음의질량을 통한 암흑물질(dark matter), 암흑에너지(dark energy) 가설 종합 -15 음의질량-암흑물질-암흑에너지


[ 음의 질량을 통한 암흑물질, 암흑에너지 가설 종합 ]


주초기에 음의질량과 양의질량의 쌍생성을 가정할 경우,
암흑물질(dark matter),
암흑에너지(dark energy),
인플레이션 기작,
질량밀도가 임계질량밀도에 가까운 이유,
우주상수가 작고 0 이 아닌 양의 값을 갖는 이유,
암흑에너지가 우주초기에는 인플레이션을 일으킬만큼 컷으나, 현재는 우주상수처럼 매우 작은 이유,
암흑물질이 일반물질보다 더 많은 이유,
우주 전반부의 감속팽창과 후반부의 가속팽창,
우주의 나이,
우주의 크기,
암흑물질의 대표적인 관측증거인 총알성단에서 보이는 암흑물질과 일반물질의 특성 및 배치
등이 설명되고,

현재 우주의 암흑에너지 관측값 10^(-47)GeV^4 값을 거의 정확하게 증명하였으므로,


기존에 물리학과 천문학에서 있었던, 주요한 문제들이 해결되는 것으로 보이기에 음의 질량을 대상으로한 엄밀한 관측과 계산을 수행해볼 필요가 있다고 생각됩니다.

음의 질량(Negative mass, 마이너스 질량) 문제에 있어,

1. 음의 질량은 물리학적 보존법칙과 수식을 만족하는 해입니다.
 : 에너지보존, 운동량 보존, 상대론적 에너지 관계식등 만족...
사실 음의 질량은 수식적으로나 물리학적으로나 아름다운 대칭성의 유지를 위하여 존재의 필요성이 요구되는게 더 맞는 설명일 것입니다.

총 상대론적 에너지는 위와 같이 표시되는데, 여기서 에너지 E를 구하면,
와 같고, 여기서
인 음의 값도 식의 해이기 때문입니다. 음의 질량(negative mass, 마이너스 질량)은 물리학적인 해입니다.

(비록, 위대한 디랙(P.A.M DIRAC) 또한 음의 에너지준위가 존재할 경우 마이너스 무한대 준위로의 천이에 의한 파국문제가 생길것을 우려하여, 음의 에너지 준위를 반입자(antiparticle)들이 모두 채우고 있다고 가정함에 의해서 이문제를 피하고, 이것을 통해서 반입자를 발견하는데 사용하였지만, 반입자는 실제 질량이 플러스인 상태로서 음의 에너지 해와는 전혀 상관없이 전하가 특정소립자에 좀더 독립적인 요소로서 질량은 갖지만 전하량이 다른 대상으로서 존재할 수 있는 대상이기에, 반입자는 음의 에너지해와는 관계가 없는 대상입니다.

- 아직 반입자의 질량이 음수이면서, 반중력을 발생시킬수 있는지 여부가 확실히 부정된 것은 아닌데, 만에하나 반입자가 음의 질량 또는 반중력을 행사하는 것으로 밝혀진다면 문제는 좀 달라집니다만, 현재까지 물리학계의 공식적인 입장은 반입자, 반물질은 양의 질량을 가지는 것으로 알려져 있습니다.)
포스팅 "음의 질량은 에너지가 높은 상태에서 안정하다!"참조
-http://icarus2.egloos.com/2724810

2. 음의 질량의 존재에 대한 반대논리로 사용된 마이너스 무한대 에너지 준위로의 천이문제는 발생하지 않습니다.
음의 에너지 준위가 있음에 의해서 생기는 마이너스 무한대 에너지 준위로의 천이문제란, 기존에 자연은 안정한 상태를 지향하고, 안정해 지기 위해서 에너지를 방출하며 마이너스 무한대 에너지 준위로 가기 때문에, 음의 에너지 준위는 존재할 수 없다는 내용입니다.

제가 학부과정에서 공부할 때에도, 저 또한 현대물리시간에 양자역학 시간에 책과 교수님으로부터 음의 무한대 준위로의 파국문제에 대해서 배웠고, 당시에는 그와 같은 것이 당연하지 않겠는 가? 하고 의심해 보지 않았습니다. 그러나, 제가 음의질량에 대한 글을 쓰면서 음의 질량에 대한 특성을 살펴보던중, 


조화진동자 문제를 분석하면서, 음의 질량은 에너지가 높은 상태에서 안정하다!는 사실을 깨닳게 되었습니다.
==> 이 발견은 음의 질량이 암흑물질과 암흑에너지의 근원이라는 제 가설의 주장과는 독립적으로, 매우 중요한 발견이라고 저는 생각합니다. 
첫째는, 안정한 상태가 에너지가 낮은상태라는 중요한 물리학적 명제에 대해서 다시 돌아보아야 한다는 것을 지적했고,
둘째는, 음의 질량의 반대논리로 교과서와 교수님들이 가르치고 있는 현대물리학의 결과가 잘못되었다는 것을 지적하고 있기 때문입니다. 이는 음의질량이 발견되지 않았고, 설령 앞으로도 발견되지 않더라도 순수하게 이론적으로 가치가 있는 발견이라고 생각합니다.

음의 질량이 극대점에서 조화진동(harmonic oscillation)을 한다는 사실은,
음의 질량의 경우 안정해지기 위해서 에너지가 낮은 상태를 선호하는게 아니라, 에너지가 높은 상태를 선호한다는 얘기입니다.
 
양의 질량의 경우 음의 에너지 준위로 가기 위해서는 질량 자체가 음의 질량으로 전환되지 않고는 갈수가 없으며, 음의 질량으로 전환되면 음의 질량의 법칙에 따라 에너지가 높은 상태를 점유하려고 할 것입니다. 또한, 음의 에너지 준위는 정지 질량 자체가 음의 값인 상태이기에 일반적으로 양의 질량이 음의 질량으로 변하는 이러한 질량 변환은 생기지 않을 것으로 보입니다.

결론적으로, 음의 질량의 존재를 부정하는데 사용했던 핵심논리인 마이너스 무한대 에너지 준위로의 천이 문제는 잘못된 물리학적 결론이라는 것입니다.
포스팅 "음의질량은 에너지가 높은상태에서 안정하다!" 참조
-http://icarus2.egloos.com/2724810

3. 음의 질량은 관측된 적이 없습니다.
==>그 동안 관측이 안된 것에는 음의 질량의 본질적인 특성(척력적인 특성) 때문입니다.


논문에서 설명은 II장, III장, IV장 - 음의 질량은 우주 초기에 쌍생성 과정을 통해서 탄생하였고, 양의 질량은 인력적인 상호작용으로 인하여 국소적인 영역에 뭉쳐서 은하와 은하단 구조를 형성하였으며, 음의 질량은 척력적인 특성으로 인하여 전 우주에 흩어져 있는 상태가 되었습니다. 이때 국소적으로 양의 질량이 뭉친 은하와 은하단 구조근처는 양의 질량이 음의 질량보다 더 많이 분포하게 되므로, 이곳의 음의질량은 양의 질량을 만나 쌍소멸 했을 것으로 추측합니다.

즉, 현재의 은하, 은하단 구조는 양의 질량이 음의 질량과의 쌍소멸 과정을 이겨내고 살아남은 구조라는 것입니다. 따라서, 현재 음의 질량은 은하내부가 아닌 은하외부에 주로 분포하게 됩니다. 또한 음의 질량들끼리 척력적인 효과로 인하여 은하나 별과 같은 거대 질량 구조를 이루지 못하기 때문에 그 동안 관측이 안된 것이라는 겁니다.

앞서 II장에서 살펴본 바와 같이,
1) 양의 질량 - 양의 질량 : 인력적
2) 음의 질량 - 음의 질량 : 척력적
3) 거대 양의질량(은하, 은하단) - 음의 질량 : 인력적


이와 같은 3가지 관계가 쉽게 증명이 됩니다. 이 사실을 현상에 대입해 보면,
a) 양의 질량들끼리는 인력적 상호작용이므로, 거대 질량구조인 별, 은하, 은하단을 형성합니다.
b) 음의 질량들끼리는 척력적 상호작용이므로, 거대 질량구조인 별, 은하, 은하단을 형성하지 못합니다.
c) 거대 양의 질량(은하, 은하단)은 음의 질량에 인력적인 효과를 미치기에 음의 질량이 양의 질량으로 이루어진 은하, 은하단을 둘러싸고 있는 구조를 이루게 됩니다.


이는, 암흑물질이 중력적 상호작용을 하면서도, 암흑물질만으로 이루어진 항성, 은하, 은하단 구조를 갖지 않는 것에 대한 타당한 설명을 제공해 줍니다. 또한 총알성단(Bullet Cluster)과 같은 은하단 충돌모습에서 암흑물질(Dark matter)과 일반물질(Ordinary matter)의 배치를 훌륭하게 설명해 줍니다. 총알성단의 암흑물질 관련 논문 :  http://arxiv.org/abs/astro-ph/0608407

아래그림에서, 붉은색이 일반물질의 주요한 분포이고, 파란색이 암흑물질의 주요한 분포입니다. 일반물질은 인력적 상호작용이라 가까운 쪽에 위치하고, 암흑물질은 척력적 상호작용이라 서로 먼쪽에 배치된 모습으로 볼수 있습니다. 그런 가운데에서도 암흑물질이 일반물질에 인력적인 상호작용을 받고 있기에 암흑물질이 흩어지지 않고 은하단을 둘러싸고 있는 구조가 유지되고 있는 것입니다.

fig23. MACS J0025.4-1222 Cluster - 은하단 충돌에서의 암흑물질 관련 또다른 논문
잘 안보이시겠지만, 그림에서 노란색이 일반물질의 질량분포이고(중심은 노란색 가장 작은원), 빨간색이 암흑물질의 분포입니다. 여기서도 암흑물질이 명확하게 2군데로 나누어져 있습니다. 또한 일반물질의 중심이 두 암흑물질의 사이에 있습니다. 
은하단 충돌에서의 암흑물질 관련 또다른 논문:
 http://arxiv.org/abs/0806.2320v2


이는 일반물질-일반물질/ 암흑물질-암흑물질 / 암흑물질-일반물질 이 3가지 관계가 모두 일치해야 설명될 수 있는 모습이기에, 암흑물질이 음의질량이라는 것을 시사하는 강력한 증거중의 하나로 생각합니다.

 












위의 2가지 모습또한 암흑물질과 관련된 중요한 관측결과들입니다.
앞에는 암흑물질의 원형 파문 형태로 알려져 있는데, 두은하단의 충돌에서 가운데 은하단이 일반물질과 암흑물질이 분포한 영역을 통과해 가면서, 은하단의 강력한 중력에 의해서 암흑물질이 끌려갔기에 암흑물질이 비어있는 공간이 발생된것으로 보입니다.

뒤에 사진은 암흑물질이 은하를 둘러싸고 있는 구조로서, 암흑물질이 일반물질과 인력적인 상호작용을 하거나, 암흑물질간에 척력적인 상호작용에 의해서 균일하게 분포하려는 성질로 설명이 됩니다. 또한, 일반물질(은하, 은하단)이 암흑물질에 인력적인 효과를 나타내기에, 암흑물질이 은하, 은하단을 둘러싸고 있는 구조- 빵(암흑물질)속에 건포도(은하, 은하단) 같은 구조를 만들게 됩니다.

포스팅 "음의질량과 양의질량의 운동형태- 
http://icarus2.egloos.com/2734452     
포스팅 "암흑물질의 관측증거-총알성단(Bullet Cluster)의 충돌"- 
http://icarus2.egloos.com/2721739 참조


4. 음의 질량은 관측되었다 하더라도 무시되었습니다!
기존의 물리학적 관념에서 음의 질량에 대한 관념적 거부감이 너무 컷기에 관측을 하였다 하더라도, 음의 질량을 피한 다른 설명을 시도하려고 했다는 점입니다.

그 거부감이 얼마나 큰지는,
70여 년간 검증된 아인슈타인의 장방정식(Field Equation)에서 음의 질량밀도 값이 나오자, 이를 장방정식이 틀렸다고 간주하고, 바로 우주상수(Cosmological Constant)라는 척력항을 삽입한 것으로 충분히 짐작할 수 있습니다. 

저는 [음의 질량을 통한 암흑물질, 암흑에너지 가설] 이라는 논문을 쓴 후에 2009년 7월 어떤 블로그를 둘러보던 중 HSS팀의 논문( 우주상수 Λ의 존재를 주장하는 HSS팀의 논문 :  
Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant : 이 논문은 우주의 팽창을 관측한 매우 중요한 논문입니다.)을 보게 되었습니다. 

그리고, 그 논문의 내용을 보던중에 그들이 실재로 관측한 건 음의 질량밀도 이고, 기존의 장방정식으로부터 나온 결과를 받아들일수 없었던 그들은 우주상수 Λ(람다)를 인위적으로 삽입하여 오히려 장방정식을 수정해 버렸다는 것을 알게 되었습니다.

그들은 기존의 장방정식(70년동안 옳다고 검증된 장방정식)으로 관측결과를 검토해 본 결과, 다음과 같이 음의 질량밀도 값을 구하게 되었습니다.

Ω_m = - 0.38( ± 0.22)  : HSS 팀
HSS Team :
http://arxiv.org/abs/astro-ph/9805201- 14P

Ω_m = - 0.40( ± 0.1)    : SCP 팀
SCP team :
http://www-supernova.lbl.gov
- Presentation at the January 1998 Meeting of the American Astronomical Society, (referenced in Perlmutter et al., B.A.A.S., v. 29, no. 5, p. 1351, 1997) [Preprint in PDF Format]ç= 7P

그러나, 그들은 질량이 음수값을 갖을 수는 없다고 판단하여 이 값을 버리고, 아인슈타인이 사용했다가 버렸던 우주항을 떠올려서 장방정식을 오히려 수정하고, 관측결과가 우주상수 Λ가 존재하는 증거라고 주장하게 됩니다.

알버트 아인슈타인이 자신의 인생에 있어 최대 실수라고 했던 우주항 역시 장방정식에 인위적으로 삽입되었던걸 기억하실 것입니다. 자연을 사실대로 기술하기 위해서가 아니라, 자신의 관념에 자연을 맞추려고 했기에 종국에는 문제가 된 것입니다.

장방정식에 대한 수정문제로 돌아가서, 음의 질량에 대한 거부감을 제외하고 기존의 장방정식을 수정해야 할만한 충분한 근거가 있는지여?

우주의 가속팽창을 장방정식은 음의 질량이 존재함을 말해주고 있고, 이 결과 이외에 기존의 장방정식을 수정해야 할만한 명확한 증거들이 있는지여?

물론, 다른 많은 이론들이 있긴 합니다만, 그러나 주류물리학계에서도 우주의 가속팽창이라는 관측이전에는 장방정식이 수정되어야 할 만한 충분한 이유는 없었습니다. 중력의 양자화 문제는 우주상수 람다와는 여전히 관계가 없는 문제이므로, 이문제는 사유가 될 순 없습니다.

나아가서, 우주상수가 없는 검증된 장방정식으로 부터 나온 음의 질량 밀도가 암흑물질(dark matter)과 질량밀도(mass density) 파인튜닝 문제, 우주의 감속팽창과 가속팽창 모두를 설명한다는 점입니다.

음의 질량 문제는 기존의 장방정식과 새로운 장방정식간의 문제이며, 기존의 장방정식이 음의 질량의 존재를 예언하고 있다는 점에 대해서 다시한번 생각해 보시고, 우리가 지난 70년간 검증되어 왔던 우주상수가 없는 장방정식을 너무 쉽게 포기한 것이 아닌지 한번 고민해 봐야 한다는 것입니다.


음의 질량의 존재여부를 떠나서, 우주상수 람다(Λ)는 매우 위험한 발상입니다.
우주초기부터 우주상수 람다값이 있다는 걸 주장하기에 이는 결국 초기조건이 특정하게 선택되었고, 결과적으로 신의 선택과 같은 결과 또는 인류원리로 포장된 초기조건의 미세 조정 문제를 여전히 안고 있기 때문입니다.

우주상수 람다(Λ)는 우주의 팽창을 설명하기 위한 임시 땜방입니다!
우주의 팽창이라는 1개의 문제는 해결할 수 있지만, 그것은 결국 척력을 발생시키는 우주상수가 어떤 메카니즘에 의해서 존재하는지, 왜 그러한 값을 갖게 되었는지 하는 2개의 문제를 낳았습니다. 또한 진공에너지를 통한 설명은 명확히 실패하였습니다.

우주상수 람다(Λ)의 근원으로 여겨지는 진공에너지는 물리학의 근간인 에너지보존 법칙을 위배하는 대상입니다.
물론, 진공에너지의 총량 또한 일정하고 우주가 팽창함에 따라 감소하게끔 만든 수정이론들도 있습니다만, 진공에너지의 본성은 공간이 늘어남에 따라 진공에너지도 증가하기에 에너지 보존을 깨트리는 존재입니다. 

우주상수 람다(Λ)는 직접적으로 관측되지 않았습니다.
단지 관측결과는 현재 우리 우주가 팽창하고 있다는 것을 말할 뿐, 이러한 팽창이 우주상수 람다가 존재해서 발생하는 팽창인지, 기존의 장방정식이 나타내는 음의 질량밀도가 존재해서 발생하는 팽창인지 현재 결과는 알려져 있지 않습니다.

또한, 저는 우주상수 람다가 매우 작으며 non-zero 값을 갖는 이유를 충분히 설명하였고, 우주상수 람다가 상수값처럼 보이는 이유 또한 명확히 설명을 하였습니다. 간단히 말해서 우주상수(즉, 암흑에너지항)가 중력 퍼텐셜에너지 항이기 때문에 나오는 특성들임을 설명했고, 또한 현재의 우주상수 관측값을 정확하게 증명했으므로 그 이유를 증명한 셈입니다.
포스팅 "우주의 크기와 암흑에너지" 
http://icarus2.egloos.com/2762943
포스팅 "빅뱅, 인플레이션, 우주상수의 파인튜닝에 대한 설명"  http://icarus2.egloos.com/2739777
포스팅 "암흑물질(dark matter)과 암흑에너지(dark energy)의 근원은 하나다!" -http://icarus2.egloos.com/2730334 참조.

5. 음의 질량 가설은 "우주상수가 없는 기존의 장방정식" 과 "우주상수가 삽입된 장방정식" 둘중 어떤것이 옳은 가? 하는 것을 묻고 있습니다!

음의 질량에 대한 거부감, 그리고 이것을 주장하는 일개 개인이 아니라, 다수의 물리학자들이 옳지 않겠는 가? 하는 문제에 대해서 문제를 바꾸어서 생각해보면,

70여 년간 검증된 우주상수(Cosmological Constant)가 없는 장방정식의 뒤에는 아인슈타인, 디랙, 허블, 프리드만...등 수많은 대가들이 있습니다.
또한 일치하는 수많은 관측결과들이 있습니다.

지난 12년간 지지받아온 우주상수가 들어간 새로운 장방정식 진영과 비교해서 결코 밀리지 않을 역사와 배경, 그리고 관측 결과를 가지고 있습니다!

과연,
70여 년간 굳건하게 성립하였고, 증명되었던 우주상수가 없는 장방정식이 옳을까요? 우주의 가속팽창이라는 관측결과로부터 우주상수가 들어간 장방정식이 옳을까요?

두 경우 모두, 우주의 가속팽창을 만족스럽게 설명합니다.
거기에 덧붙여서 음의 질량밀도는 암흑물질까지도 타당한 설명을 제공한다고 저는 주장하고 있습니다. 더욱이 현재의 암흑에너지의 관측값 10^(-47)GeV^4 까지도 증명했습니다.

반면에, 우주상수가 추가된 장방정식쪽은 우선 추가된 우주상수가 어떻게 존재하는지, 왜 지금과 같은 값을 갖는지를 설명해야 하는 상황에 직면하였습니다. 나아가서 암흑물질 또한 추가를 하여야 했습니다. 그리고 예측된 곳으로부터 아직 암흑물질을 관측하지 못하였습니다.

그러니, 장방정식의 결과인 음의 질량에 대해서 진진하게 생각해 봐야 하지 않을까요?

음의 질량이 관측된적이 없다는 주장에 대해서~
새로운 입자나 존재들이 항상 관측이 선행되었던 것이 아님을 우리는 여러 상황을 통해서 알고 있습니다. 반입자가 그러했고, 중성미자가 그러했고, 쿼크들도 그러했습니다.

이론적으로 예언되고 후에 실험적으로 발견된 대상들 또한 매우 많기에, 이 주장에만 매달리는 것은 옳지 못합니다.
가령, 지금의 힉스 입자는 어떻습니까? 관측되지 않았으므로, 일고의 가치도 없다고 말할수 있겠습니까? 관측을 시도해볼 필요도 없다고 말할 수 있겠습니까?

위의 설명에도 나와 있듯이, 음의 질량의 존재에 대한 관측과 관련하여, HSS팀과 SCP팀의 결과는 70여년간 옳다고 검증된 장방정식의 결과이기에 옳을 가능성이 높다고 보아야 하는 대상입니다.


음의 질량에 대한 거부감을 반영하더라도, 저는 HSS(The High-z Supernova Search)팀과, SCP(Supernova Cosmology Project)팀의 관측결과에 대해 음의 질량에 대한 관측여부가 관측: 비관측 = 50% : 50%  정도수준이라고 생각합니다.

은하단의 충돌모습에서 Bullet Cluster의 충돌모습과 MACS J0025.4-1222 Cluster 대한 관측 결과는 어떻습니까?
직관적으로, 또한 명확하게 두 성단은 암흑물질들이 분리된 모습을 보여주고 있고, 또한 암흑물질이 먼쪽에 위치하고 인력을 가진 일반물질이 가까운 쪽에 위치함을 알수 있습니다. 또한 그들이 일직선상에 위치하고 있고, 이는 암흑물질들이 서로간에 척력적인 성질을 갖고, 암흑물질이 일반물질과 인력적인 상호작용을 하면 설명될수 있는 모습입니다.

따라서, 저는 이경우 음의 질량에 대한 관측 : 비관측 = 70% : 30% 정도 수준이라고 생각합니다.

위의 두가지 사항은 음의 질량의 관측문제에 대해서도 최소한 50% 이상의 확신을 갖게 해주는 것으로 생각됩니다.


긴글 읽어주셔서 감사합니다!

"No great discovery was ever made without a bold guess."

- Sir Isaac Newton



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Hypothesis of Dark Matter and Dark Energy with Negative Mass :
http://vixra.org/abs/0907.0015


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