고 있습니다.(30년 ~)

 

ΛCDM model에서, Λ는 우주의 가속팽창을 관측하면서, 현재까지의 중력이 오직 인력적이므로 이와 같은 가속팽창은 설명될수 없기에 도입되었습니다. 그런데 그들은 Λ의 근원이 무엇인지, 왜 이와 같이 작은 값을 갖고 있는 것인지 설명하지 못하고 있습니다. 또한 현재의 관측값을 이론적인 계산으로 유도하지도 못하였습니다.

 

Λ(우주상수)의 근원을 설명하기 위해서 진공에너지라는 가설을 제시했으나, 그값을 계산해본즉 10^117배나 크다는 것을 알게 되었고, 이역시 설명하는데 실패하였습니다. 또한 진공에너지를 통한 설명은 물리학의 근간중 하나인 에너지보존 법칙마저 위협하고 있습니다.
 
ΛCDM model에 관심을 가진 물리학자들이 얼마나 될가요?
암흑에너지와 암흑물질, 질량밀도의 파인튜닝문제, 우주의 미래에 대한 설명의 가치를 모르는 물리학자가 없기에, 물리학의 주력이 투입되었고, 이미 암흑물질은 30년이 넘게, 암흑에너지는 12년을 넘기고 있습니다.


그러나, 아직 위에서 언급한, 제가 설명하겠다고 말한 사항들에 대해서 충분한 설명을 제공하고 있지 못합니다.
우리는 아직 암흑물질을 직접 관측한바가 없고, 우주상수
Λ를 직접 관측한 적도 없습니다. 

제가 앞서 포스팅한 암흑에너지 관측값(10^(-47)GeV^4)에 대한 증명이 옳다면(
http://icarus2.egloos.com/2714697),
ΛCDM model 이 왜 그동안 성공적인 모델에 속했는지에 대한 일단의 이유를 볼수 있습니다.
제가 기술한 총 퍼텐셜 에너지식을 살펴보면,


식(89) ~ (91)식을 보시면,
U_T = ( a(t)U_+ ) + ( b(t)U_- ) = (척력적인 퍼텐셜에너지 항) + (인력적인 퍼텐셜에너지 항) 으로 되어 있고
이는 곧, U_T =  Λ   +  (일반적인 중력 퍼텐셜에너지) 로 표현이 가능하다는 점입니다. 바로 ΛCDM model처럼 일반물질에 의한 중력퍼텐셜에 척력적인 에너지항이 합쳐진 형태!

그러나, 앞서 설명드렸듯이 Λ는 상수값을 갖는 에너지이고(일부이론에서는 시간의 함수로 취급하기도 합니다.) 또한, 그 근원을 진공에너지와 같은 것에 기반하고 있는 반면에, (91)식의 의미는 입자에 기반하고 있고, 음의 질량과 양의 질량사이의 퍼텐셜에너지라고 말하고 있으며, 이는 또한 기존의 70년간 검증되고 사용되었던 우주상수가 없는 장방정식을 수정함이 없이 설명된다고 말하고 있습니다.  

ΛCDM model은 Λ(Cosmological constant)의 근원을 밝히지도, 값을 증명하지도 못한반면, 음의질량가설은 정확한 퍼텐셜의 제시와 그근원, 그리고 관측값을 증명하였습니다. 그리고, 다른 파인튜닝의 문제 즉, 우주의 질량밀도가 왜 임계질량밀도에 근접하는지와 ΛCDM model과 인플레이션 모델에서 필요로하는 암흑에너지의 상전이와 종료기작을 설명하겠다고 합니다.


제가설이 옳다고 증명되었다는 것이 아닙니다.
현시점에서 ΛCDM model 도 그리 상황이 좋은것은 아니라는 점입니다.

Λ
CDM model 은 엄밀히 말해서, 눈앞에 보이는 현상에 대해서 근원적인 설명을 제시하고 있는 이론이 아니라, 아직까지는 돌려막기를 하고 있는 이론입니다. 은하의 공전커브에 대한 분석으로부터 부가적인 구심력을 설명하기 위해서 임시로 CDM을 가정해서 위기를 넘겼습니다. 우주의 가속팽창이 관측되자 이번에는 우주상수라는 근원은 모르지만 척력항(음의압력을 가진
에너지항)을 집어넣어서 위기를 넘겼습니다.

향후, ΛCDM model쪽에서 Λ도 증명해내고, CDM의 직접관측에도 성공할지도 모릅니다. 그러나, 아직까지는~

그런데, 지금의 모습은 어떻습니까?
그렇게 해서 돌려막기를 한 부메랑이 돌아와서 이제 우리에게 다시 묻고 있습니다.
CDM이 왜 관측이 안되는 것인지를?, 우주상수의 근원을 설명하기위해서 기대었던 진공에너지로부터 왜 설명이 안되는 지를~

이와같은 과정이 잘못되었다는 것이 결코 아닙니다!
우리는 당연히 자연에 대해서 우주에 대해서 모를수 있고, 우리는 이것을 부끄럽게 생각하지 않습니다!
비록, 수없이 많은 모름속에서도 과학자들은 묵묵히 노력했고, 평생을 바쳐서 설명을 제시하지 못했다 하더라도, 후대의 인류가 이어받아 설명을 제시하였고, 그리고 그 결과 지금의 과학문명과 편리를 이루었기 때문입니다.


ΛCDM model 은 아직 하나의 가설일 뿐이며, 후보들중 좀더 유력해 보이지만, 그 유력한 이유가 ΛCDM model에서 주장하는 우주상수가 존재하기 때문이 아니라, 음의질량가설에서 제시하는 토탈퍼텐셜에너지 U_T =  Λ   +  (일반적인 중력 퍼텐셜에너지) 로부터 나오는 착시효과 일수도 있다는 점입니다. 앞서 증명한 Λ값을 보시면 그러한 가능성이 있음을 알수 있습니다.

그러니, 포스팅을 좀더 진지하게 읽어봐 주시고 판단을 내려 주십사 하는 것입니다.

우리가 현재 가지고 있는 확신할수 있는 정보는 2가지 입니다.
1. 눈에 보이는 일반물질 말고도 추가적인 중력을 발생시키는 어떤것 또는 중력효과가 있다!(부가적인 구심력 효과)
2. 우주가 가속팽창중이다.(Dark energy가 존재한다!)
 

우선,
암흑에너지의 값을 아직까지 유도하거나 증명한 물리학자가 없기에 앞서 포스팅한 저의 암흑에너지 값(10^(-47)GeV^4)의 증명은 살펴볼 가치가 있고, QFT(양자장론)의 예측값에 비추어 보면 10^(-117) ~ 10^(117) 범위 내에서 증명한 셈이므로, 우연이 아닐 가능성이 있다는 점을 염두해 둡시다!

이제, 여기에 우주론의 관측결과인 우리우주가 인플레이션 후에 대략 70억년간은 감속팽창하였고, 대략 70억년간은 가속팽창하고 있음에 대해서 설명하고, 음의질량이 갖게되는 특성에 대해서 살펴보겠습니다! 그리고, 위에서 제시한 (1)~(8)문제에 대한 설명을 제시하겠습니다.

개인적인 실력의 부족으로 인하여, 제가 할수 있는 범위내에서의 수학적인 증명을 사용하겠고, 물리학자들에게는 부족해 보이겠지만, 결과와 그 의미를 살펴보는데에는 충분하다고 생각됩니다.

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[ 우주의 감속팽창과 가속팽창에 대한 설명 ]




Figure 16. Deceleration and acceleration of the universe

 

fig.16는 현재 우주의 팽창과 관련한 그래프입니다. 현재 우리우주는 초기에 빅뱅에 의해서 팽창했던 우주가, 물질의 인력으로 인하여 감속하였고, 대략 70억년 전부터 다시 가속팽창하고 있음을 보여주고 있습니다.

  

앞서 III-1의 설명에서, 우주 초기에 음의 질량의 숫자가 양의 질량의 숫자보다 많았으므로(양의 질량은 물질 반물질 쌍소멸등을 비롯하여 복사에너지가 많았고, 질량이 결합에너지등으로 일부 전환되었기 때문임), 음의 질량의 숫자가 양의 질량의 숫자보다 많을 경우, 퍼텐셜 에너지 항이 몇 개 살아남는지 유도해 보면,

 
*양의 질량과 양의 질량 사이의 퍼텐셜 에너지는 –값 :


*음의 질량과 양의 질량 사이의 퍼텐셜 에너지는 +값 : 

*음의 질량과 음의 질량 사이의 퍼텐셜 에너지는 –값 :   

 
1) 음의 질량이 2개이고, 양의 질량이 1개

2) 음의 질량이 3개이고, 양의 질량이 1개 : U_T = (3U_+)   +  (3U_-)  = 0

3) 음의 질량이 4개이고, 양의 질량이 1개 : U_T = (4U_+)   +  (6U_-)  = -2U_+                                                       

4) 음의 질량이 4개이고, 양의 질량이 2개 : U_T = (8U_+)   +  (7U_-)  = 1U_+

                                                        

5) 일반화 하여, 음의 질량이  (n_-) 개이고, 양의 질량이  (n_+)개일 때 총퍼텐셜 에너지는 다음과 같이 주어집니다.

식(89)을 통해서, 음의 질량과 양의 질량이 개수 차이를 가질 때에, 어떤 변화를 보이는지 살펴보기 위해서, (U_-) =  - (U_+)  , (n_-) = 10,  (n_+)  = 1 ~ 10 일 때 값을 구해 보면,

위의 10개의 샘플로부터, 전체 퍼텐셜 에너지가 음의질량과 양의질량의 개수 차에 따라 어떤 경향을 보임을 알 수 있습니다.

Figure 16. Potential energy from ratio of minus mass and plus mass

 
- 음의 질량과 양의 질량 수에 따른 전체 퍼텐셜 에너지 경향 -

 

i) 음의 질량수와 양의 질량수의 특정비율(임계비율)에서 전체 퍼텐셜 에너지가 0값을 갖는다. - 우주가 평평한 상태.
(ex. (n_ - ,n_ + )=(10,6))
여기에서 주의할 점은 일반물질이 암흑물질의 60%에 해당할 때 전체 퍼텐셜 에너지가 0값을 갖는 건 아니라는 점입니다. 60%는 퍼텐셜 에너지항을 모두 동일하게 가정하고, (n_ -  ,n_ + )에서 (n_ -)를 10개로 규정함에 의해서 나온 비율입니다. n값이 증가할수록, (n_-) 와 (n_+)가 거의 같을 경우에 전체퍼텐셜 에너지는 0으로 갑니다. 퍼텐셜에너지가 0가 되는 구체적인 비율이 아니라, 어떤 특정비율에서 전체 퍼텐셜 에너지가 0값을 갖는다는 점을 기억합니다.

 

ii) 양의 질량이 전체 퍼텐셜 에너지가 0값을 갖는 숫자 미만일 경우, 전체 퍼텐셜 에너지는 음의 값을 갖는다. - 우주의 감속 팽창

   : 퍼텐셜에너지가 음의 값이라는 것은 곧, 인력이 작용한다는 소리이니, 감속팽창하겠져~
 

iii) 양의 질량이 전체 퍼텐셜 에너지가 0값을 갖는 숫자 이상일 경우, 전체 퍼텐셜 에너지는 양의 값을 갖는다. - 우주의 가속 팽창

 

iv) 양의 질량의 개수가 음의 질량 개수에 근접할수록 전체 퍼텐셜 에너지 값이 증가한다.

 

v) 음의질량 과 양의질량 쌍이 n개 있을 경우, 식(76)과 같이 n개의 양의 퍼텐셜 항이 남는다. - 우주의 최종 상태.

 

위의 76식에 n을 대입해보시면 U_T = nU_+, 값이 나옵니다.

일반적으로 음의 질량과 양의 질량쌍이 n개 탄생할 경우 양의 퍼텐셜 에너지 항은 n^2 개이고, 음의 퍼텐셜 에너지 항은 n(n-1)개이기에, 양의 퍼텐셜 에너지 항이 음의 퍼텐셜 에너지 항보다 n개가 더 많습니다. 따라서, 우주는 음의 질량과 양의 질량의 절대값이 동일하게 탄생하였다 하더라도 양의 퍼텐셜 에너지값이 존재하고 팽창합니다.


위의 분석으로부터, 현재 우주가 대략 70억년 까지는 감속 팽창을 한 반면, 70억년 이후부터 가속 팽창하는 모습에 대해서 설명을 제공할 수 있는데, 우주초기에 쌍생성된 음의 에너지와 양의 에너지의 특성으로 인하여, 음의 에너지는 대부분 음의 질량으로 전환된 반면, 양의 에너지는 양의 물질과 질량을 갖지 않는 복사에너지로 변환되었고( 물질 반물질의 쌍소멸로 인한 복사, 일반 복사, 결합에너지로 인한 질량결손), 

이시기엔 전체 퍼텐셜 에너지가 마이너스 값을 갖기에 감속팽창을 하였으며, 우주가 점점 식어감에 따라 복사는 감소하고 양의 질량을 가진 물질이 점점 증가하였기에, 우주의 전체 퍼텐셜 에너지가 0인 지점을 지나, 현재는 우주의 전체 퍼텐셜 에너지가 +값인 가속 팽창기에 들어선 것이라는 설명이 가능합니다.



- 음의 질량과 양의 질량 수에 따른 전체 퍼텐셜 에너지 경향 - 의 의미를 다시한번 살펴보셨으면 합니다.

다음번 포스팅에서는 음의 질량이 존재할 경우, 그들이 갖게 되는 근본적인 특성에 대해서 살펴보도록 하겠습니다!

http://vixra.org/abs/0907.0015


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