저는 오늘 간단한 모델을 세워서, 허블법칙을 유도해 보이고, 우리가 믿어왔던 공간의 팽창과, 우주의 중심의 비존재 문제에 관하여 주류 물리학과 상치되는 주장을 하고자 합니다.
허블 법칙은 모두다 알고 있을테니 넘어가고, 허블의 관측결과를 설명하기 위해서 도입한 "공간의 팽창"이 시사하는바에 대한 물리학적인 설명은 아래 pdf 파일을 참고하시기 바랍니다.
=======주류 물리학의 설명 =======
Charles H. Lineweaver and Tamara M.Davis.
Misconceptions about the Big Bang.
http://www.mso.anu.edu.au/~charley/papers/LineweaverDavisSciAm.pdf
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[Abstract]
1920년대에 우주의 팽창이 관측된 이후, 물리학자와 천문학자들은 "공간이 팽창"한다는 관념을 물리학에 도입하였고, 많은 관측결과와 연구결과가 이것에 기반하여 쓰여졌다. 그러나, 우리는 공간이 왜 팽창하는지, 왜 특정한 속도를 갖는 것인지 설명하고 있지 못할 뿐만 아니라, 공간의 팽창을 관측한 적이 전혀 없다. 본 연구는 우주의 팽창 및 허블법칙이 공간의 팽창으로부터 기인하는 현상이 아니라, 공간속에서 은하들의 움직임에 의한 동역학적 결과임을 증명하고 있다. 우리는 가속도에 의한 효과가 초기속도에 비해서 작은 경우, 허블법칙이 항상 성립함을 확인할 수 있었다. 또한 이는 우주론적 적색편이(red shift)가 빛의 도플러 효과에 의해서 나옴을 시사한다. 공간의 팽창은 적색편이 및 scale factor와 연관되어 설명되었고, 따라서 천문학과 우주론의 많은 영역에 영향을 미치고 있다. 따라서 만일 본 발견이 옳다면, 적색편이와 scale factor 관련된 모든 사항을 재검토 해야 한다.
I. 서론
1920년대에 르미트리(Georges Lemaitre)와 허블(Edwin Hubble)에 의해서 우주의 팽창, 은하의 red shift, 그리고 지구를 기준으로 한 후퇴속도가 관측된 이후, 과학자들은 이것을 설명하기 위해서, "공간이 팽창"한다는 관념을 물리학에 도입했다.
관측된 우주론적 적색편이는 공간속에서 광원이 관측자로부터 멀어질 때 발생하는 도플러 편이와 유사하였지만, 공간자체가 팽창한다는 관념으로 대체되었다.
과학자들은 모든 원거리 은하들이 지구를 중심으로 후퇴한다는 관측결과와, 지구가 우주의 중심이 아니라는 두가지 사실로부터, cosmological red shift가 공간속에서 움직이는 은하의 Doppler shift가 아니라고 판단한 것으로 추측된다.
더욱이, 장방정식의 해로부터 스케일 팩터가 분리되어 표시되고, 이 scale factor가 공간의 팽창에 대응될수 있기에, 관측된 cosmological red shift는 공간의 팽창으로부터 기인한다고 판단하였다.
최근에 "공간이 팽창한다"는 관념과 관련하여, 다른 해석을 제기하는 연구가 있었다.
그러나, 80년이 지난 현재까지 공간의 팽창과 관련한 중요한 사항들이 증명되거나 설명된 바 없으며, 더욱이 관측결과 또한 존재하지 않고 있다.
1. 공간의 팽창은 당연한 사항이 아니다.
공간이 팽창하는 경우를 생각해보면, 아래의 세가지 경우가 있다.
(** 공간이 탄생하는 것과 탄생했던 또는 기존에 있던 공간이 팽창하는 것은 미묘하지만, 조금 다른 문제입니다.)
A. 팽창
B. 수축
C. 유지 - 팽창도 수축도 하지 않는 상태
이 세가지 상태가 가능함을 알 수 있고, 이중에 "팽창"이 가장 자연스런 값이라는 생각이 전혀 들지 않는다. 만일 어떤 힘이 존재하지 않는 다면, 어떤 물리량이 계속 동일한 값을 갖는게 자연스럽기에, "유지"가 가장 자연스런 값이다.
2. 공간이 팽창하는 경우, 공간의 팽창 속도는 -무한대부터 +무한대까지 가능하다. 이중 어떤 특정한 값을 갖어야 함에 대한 근거가 없다.
3. 우리는 공간의 팽창을 관측한 적이 없다.
"공간이 팽창한다"는 것의 물리학적 의미는, 모든 공간이 팽창한다는 의미다.
A. 원자핵과 전자들 사이의 공간도 팽창한다.
B. 태양과 지구 사이의 공간도 팽창한다.
C. 은하들 사이의 공간도 팽창한다.
위의 내용처럼, 모든 공간이 팽창함을 의미하고 있다.
공간의 팽창을 주장하는 물리학자들은, A,B,C 모두 공간이 팽창하지만,
A의 경우, 전자기력에 의해서 바인딩 되어 있기 때문에 공간이 실제로는 팽창하지만 우리가 느끼지 못하는 시간에 전자기력에 의해서 위치가 보정되고, 따라서 우리는 그 효과를 관측하지 못한다고 설명한다.
B의 경우, 태양과 지구 사이의 공간도 매초마다 팽창하지만, 태양과 지구는 중력적으로 강하게 결합되어 있기 때문에 바로 위치가 보정되어서 우리가 관측하지 못한다고 설명한다.
반면에 C의 경우, 은하들 사이의 공간도 팽창하지만, 그들은 중력적인 바인딩이 약하기에 공간의 팽창은 C의 경우에만 나타난다고 설명한다.
매우 그럴듯한, 있음직한 설명이다.
그런데, 이것은 허블법칙에 대한 가능한 설명이지만, 이것이 우리가 "공간의 팽창"을 관측한 것이 아님은 분명하다.
즉, 우리는 전자와 양성자 사이의 공간 팽창을 직접 관측한 적이 없고, 이때 위치 보정에 소요되는 에너지 손실을 측정한 적도 없으며, 지구와 태양 사이에서도 측정한 적이 없다.
4. 공간의 팽창은 에너지를 보존하지 않는 현상으로 보인다.
공간 자체의 팽창에 의해서 광자의 적색편이가 발생하고, 이 적색편이시에 광자가 잃게 되는 에너지에 대해서 현재의 일반적인 설명은 이 에너지가 어디로 사라지는지 설명을 제시하지 못하는 것으로 보인다.
5. 우주의 팽창은 공간의 팽창과 동일한 관념이 아니다.
우주가 팽창한다는 사실은 은하들간의 거리가 멀어짐을 시사한다. 이것은 은하들간의 공간이 팽창함에 의해서 설명될 수도 있지만, 공간은 팽창하지 않는 상태에서, 은하들이 +r방향의 초기속도를 갖고 있을 때에도 설명 가능하다.
6. 풍선의 비유는 4차원 또는 2차원적인 비유이지만, 우리가 관측한 허블법칙은 3차원 공간에서의 관측사항이다.
풍선의 비유는 현학적인 설명일 뿐, 정확한 설명이 아니다.
본 논문에서 우리는 허블법칙이 3차원에서 은하들의 동역학에 의한 자연스런 결과임을 증명하고, 모든 원거리 은하들이 지구를 중심으로 후퇴속도를 갖는다는 사실을 증명하고자 한다.
II. 동역학을 통한 허블 법칙 증명
1. 우주 초기 인플레이션이 끝난 시기에 입자들이 어떤 속도를 갖게 되었다.
우주 초기 인플레이션이(우주 초기의 어떤 가속팽창을 의미함) 끝난 시기에 입자들이 어떤 속도를 갖게 되었고, 이 속도 분포는 자연스럽게 우주의 중심에서 먼 곳 일수록 속도가 크고, 중심에서 가까운 곳일수록 속도가 작은 형태를 갖게 되었다.
적색의 화살표는 입자들의 속도 벡터를 표시한 것이다. 중심에서 멀수록 속도 벡터의 크기가 큼을 알수 있다.
A. Zero Energy 상태에서의 빅뱅 시뮬레이션
http://www.youtube.com/watch?v=vYEPbCpkLa8
우주 초기에 입자들의 속도가 0에서 시작할 지라도, 가속팽창(inflation)에 의해서 중심에서 먼 지역은 더 높은 속도를 갖는 입자들이 있고, 중심에서 가까운 쪽의 입자들은 상대적으로 낮은 속도를 갖는다.
시간이 지나 양의 질량들이 수축하면서 은하를 형성할 때, 운동량이 보존되야 하기에, 우주 중심으로부터 먼곳일수록 더 높은 초기속도를 여전히 갖고 있게 된다.
B. 3차원, 팽창하는 우주에서 속도의 자연스런 분포
다른 방식으로 생각해 보면, 3차원적 우주를 3등분하여 (중심에서) 먼지역, 중간지역, (중심에서) 가까운 지역으로 구분해 보면, 먼지역의 속도가 중간지역보다 설령 낮더라도, 시간이 흐르면, 중간지역의 입자들의 속도가 더 크기에 중간지역의 입자들이 먼지역의 입자들을 추월하게 될 것이다. 결국, 입자들의 속도 분포는, 중심에서 먼지역의 속도가 가장 크고, 중간지역이 두번째고, 중심에서 가까운 지역이 세번째가 되는 정렬 상태가 되게 될 것이다.
C. 3차원에서 어떤 반중력원이 존재할 때 속도분포
3차원에서 어떤 반중력원 M이 균일밀도 ρ를 가지고 분포할 때, 위와 같은 속도분포를 갖을 수 있다.
즉, 우주 초기에 인플레이션과 같은 가속팽창 시기에 반중력원 또는 반중력 효과가 균일 분포한다면, r이 커질수록 더 큰 가속도 a가 존재하고, 따라서 속도분포 또한 우주의 반경이 클수록 더 큰 속도를 갖게 된다. 결국, 인플레이션이 끝난 후에 우주의 중심으로부터 먼지역의 은하 일수록 높은 속도를 갖게 된다.
위의 3가지 설명은, 우주 초기에 인플레이션이 끝난 후에 R(우주의 중심으로부터의 거리)이 클수록 큰 속도를 갖는 게 이상한 현상이 전혀 아니라는 것이다. 우주 초기 작은 영역에 속력이 0부터~ c까지 분포하고 약간의 시간이 경과한다면, 속도분포는 위와 같이 정렬될 것이기 때문이다.
2. 팽창하지 않는 공간에서 허블 법칙의 유도
이제, 입자 또는 은하들이 위와 같은 속도분포를 갖는 상태에서 우주가 70억년 전까지는 감속팽창한 것으로 보이고, 대략 70억년 동안은 가속팽창한 것으로 보이기에, 간단한 모델을 만들어 보자.
은하 a가 있고, 은하 b가 있다.
은하 a의 속력=V_a1, 거리=S_a1은하 b의 속력=V_a2, 거리=S_b1
A. 감속팽창 시기
우선 본 모델의 가능성을 살펴보기 위해서 V_a1과 V_b1의 방향이 같은 경우를 살펴 보자.
,
-a1= 어떤 미지의 에너지원으로부터(아마도 중력) 발생하는 힘에 의한 가속도로써, 우주의 전반부에 감속팽창의 시기가 있었던 것으로 보이기에 이때의 감속팽창의 가속도이며( 따라서 -a1), 실제로는 시간의 함수이다. 문제를 간단하게 하기 위해서 여기서는 상수값으로 두고 문제를 풀 예정이다.
t1 = 우주가 감속 팽창했던 총시간
B. 가속팽창 시기
감속팽창이 끝난 후에, 가속팽창의 시기가 있었기에, 이때의 가속도를 a2라고 두고, 이때의 가속팽창의 지속시간을 t2로 설정한다.
따라서, 위 모델이 간단한 수식을 내포하고 있지만, 가능성을 갖고 있음을 알 수 있다.
즉, 은하들간의 후퇴속도 및 허블법칙이 "공간의 팽창"이라는 어떤 모호한 개념 (경험한 적이 전혀 없는 미지의 개념) 으로 부터 나오는 것이 아니라, R=V_0t + ∬a(t)d^2t 라는 간단한 운동방정식로부터 나올 가능성을 시사해 주고 있다.
R=V_0t + ∬a(t)d^2t 에서, a(t)가 작다면, 이것으로부터, V_rel=(1/t)R_rel=HR_rel 형태의 허블법칙이 나오기 때문이다.
D. "모든 은하들이 우리로부터 멀어지고, 모든 은하들이 허블법칙에 의한 후퇴속도를 갖는 다!"는 관측결과는 공간의 팽창으로부터 나오는 것이 아니라, 은하들이 보이는 동역학의 결과이다.
Fig2. 모든 은하들이 지구를 중심으로 후퇴한다는 허블의 관측 결과
물리학자와 천문학자들이 공간의 팽창을 도입한 데에는 위의 관측결과에 대한 해석 문제가 가장 크게 작용한 것으로 추측된다.
지구에서 관측했을 때, 우리가 관측하는 모든 은하들이 지구로부터 멀어짐이 관측되고 있고, 이때, 후퇴속도 또한 모두 V=HR 의 관계가 성립하는 것으로 보였기 때문이다.
이것을 설명하기 위해서, 지구가 어떤 팽창의 중심, 즉 우주의 중심이면 이 문제가 심플하게 해소되지만, 그동안의 우주에 대한 관측으로부터, 우리는 지구가 우주의 중심이 아님을 명확히 알 수 있다.
지구는 태양계의 중심도 아닌, 하나의 행성에 불과하고, 태양계도 우리 은하계의 중심이 아님이 명확하기 때문이다.
따라서, 물리학자와 천문학자들은 이것을 설명할 길을 찾아야 했고, 이것을 동역학적으로 설명할 수 없자, "공간이 팽창"한다는 새로운 관념을 도입하였다. 좀더 정확히는 허블의 관측 결과가 팽창의 중심이 아닌 곳에서는 당연히 성립하지 않을 거라는 고정관념이 작용한 것으로 추측된다.
1) 허블법칙의 증명
i)V_E0, V_α0 >>-a1t1+a2t2 : 초기 속력이 감속과 가속에 의한 속력 변화량보다 아주 클때
* 우주 초기에 인플레이션 시기가 있었을 가능성이 높기에, 인플레이션 후 입자들이 높은 속력을 갖게 되고, 따라서 이들로 이루어진 은하 또한 높은 속력을 갖고 있게 된다.
* -a1t1+a2t2 ~ 0 : 감속과 가속에 의한 속도 변화량이 서로 상쇄될 때
(특이하게도, 현시점의 우주가 이에 근접하는 것으로 보인다. 천문학책의 기술내용을 보면, 인용문구 : "t=0.993t_H로, 현재 시기에, 복사시기와 물질시기 동안의 감속효과와 Λ시기의 가속효과가 거의 상쇄되어, 우주의 나이는 팽창률이 늘 일정하다고 가정하여 계산한 값과 거의 같다.")
* Zero Energy Universe : 원론적으로 총에너지가 0 이기에 감속과 가속항이 작다.
ii) t1=t2, a1=3a2 인 조건에서 허블 법칙이 성립한다.
현재 관측결과로부터 감속팽창한 기간과 가속팽창한 기간이 거의 비슷하기에, t1=t2로 둘 수 있다.(이 조건은 공간의 팽창을 가정한 상태에서 얻은 결과이다. 따라서 본 논문의 결과가 옳다면 수정될 수도 있다.)
따라서, 허블법칙이 성립함을 알 수 있다.
위식의 의미는 세타가 어떤값(0~2π) 이던지 성립한다는 의미이다.
3. 증명의 직접적 의미
A. 허블법칙은 3차원 공간에서, 은하들의 초기속력이 감속과 가속에 의한 속도 변화량보다 아주 클 때( 같은 의미로, 감속과 가속에 의한 속도 변화량이 초기속력에 비해서 작을 때), 허블법칙은 상당히 넓은 영역에서 성립한다.
B. t1=t2, a1=3a2인 조건에서 허블법칙이 성립한다.
이것의 의미는, 초기 속도가 감속과 가속에 의한 효과보다 훨씬 크지 않을지라도, 어떤 특정한 조건하에서 허블법칙이 성립할 수 있다는 의미이다.
C. 지구가 우주의 중심이 아님에도 불구하고, 모든 은하들이 지구로부터 멀어지는 이유를 설명하기 위해서 반드시 믿음("공간의 팽창"과 같은 우리가 경험해 보지 못한 어떤 것)이 필요한 것은 아니다.
III. 증명이 포함하고 있는 의미
허블법칙은 "우주의 중심" 과 같은 특별한 조건이나 "공간의 팽창"과 같은 우리가 경험하지 못한 어떤 새로운 관념에 의해서만 설명되는 사항이 아니다.
허블법칙은 팽창하는 우주에서 가속도의 변화가 작을 때, 거의 대부분의 지역에서 성립하는 동역학의 결과이다.
1. -a1과 +a2가 시간 및 공간의 함수일지라도, 감속팽창에 의한 효과와 가속팽창에 의한 효과(∫-a1(t)dt +∫a2(t)dt)가 은하들의 초기속도에 비해서 작을 때 항상 허블법칙이 성립한다.
우리는 허블법칙을 유도하기 위해서, 전반부의 감속팽창과 후반부의 가속팽창을 가정했다. 이과정에서 -a1과 a2를 상수로 설정했다. 그러나, 엄밀히 말해 a1과 a2는 시간의 함수이다. 또한 공간의 함수일수도 있다.
좀더 직관적인 설명으로는
팽창하지 않는 공간에서, 우주가 팽창할 때(즉, 은하들이 +r방향의 속도를 갖고 있고, 가속도에 의한 효과가 작을때) A–E1, B-E1, C-E1 가, 각각 A'-E2, B'-E2, C'-E2로 변하게 되고, 은하들간의 거리가 완전히 동일한 비율만큼 늘어난다는 것을(빨간색 선을 주시하시기 바랍니다.) 직관적으로 확인할 수 있습니다. 즉, E1, E2에 존재하는 관찰자는 “모든 은하들이 자신들을 중심으로 후퇴하며, V=HR의 관계식이 성립한다고 추정하게 될 것입니다.
위 설명은 “공간은 팽창하지 않으면서, 은하들이 +r방향의 속도를 갖고 있을 때에도” V=HR 형태의 허블 법칙이 성립할 수 있다는 것을 쉽게 추론할 수 있습니다. 이것은 “공간이 팽창한다”는 우리가 경험한적이 전혀없는 관념에 대해서 우리가 의구심을 가져야 한다는 것입니다. 참고로, +r방향의 속도는 우주 초기의 가속팽창(인플레이션)이나, 최근의 암흑에너지에 의한 반중력적인 효과에 의해서 갖을 수 있습니다.
2. 감속팽창에 의한 효과와 가속팽창에 의한 효과가 어떤 특정한 비를 갖을 때, 허블법칙이 성립할 수 있다.
예를 들어t1=t2, |-a1|=3a2
3. 허블법칙은 공간의 팽창으로부터 나오는 것이 아니라, 개별 은하들의 속도로부터 기인한 동역학의 결과이다.
4. 따라서 적색편이는 빛의 도플러 편이에 의해서 나오고, 기존의 적색편이 관련식이 수정되어야 함을 시사한다.
두식은 가까운 은하들에서는 비슷한 결과를 보여주나, 원거리 은하들에서는 달라진다고 한다.
**그러나, 고전적인 도플러 쉬프트식에 몇가지 추가적으로 고려해야할 사항이 있는 것으로 보이는데,
1) 현재 우주는 가속팽창하고 있는 것으로 보이고, 이와 같은 결과가 도플러 편이에 미치는 영향을 고려해야 한다.
2) 우주의 중심으로부터의 구형 팽창에 의한 효과를 고려해야 하는 것으로 추정된다.
3) 우리는 원거리 은하의 속력을 직접 관측하지 못하고, 적색편이로부터 이것을 유추한다. 그런데, 이때 R=1/(1+z)의 관계를 이용하는데, 이식은 "공간이 팽창한다"는 가정으로부터 유도된 식이다. 만일 "공간이 팽창하지 않는다면~" 이식은 불완전하게 되고, 따라서, 이들과 관계된 기존의 거리나 속도값도 영향을 받게 된다. 이것을 고려해야 한다.
4) 중력적 적색편이나 상대론적 효과들
5. 적색편이는 우주의 거리를 재는 자의 역할을 하였는데, 만일 본 모델이 옳다면 기존의 자가 부정확함을 시사하고, 이는 기존에 적색편이를 통해 기술된 모든 데이터를 다시 검토해야 함을 시사한다.
6. 우리는 우주의 중심을 정의하고 찾을 수 있다. (절대 좌표계의 부활)
균일성과 등방성 및 중력의 r에 대한 의존성 등을 고려하면, 중심 방향일수록, 허블법칙이 잘 성립할 것이다. 지구를 중심으로 여러개의 직선을 긋고, 그 직선상의 은하들을 일정한 간격으로 관측한다. (ex. 20억,40억,60억,80억,100억 광년),
이중 편차가 가장 작은 방향에 우주의 중심이 위치한다.
** 우주의 중심을 찾는 방법 : http://icarus2.egloos.com/3323755
7. 공간이 팽창하지 않는 경우, 후퇴속도의 최대치는 빛의 속도 c가 될 것이다.
"빛보다 더 빠른 속도로 후퇴하는 은하들이 있고, 이러한 것을 이 모델은 설명할 수 없다"고 주장하는 사람들이 있다. 이 문제와 관하여, 우리는 원거리 은하의 거리를 직접 측정하지 못하며, 원거리 은하의 속도를 직접 측정하지도 못합니다. 우리가 측정하는 것은 오직 적색편이 z값이고, 이 적색편이값과 공간의 팽창을 가정함으로부터 얻은 R=1/(1+z)식을 결합하여, 어떤 적색편이 값(z>1.6 이었던가?) 이상에서는 은하들이 빛의 속도 이상의 후퇴속도를 갖고 있다고 추정할 뿐입니다.
만일 공간이 팽창하지 않는다면 R=1/(1+z)식이 더이상 성립하지 않게 되고, 따라서 빛보다 더 빠른 후퇴속도가 꼭 필요한 것은 아닙니다. 절대, 우리는 빛보다 더 빠른 후퇴속도를 가진 은하를 관측하고 있는게 아니라, 관계식을 통해서 추정할 뿐이라는 것입니다.
8. 적색편이식의 변화는 "우주가 가속팽창한다는 발견"에 영향을 미친다. 따라서, 가속팽창을 재검증할 필요가 있다.
9. 만일 본 모델이 옳다면, 천문학과 우주론 분야에서, 허블법칙, 적색편이, scale factor가 포함된 모든 내용을 재검토 해야 한다.
===============
물리학자와 천문학자들은 "모든 은하들이 지구를 중심으로 같은 비율로 멀어지는 허블의 관측결과"는, 지구가 우주의 중심이지 않는 한 설명될 수 없을 거라고 추측하였고, 지구가 우주의 중심이 아님은 당연해 보였기에,
이에 따라 천문학과 우주론에 "공간이 팽창"한다는 경험해본적이 전혀 없는 관념을 도입하였고, 이것으로부터 천문학에서 줄자 역할을 하는 적색편이와 우주론에서 빠지지 않는 scale factor 관련식을 유도하였다.
그런데, 실제 계산을 해보니, 허블법칙은 가속도에 의한 효과가 작은 경우, 3차원 공간의 어느 지점에서나 성립하는 법칙이고, 따라서 허블법칙은 "공간의 팽창"이 아니라, 공간속에서 은하들의 움직임으로 부터 나올수 있다는 것이다.
그리고, 그동안 "공간이 팽창한다"라는 설명이 성립했던 이유는, 적색편이값이 작은 경우 "공간의 팽창"을 통해 구한 거리와 "빛의 도플러편이"를 통해서 구한값이 크게 차이가 없었기 때문이다. 그러나, 두값은 적색편이가 커질수록 큰 차이를 가져온다.
따라서, 만일 본 발견이 옳다면, 천문학 특히 우주론과 원거리 은하 관련한 사항이 붕괴된다.
따라서, 적색편이가 공간속에서 은하의 움직임으로부터 기인하는 것인지, 공간의 팽창으로부터 기인하는 것인지 재검증할 필요가 있다.
논문 : Space Doesn't Expand and New Proof of Hubble's Law
http://vixra.org/abs/1203.0044
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