우주론 - 인플레이션(Inflation)은 필요한 가? 인플레이션은 필요한가?

우주론 인플레이션(inflation)은 반드시 필요한 가?

 

참고사항 : [네이버캐스트 우주의 인플레이션]

http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=2389

 

 

우리는 우주의 평탄성 문제(평평성,Flatness program)와 지평선 문제(Horizon problem)를 설명하기 위해서, 인플레이션(우주 초기의 빛보다 빠른 가속팽창)이라는 기작을 도입했고, 인플레이션은 표준모형으로 인정받고 있다.

 

인플레이션 자체는 관측된 현상은 아니다.(만일 관측되었다면 벌써 노벨상이 수여되었을 것이므로~). 그러나 우리가 인플레이션 기작을 믿고, 받아들이는 이유는, 이것이 우주의 평탄성 문제와 지평선 문제를 설명하고, 부가적으로 자기홀극과 같은 문제에 대해서 어떤 설명을 제공하기 때문이다.

 

여기서 자기홀극(monopole) GUT(대통일이론)에서 요구되는 대상이고, GUT 자체가 현재로서는 불완전하며, 양성자의 붕괴와 같은 불완전한 예언을 하고 있기에, 자기홀극 문제는 부차적인 문제이다.

 

 

인플레이션은 평탄성(또는 평평함) 문제와 지평선 문제를 설명하기 위해서 도입되었고, 두가지에 대해서 나름 괜찮은 설명을 제공하고 있다.

 

그러나, 개인적으로 보기에,

두가지 문제에 대해서는 설명을 제공하고 있지만, 그에 상응하는 대가를 지불하고 있고, 새로 설명해야 할 문제를 만들어 내고 있다.

 

가령,

1. 인플레이션 기작을 만들어 내기 위해서, 소위 거짓진공(False vacuum)이라는 개념을 도입하고 있고, 상전이를 도입하고 있다.

2. 거짓진공 또는 상전이시 에너지의 존재를 필요로 하고 있고, 따라서 우리 우주의 에너지의 초기값을 상정하고 있고, 개인적으로 이 초기값에 대해서 합리적인 설명이 부족하다고 생각한다. 왜 거짓진공이 존재 하는지도 확실치 않다.

3. 인플레이션을 발생시키는 인플라톤(inflaton) 및 인플라톤장을 도입했는데, 우리는 아직 이것을 관측하지 못하고 있다.

4. 인플레이션 과정에서 지수함수적 팽창 또는 빛보다 빠른 팽창을 가정해야 했다.

5. 인플레이션은 공간이 팽창한다는 관념과도 연결되어 있는데, 이것은 에너지를 보존하지 않는 현상으로 보인다.

1) "공간의 팽창"을 가정할 시 발생하는 적색편이와 관련하여, 이 적색편이시에 에너지가 어디로 사라지는지 "공간의 팽창"이 설명하지 못하는 난점을 가지고 있다는 내용의 글.
Where does the energy vanish to when light is red shifted.

          http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=578753

2) Energy Is Not Conserved – Sean Carroll

http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2010/02/22/energy-is-not-conserved/

팽창하는 공간에서 에너지보존법칙이 성립하지 않고, 에너지보존법칙을 포기하는 게 낫다는 주장. Sean Carroll은 일반상대론책을 쓴 물리학자임.

 

3) 암흑에너지의 유력한 후보로 거론 되고 있는 우주상수또는 진공에너지의 관념이 공간과 연결되어 있고, 일반적으로 이 역시 에너지 보존 법칙이 성립하지 않는 대상이다.

 

여하튼, 인플레이션이 평탄성문제(Flatness problem)와 지평선문제(Horizon problem)에 대한 설명을 제공하지만, 새로운 문제들을 만들어 내고 있다는 것이다.

 

그런데, 만일 평탄성 문제와 지평선 문제가 다른 방식으로 설명될 수 있다면 어떨까?

 

1.   Zero Energy Universe – 평탄성 문제가 발생하지 않는다!

   인플레이션 모델은 우주의 가속팽창이 발견되기 이전에 제시되었던 모델이고, 이 때 우리는 중력이 오직 인력적인 상호작용을 한다는 관념이 자리잡고 있었기에, 이런 우주에서는 평탄성 문제가 설명해야 할 심각한 문제였다.

 

그런데, Zero Energy Universe 모델에서는 간단하게 분석하면, 총에너지가 0이기에 장방정식으로부터 우변항이 0이고, 따라서 곡률항도 0이고, 즉 우주는 평평하다. , Zero Energy Universe 모델은 그 자체로 평평함, Flatness를 설명하고, 이것을 설명하기 위해서 어떠한 가정을 도입하지 않는다.

 

가정이라고 볼 수 있는 항은, 우주의 총 에너지가 0 이라는 것이고, 이것 또한 [ 에너지 보존 법칙 ] 이라는 물리학의 근본적인 법칙에 근거하고 있기 때문에 무리한 가정이 아니다.

 

·       http://en.wikipedia.org/wiki/Zero-energy_Universe
================
A gravitational field has negative energy. Matter has positive energy.The two values cancel out provided the universe is completely flat.
================

**저의 모델은 중력퍼텐셜에너지가 양의 에너지를 상쇄시키는 것이 아니라, 음의 에너지가 양의 에너지를 상쇄시키며, 총중력퍼텐셜에너지는 음의 값으로 고정되는 것이 아니라, +, 0, - 모두 가능하기에 조금 다른 모델이나, Flatness에 대한 설명은 거의 동일하다.

양의 질량에 의한 양의 곡률과 음의 질량에 의한 음의 곡률이 서로 상쇄되기에, 우리 우주가 Flat하다는 설명을 제공한다.

2.   지평선 문제는 공간의 팽창을 가정했기 때문에 발생하는 문제이다.

지평선 문제의 출발은 허블의 관측이고, 이것은 우주가 팽창한다는 관측이었다. 그런데, 이러한 우주의 팽창 결과가 모든 은하들이 지구를 중심으로 멀어지고, 이때 후퇴속도가 V=HR (or V=HD)의 관계가 성립한다는 관측결과였다.

 

당시에 이러한 관측결과는 지구가 우주의 중심이지 않는 한 설명될 수 없는 결과로 보였고, 지구가 우주의 중심이 아님은 분명해 보였기에, 우리는 우리가 경험한 적이 전혀 없는 공간이 팽창한다는 관념을 도입했고, 이에 따라 스케일팩터를 적색편이식과 연결지었다.

 

덧붙여, Z값이 작은 경우 공간이 팽창한다는 모델과 공간은 팽창하지 않고, 은하들이 운동한다는 모델은 거의 같은 결과를 주었기에, 구분하기가 쉽지 않았다.


**http://arxiv.org/abs/astro-ph/0011070v2에서 인용.

 

위 그림에서, 음영영역, general relativity로 기술된 영역이 공간의 팽창을 가정함에 의해서 나온 결과이고, 아래 special relativity로 기술된 라인이 팽창하지 않는 공간에서, 은하의 운동을 통해서 나올 수 있는 결과이다.

 

특히, 음영영역의 하한선이 (Ω_M, Ω_Λ)=(1, 0)일 때로, Z=2까지는 공간의 팽창 모델팽창하지 않는 공간모델이 거의 차이가 없음을 확인할 수 있다. 1998년 이전까지는 (Ω_M, Ω_Λ)=(1, 0)이 주류였기에, [공간의 팽창]을 도입하던 시기에는 변별력이 거의 없었다는 점을 알 수 있다.

 

적색편이 및 허블의 법칙과 관련한 여러 설명자료를 보면서 느낀점은, 허블의 관측결과를 설명하기 위해서 [공간의 팽창]을 도입한 이유가 [공간의 팽창] [팽창하지 않는 공간에서 은하들의 운동]에 의한 결과를 제3의 관측결과(3의 신뢰할만한 원거리 거리측정 방법)로 비교하여, [공간의 팽창]이 더 정확하기에 [공간의 팽창]이 선택된게 아닌 것으로 보인다는 점이다.

 

[공간의 팽창]을 도입할 당시에, Z=2 이상을 관측할 능력이 없었고, 무엇보다도 허블상수가 불완전하게 측정되던 시기였다. WMAP의 관측결과가 나오기전인 2000년대 초까지만 해도 허블상수는 50km/s /Mpc~ 100km/s /Mpc 의 범위를 가질 정도로 불완전 하였다. 더욱이 허블이 관측하던 당시에는 500km/s /Mpc로 지금의 72km/s /Mpc에 비해 7배나 차이가 있던 시기였다.

 

그런데, [공간의 팽창]이 옳다고 확정된 시기는 1920~1930년대에 이미 확정? 되어서 지금까지 이어지고 있다.

 

무엇이 천문학자와 물리학자들로 하여금 [공간의 팽창]을 기정사실로 받아들이게끔 했는지 나는 잘 모르겠다. 여러 자료를 보면서 드는 생각은

 

1)     당시에 허블의 관계가 지구가 우주의 중심이지 않는 한은 동역학적으로 설명될 수 없고, 지구가 우주의 중심이 아님은 명확해 보였던 점.

2)     최초 르미뜨리의 설명이나, FRW 해처럼, 스케일 팩터(scale factor)항이 손쉽게 분리되고, 이것이 우주의 팽창을 기술하기에 편리했던 점.

3)     V=HR 관계식으로부터 나오는 선형성이 V가 빛의 속도 c를 넘어서는 상황을 가져오는 것으로 보였던 점.

4)     당시에는 중력이 오직 인력적인 효과를 갖는 것으로 받아들여지던 시대였고, 우주의 가속팽창이 발견된 이후와 같은 척력원의 존재를 진지하게 고려할 수 없는 시대였던 점.
5) CMBR에 대한 유도 - 공간의 팽창을 도입하던 시기에서는 조금 떨어져 있으나, 공간의 팽창으로부터 온도를 설명할 수 있는 점.
 

등으로 추정된다.

요지는,

a.   [우주의 팽창]이 기정사실화 되던 시기에, 우리는 [공간의 팽창] [팽창하지 않는 공간에서의 은하들의 운동]을 구분할 능력이 없었고,

b.   모든 원거리 은하들이 우리를 중심으로 멀어진다는 이 현상이 팽창의 중심이 아닌 곳에서는 당연히 성립하지 않을 거라는 고정관념이 작용하였을 거라는 추정이다.


그런데, 실제로 계산을 해보면, 가속도에 의한 효과가 작다면, 위의 두 상황이 같다는 결과를 얻을 수 있다.

, 모든 은하들이 지구를 중심으로 후퇴한다는 관측결과가, 꼭 팽창의 중심에서만 성립하는 사항이 아니라, 3차원 공간의 대부분의 영역에서 성립하는 결과라는 것이다.

http://icarus2.egloos.com/3305624

 

지평선 문제로 돌아가서,

결국, 지평선 문제는 은하들간의 거리가 빛의 속도에 의한 거리보다 더 빠르게 멀어진다고 추정함에 의해서 즉, 허블반경 보다 더 큰 거리가 존재함에 의해서 발생했고, 이는 결국 [공간의 팽창]을 가정하고, 이것을 스케일펙터 식과 연결지음에 의해서 발생하였다.

 

우주의 팽창이 공간의 팽창으로부터 기인하지 않고, 은하들의 동역학적 움직임에 의한 결과라면, 이때 은하를 비롯한 모든 물질들은 빛의 속도보다 느리기에, 복사의 범위내에 있게 되고 지평선 문제가 발생하지 않거나 상당부분 해소된다. 즉, 현재 인과적으로 연결되지 않는다고 생각되는 지역들이 인과적으로 연결되면, 열적평형상태에 있었음이 설명된다.

앞선 증명에서(http://icarus2.egloos.com/3305624)

모든 은하들이 지구를 중심으로 후퇴하며, 이때 V=HR의 관계가 성립한다는 허블의 관측결과는

1)     감속과 가속에 의한 속도변화가 작은 경우, 매우 광범위한 영역에서 성립함을 보였다.

2)     더욱이, 현재의 우리 우주가 감속과 가속에 의한 속도변화가 서로 상쇄되거나 작은 경우에 해당함도 우리는 알고 있다.

 

인용 : "t=0.993t_H, 현재 시기에, 복사시기와 물질시기 동안의 감속효과와 Λ시기의 가속효과가 거의 상쇄되어, 우주의 나이는 팽창률이 늘 일정하다고 가정하여 계산한 값과 거의 같다."

Bradley W. Carroll, Dale A. Ostlie. Introduction to Modern Astrophysics. 2nd Edition.

 

물론 이 결과는 기존의 공간이 팽창한다는 관념으로부터 유도된 결과이지만, 두모델(공간의 팽창모델과 공간이 팽창하지 않는다는 모델)이 적색편이 z 2이하인 경우에는 서로 유사한 결과를 주기에 의미가 있을 수 있다.

 

정리하면, “지평선 문제공간의 팽창을 가정함에 의해서(스케일 펙터를 적색편이식과 연결지음에 의해서 R=1/(1+z)) 발생한 문제인데, 앞서 증명처럼 공간이 팽창하지 않고, 3차원 공간에서 은하들이 속도를 갖고 있다면 이 문제는 자동으로 해결이 된다.

 

3.   [Zero Energy Universe + 공간은 팽창하지 않는다] 는 모델은 에너지 보존법칙을 준수하는 모델이다.

 

4. Zero Energy Universe는 총에너지가 Zero 임에도 불구하고, 우주가 탄생직후 가속팽창의 시기가 존재함을 명확히 시뮬레이션으로 보여주고 있다. (물론 여기서는 빛보다 느린 팽창을 의미한다.) http://icarus2.egloos.com/3294606

 

(**인플레이션 기작에 맞추기 위해서 빛보다 빠른 팽창을 가정할 수도 있긴 하나, 개인적으로 선호하진 않음.)

 

5.   거짓진공, 인플라톤장, 진공에너지, 공간의 팽창의 원인 또는 동력과 같은 새로운 관념의 도입 없이, 중력만으로도 가능하다.

 

[Zero Energy Universe + 팽창하지 않는 공간]모델은 [인플레이션 + 공간의 팽창]모델보다

 

1)     평탄성문제(Flatness problem)를 훨씬 더 깨끗하게, 아주 완전하게 해소하며,

2)     지평선 문제(Horizon problem)도 발생하지 않고,

3)     에너지 보존법칙도 유지시키며,

4)     인플레이션의 발생과 종료를 위한 새로운 기작을 필요로 하지 않고,

5)     우리 우주의 에너지의 근원을 설명하며 (zero Energy),

6)     우주의 총질량을 모아놓은 상태로부터의 팽창도 자연스럽게 설명하기에( 우주초기에 우주의 총 질량, 또는 에너지가 국소적인 영역에 모여있을 지라도, 양의 에너지와 음의 에너지의 상쇄로 인하여, 특이점이나, 블랙홀의 밀도를 넘어서는 상태로부터의 팽창이 발생하지 않는다.)

가능성이 있다.

 

 

결국, [ 인플레이션이 반드시 필요한가? ]


덧글

  • Dancer 2012/04/10 13:00 #

    실제로 천체들은 지구로부터 멀리있는 것일 수록 일정하게 점점 빨라지고 있습니다.

    이것을 천체들의 운동으로 본다면, "왜 가속되고 있는가"를 설명할 수 있어야 합니다.


  • Dancer 2012/04/10 13:02 #

    사실은 문제가 산처럼 쌓이게 될테죠.
  • 이카루스2 2012/04/10 15:21 #

    팽창가속도의 변화, [우주초기의 가속팽창] -->[50~70억년 전까지의 감속팽창] -->[현재의 가속팽창]은 음의 질량과 양의 질량의 쌍생성 모델이 현재 설명을 제공하고 있다고 생각합니다.

    음질량과 양질량의 쌍생성 모델(Zero Energy Universe)에서, 중력 퍼텐셜 에너지는 U_T=(U-+) + (U--) + (U++) 로 구성되어 있는데, 이것이 시간에 따라 변하면서, 최근의 가속팽창 효과가 나오더라는 것이져~

    아래는 한번 보셨을 그것에 대한 시뮬레이션 결과와 포스팅입니다.
    http://icarus2.egloos.com/3294606
    http://icarus2.egloos.com/3295750
  • Dancer 2012/04/10 16:37 #

    그걸 전에도 이미 봤지만. 리플조차 안 단 이유는...

    양질량끼리의 상호작용은 인력.. 우리가 흔히 아는 겁니다.

    음질량끼리의 상호작용은 척력 이죠.


    |음질량| < 질량이면 척력, 그 반대면 인력 이것도 생각하긴 쉬울 겁니다.


    그러면 가장 먼저 생각해야할 것은
    |음질량| > 질량 척력 인 음질량체가 과연 우주에 존재할 수 있는가 하는 문제가 나옵니다.


    만약 음질량이라는 게 실존한다면, 중력보다 강한 힘에 의한 결합이 주도하는 크기를 벗어나기 힘들고,
    그것은 주위 양질량의 소립자에 대해서라면 어찌될지 알 수 없지만...


    그 대부분이 은하 중심핵에 빨려들어갔을 거라고 쉽게 짐작할 수 있습니다.
    왜냐하면 은하 블랙홀을 감당할 만한 질량체를 |음질량|은 절대로 유지할 수가 없기 때문입니다.

    이것은 우주초기라고 하면 더욱 그러합니다.



    시뮬레이션에 사용한 |음질량|들은 실제로 어느정도의 데이터를 컨셉으로 잡으셨는지는 모르겠지만.

    그것은 우주초기에 붕괴되어 우주가 식기시작하고 10억년도 채 되기 전에 이미 작은 입자들로 모두 흩어졌을..|음질량|인 겁니다.

  • Dancer 2012/04/10 16:43 #

    양의 질량과 음의 질량이 "쌍생성된 것"이라고 가정한다면...
    |음질량| > 양질량.. 인 상황은 고려할 것도 없었다는 것이죠.

    우주초기라는 점을 가정해봤을때. 충분한 량의 음질량은 우주에 퍼질 겨를 도 없었습니다.



    물론 가능성 측면에서 존재가능성 제로라고 볼 것은 없습니다.

    양의 질량도 소립자(중력보다 다른 힘이 크게 작용하는 영역)는 존재할 것이며, 이러한 소립자에 대해 음질량도 중력적인 영향을 크게 받지는 않을테니.

    이런 수준이라면 |음질량| > 양질량인 상황은 있을 수도 있지만.


    시뮬레이터에서 고려할 수준도 되지 못합니다.


    실제로 그런 수준의 입자들을 고려하신 건 아닐 겁니다
    그리고. 그런 수준의 입자를 고려했다간 인간이 만들어낸 컴퓨터중에서 그것을 제대로 연산할 수 있는 컴퓨터는 현재 없으니까요.(앞으로도 없을 겁니다)


    아마 지구를 통째로 양자화해서 양자컴퓨터로 만들어도 그런것을 연산할 수는 없을테죠.
  • Dancer 2012/04/10 16:46 #

    따라서 아마도

    일정이상의 |질량체|를 양이든 음이든 마찬가지로 가정하여, 양의 질량을 전제로 구축된 연산식에 의거하여

    계산하셨을 겁니다.



    다만 앞서 말했다시피 "쌍생성 된 것"이라면, 그런 식의 초기분포는 발생하지 않아요.
  • Dancer 2012/04/10 16:52 #

    그리고....

    ──────────────────────────────────────
    실제로 계산을 해보면, 가속도가 작다면, 위의 두 상황이 같다는 결과를 얻을 수 있다.
    ──────────────────────────────────────

    인간이 우주에 망원경을 띄워놓기 전까지라면, 통할만한 소립니다.

  • 이카루스2 2012/04/10 16:54 #

    무슨 얘기이신지 잘 모르겠네여~
    ====
    음질량과 양질량의 운동에서 주의해야할 사항은, 음질량과 양질량에 “힘”의 정의를 사용할때와, 그것에 의한 “운동”을 기술할때입니다.

    음질량의 경우 힘의 방향과 운동이 달라질수 있기 때문입니다.

    양질량끼리의 상호작용 : 힘 :인력, 운동:인력적(초기거리에 비하여 거리가 줄어듬)
    음질량끼리의 상호작용 : 힘 :인력, 운동:척력적(초기거리에 비하여 거리가 멀어짐)
    음질량과 양질량의 상호작용 : 힘:척력, 운동: 양측의 질량의 크기에 따라 다름.
    |음질량|< 질량 : 힘은 척력, 운동은 인력적
    |음질량|> 질량 : 힘은 척력, 운동은 척력적

    음질량들은 서로간에 척력적인 효과가 있기에 별이나 은하 수준의 거대 질량을 이루기 어렵습니다.

    따라서, 대부분의 상황에서,
    |음질량|< 질량 이와 같은 상황에 놓이게 될 것입니다.
    ====
    이부분까지는 거의 이해하신거 같구여~

    그래서, 시뮬레이션 결과도 그것을 보여주고 있는데여~
    음질량들은 서로 뭉치지 못하고, 그래서 개별 질량 그대로 있는 반면에, 양질량들은 서로 중력적으로 결합하여, 거대 질량을 이루고,

    이 과정에서 가속팽창의 효과가 그대로 보여지고 있는데여~
  • 이카루스2 2012/04/10 17:08 #

    어떤 증명이나 주장이 반드시 구체적인 관측데이터를 집어넣어서 계산해야만 되는 것은 아닙니다.

    또한, 참고할만한 실제의 계산결과도 인용해서, 그와 유사한 상황이 발생할 수 있는 개연성이 높음을 설명해 드렸지 않습니까?

    인용 : "t=0.993t_H로, 현재 시기에, 복사시기와 물질시기 동안의 감속효과와 Λ시기의 가속효과가 거의 상쇄되어, 우주의 나이는 팽창률이 늘 일정하다고 가정하여 계산한 값과 거의 같다."
    Bradley W. Carroll, Dale A. Ostlie. Introduction to Modern Astrophysics. 2nd Edition.
  • 이카루스2 2012/04/10 17:24 #

    ======
    양의 질량과 음의 질량이 "쌍생성된 것"이라고 가정한다면...
    |음질량| > 양질량.. 인 상황은 고려할 것도 없었다는 것이죠.
    ======

    무슨 말씀이신지 여전히 이해하기가 어렵네여~

    |음질량|> 양질량 인 경우를 살펴본 것은, 음질량과 양질량의 운동특성이 어떻게 되느냐를 설명 할때 그때 단 한번 나오며, 또한 이것은 위 두개의 링크에 걸린 시뮬레이션에서는 전혀 나오지 않는 내용입니다.

    저는 총 에너지가 Zero인 상태에서 항상 시작했고, 따라서, 모든 시뮬레이션의 경우 |음질량의 총량|=양질량의 총량 인 상태입니다. (기타 아주 특별한 상황으로 고려하고 있는 상황이 있긴 하지만, 여기서는 전혀 관계가 없는 문제이구여~)

    위 시뮬레이션의 어디에도 |음질량|>양질량 이런 상태를 만들어 놓고 시뮬레이션 한 것이 없습니다.

    그런데, 시뮬레이션의 결과는 |음질량의 총량| = 양질량의 총량 같지만, 그럼에도 불구하고, 우주는 가속팽창한다는 결과가 나온다는 내용이었습니다.

    각 시뮬레이션이 시작될 때, 기술된 시뮬레이션 조건을 다시한번 봐 주시기 바랍니다.

    양측의 총질량이 항상 같을때이고, 항상 |음의 질량의 단위질량|≤ 양의 질량의 단위질량일 때의 시뮬레이션 결과입니다.
  • Dancer 2012/04/10 17:55 #

    혹시 시뮬레이션에서 사용한

    음질량체들은 어느 정도의 질량체인지 알려주실 수 있습니까.





  • Dancer 2012/04/10 18:08 #


    제가 하는 말을 정리하자면.

    질량이 쌍생성되는 우주 초기라면. 양질량은 중력이 지배하는 수준의 단위질량급의 천체를 구성할 수 있을 것이나, 음질량은 구성할 수 없다.
    질량과 음질량이 서로 충돌할때. 소멸하는 관계를 가진다면.

    해당우주는 천체를 성공적으로 조립할 수 없거나, 겨우 구성된 천체는 소립자 급의 음질량을 한없이 흡수하여. 소멸할 거다 라는 겁니다.

    말하자면, 태양이 우리 예상보다 훨씬 삘리... "소멸"할테죠. (음질량과 양질량의 충돌로 말이죠)





    는 겁니다.




  • 이카루스2 2012/04/10 19:29 #

    우주 초기 문제는 지금보다 훨씬 더 복잡한 상황들을 안고 있고, 음의 질량의 존재를 가정할 때, 음의 질량이 갖는 여러가지 특성이 있을 수 있기에 쉽지가 않습니다.

    1.음질량과 양질량이 쌍소멸 할 수 있지만, 쌍소멸시 성립해야 하는 각종 보존법칙이 있을 수 있습니다. 가령, 에너지보존, 운동량보존, 전하보존은 우리우주의 근본적인 보존법칙으로 보이기에 음질량과의 쌍소멸시에도 성립해야 할 것으로 추정됩니다. 기타 좀더 하위수준의 보존법칙들도 검토가 필요하구여~

    즉, 각종 보존법칙 때문에 쌍소멸 과정이 제한될 수가 있습니다.
    이것은 아래 설명할 음질량과 양질량의 붕괴가능성과도 연결되어 있습니다.

    2.음의 에너지와 양의 에너지가 같이 쌍생성 되었을 때, 처음에 둘은 같은 크기로 쌍생성되었다고 추정하는게 일반적이겠져, 그런데 생성된 이후에, 서로가 다른 과정을 겪었을 가능성이 있습니다.
    가령, 양의 에너지는 입자-반입자 쌍을 만들어야 했고, 광자나, 전자, 쿼크와 같은 알려진 소립자를 생성하거나, 소립자로 붕괴하는 붕괴과정을 거쳐야 합니다.

    반면에 현재 음의 질량이 존재한다고 할 때, 음의 질량이 어떤 과정을 겪게 될지는 연구가 더 필요한 사항입니다.

    현재의 우주론적 결과에 맞추어 보면, 바리온이나 렙톤 제네시스 이론들에 의하면, 암흑물질은 바리온이 아닌 입자일 가능성이 높져~, 즉, 음의 질량이 존재한다고 가정하면, 바리온이 아닐 가능성이 있다는 것입니다.

    즉, 이러한 결과는 결국 1번 항목과 같이 둘이 쌍생성 할 때는 같은 물리량을 가지면서, 에너지의 부호만이 다른 대상이었지만, 양의 에너지가 붕괴하거나 다른 입자로 변함에 의해서 이제는 서로 다른 물리량을 가지게 되었고, 이때 서로 충돌을 한다고 하더라도, 각종 보존법칙이 제한조건으로 작용해서 쌍소멸이 제한될 수 있다는 것입니다.

    음의 질량이 왜 비바리온적인 대상인가? 현재로서는 어떤 근원적인 설명을 제공하기는 어렵지만, 굳이 설명을 시도해 본다면, 처음부터 그렇게 가정하거나, 아니면, 다음과 같이 설명을 시도해 볼 수도 있습니다.

    양질량들의 경우 어떤 인력적인 효과를 갖고 있어야 만이 쿼크들을 결합하여 바리온을 형성할 수 있을 것입니다.
    따라서, 이 힘을 -Q(r) 이라고 규정해 보면,
    F=ma=-Q(r ) 이되고, a=-Q(r )/m 이 되어서, 가속도가 –r^방향 즉, 인력적 효과를 갖고 있음을 의미하게 됩니다. 따라서, 쿼크들을 묶어줄 수가 있었습니다.

    이제 이힘이 음의 질량에 적용된다고 가정해 보면,
    -m_a=-Q(r ), a=Q(r )/m_ 이 되고, 이 가속도는 +r^방향, 즉, 척력적 효과를 발생시킴을 알 수 있습니다.

    즉, 쿼크들을 결합시켜주는 어떤 힘이 음의 질량에 적용된다고 할때에, 이 힘이 음질량으로 이루어진 쿼크가 존재한다고 해도 그들을 결합시키지 못하며, 따라서 음질량들이 중입자나 바리온을 형성하지 못하도록 할 가능성이 있게 됩니다.

    이것은 하나의 예시입니다. 우리가 아직은 음의 질량의 특성에 대해서 완전히 이해하고 있는 것은 아니기에~

    그렇지만, 위 내용이 시사하는 바는, 음의 에너지와 양의 에너지가 쌍생성된 후에, 서로 다른 붕괴과정을 겪었을 가능성이 있고, 따라서 그들이 서로 다른 양자수들을 갖고 있을 가능성이 있고, 쌍소멸 과정이 제한된 조건에서만 발생할 가능성이 있다는 것입니다.

    3.입자-반입자의 쌍소멸에서 우리가 현재 추정하고 있는 것은 10억개의 쌍중에 1개정도 입자들이 남았고, 그 결과가 현재의 우리 우주라고 말하고 있습니다. 즉, 이정도로 쌍소멸하는 경우가 많은 상태에서 그렇지 않은 빈도가 1개정도 발생해도 현재의 물질들 및 우주가 설명된다는 것이져~,

    1억개의 음의에너지와 양의에너지 쌍중에 1개정도만 초기 쌍소멸을 피하고, 나머지는 모두 쌍소멸을 가정한다고 하더라도, 우주가 성립될 수 있겠져~
    결국, 음의 질량과 양의 질량의 쌍소멸 문제에서 그냥 님과 저는 대충 추정을 하고 있을 뿐입니다. 그러니, 그것에 너무 가치를 두실 필요가 없습니다.

    4.음의 질량과 양의 질량의 Bigbang 관련한 시뮬레이션(10번이상)에서, 두 질량의 크기를 갖게 하고, 서로 만났을 때 100%의 쌍소멸을 부여했지만, 저는 그것이 우리 우주를 형성할 수 없는 아주 작은 규모(생성된 전체우주 크기에 비하여 몇배 안되는 수준에서 바로 소멸해 버리는)에서 끝나는 경우를 보지 못하였습니다.

    정리하면, 쌍소멸이 발생할 수 있지만, 각종 보존법칙들 때문에 쌍소멸이 제한적인 과정에서 발생할 가능성이 높다는 데에 저는 비중을 두고 있습니다.

    프로그램이 외국사람이 만든 것이라 제가 잘 알지는 못하지만, 대충 뉴턴역학을 사용했을 것으로 보이기에, 음질량과 양질량의 개별 크기는 중요치 않습니다. 서로가 같은 단위를 사용했기 때문에~
  • 모모 2012/04/10 21:35 #

    윗분이 말하는 건, 음질량의 절대값이 양질량보다 커야 척력이 발생할 수 있다는 겁니다. 그리고 이렇게 큰 음질량이 실제 우주에서 유지되기 어렵다는 거구요.
  • 이카루스2 2012/04/10 23:54 #

    [ 음의 질량과 양의 질량의 크기가 같으면 아무 힘도 없을 거고, 따라서 척력이 있으려면 음의 질량의 크기가 양의 질량의 크기보다 더 커야 할 것이다. ]
    이렇게 생각하시는 것 같으신데, 결과는 그렇지 않습니다.

    1.수식적 결과
    아래 링크의 7번 항목에 있는 79식을 한번 보시기 바랍니다.
    http://icarus2.egloos.com/3010778

    7. 음의 질량과~
    (79)식
    U_T = (n_ X n+)U-+ - ( n_(n_-1)/2)U-- - (n+(n+ -1)/2)U++

    위 식은 음의 질량이 n-개 있고, 양의 질량이 n+개 있을 때 총중력퍼텐셜 에너지가 어떻게 되느냐를 나타내는 식입니다.

    직접 값을 대입해서 양의 중력퍼텐셜 항이 몇 개가 남고, 음의 중력퍼텐셜 항이 몇 개가 남는지 그려보시면 됩니다.
    n-=n+=1, 즉, 1개쌍이 존재할 때

    -m1 -------- +m2

    U_T= 1XU-+=+Gm-m+/r 항 하나만 있습니다.

    n-=n+=2개, 즉 2개쌍이 존재할 때

    -m ------ +m
    | |
    | |
    | |
    +m ------ -m

    위와 같이 2개의 양질량, 2개의 음질량이 있을 때 총중력퍼텐셜 에너지 항을 구해보면

    U_T = (4U-+) + (U-- + U++)= 4(U-+) + 2(U++) 항이 나옵니다.

    즉, 척력적 중력 퍼텐셜 에너지항은 4개인 반면, 인력적 중력 퍼텐셜 에너지항은 2개뿐이 안되고, 그래서, 양질량과 음질량의 크기가 같을때에도 척력적인 중력효과가 존재할 수 있게 됩니다. 실제로 종이에다 동그라미 4개 그리고, 선그어가면서, 중력퍼텐셜 에너지항이 몇 개씩 나오는지 살펴보시면 확인하실 수 있으실 겁니다.(저도 예전에는 이렇게 계산 했었습니다.)

    정사각형 배치에서 구체적인 숫자를 넣어서 계산해보시면, 이때 U_T가 0이 아니고 +값을 갖는다는 것을 확인 하실 수 있으실 겁니다.

    음질량과 양질량의 배치에 따라, U_T<0, U_T=0, U_T>0 모두 가능하고, 즉, 감속팽창과 가속팽창이 모두 나올 수 있다는 의미입니다.


    2.컴퓨터 시뮬레이션 결과
    앞선 포스팅 2개에 포함되어 있는 여러종류의(빅뱅시뮬레이션, 원거리 은하시뮬1,2, 근거리 은하 시뮬1, 6개은하 시뮬) 컴퓨터 시뮬레이션 모두 m-가 m+와 총크기가 같은 경우이고, 그럼에도 불구하고, 가속팽창과 가속팽창을 보여주고 있습니다.

    저의 [음의 질량과 양의 질량의 쌍생성 모델]에서 우주의 가속팽창을 설명하기 위해서 필요한 음의 질량의 크기는 양의 질량의 크기와 같습니다.

    양의 질량의 운동 또는 우주의 팽창부분을 이해하기 위해서 제가 앞서 포스팅한(http://icarus2.egloos.com/3294606)에서 설명한

    소위 [ 양의 질량과 관계된 GPE ]라는 개념에 대해서 많은 생각이 필요합니다.

    +m의 운동을 결정하는 것은 U++(양의 질량들 끼리의 GPE) + U-+(음의 질량이 양의 질량에 만드는 GPE) 라는 것입니다. 두항 모두 +m 항이 들어있기에 영향을 미치기 때문입니다.
  • 모모 2012/04/11 11:10 #

    문제는, 지금 밀려나고 있는 은하나 항성들은 전부 '양의 질량'들이라는 거지요 =_=;;
    그리고 음의 중력퍼텐셜 값이라고 하시는데, 그게 그런 결과를 가져오는 이유는 본인이 계산 과정에서 '음질량-음질량'간의 관계를 '척력항'으로 분류했기 때문입니다. 근데 아니거든요. 음질량-양질량 간의 관계는 (계산상) 척력이 맞곘지만, 음질량과 음질량 사이의 관계는 -가 두 번 곱해지기 때문에 다시 인력으로 됩니다. 그렇게 계산하면 인력항이 더 커집니다.
  • 모모 2012/04/11 11:11 #

    즉, 양질량만 있는 우주에 음질량을 추가하면, 중력항은

    i) 이미 있던 양질량-양질량간의 인력
    ii) 추가된 음질량-양질량간의 척력
    iii) 추가된 음질량-음질량간의 인력

    인력항이 더 많습니다 =_=;;
  • 이카루스2 2012/04/11 19:27 #

    님께서 관념적으로만 생각하셨기에 그렇게 보이시는 겁니다.
    1)양질량 - 양질량 : 인력
    2)음질량 - 음질량 : 인력
    3)음질량 - 양질량 : 척력

    이렇게 구분하면, 인력항이 2개이고, 척력항이 1개처럼 보이지만, 실제로 계산을 해보시면 무엇을 잘못 생각했는지 보이실 겁니다.

    -m1 -------- +m2
    |
    |
    +m3 -------- -m4

    U_T= U12 + U13 + U14 + U23 + U24 + U34 이렇게 6개의 중력퍼텐셜 에너지항이 나옵니다.
    이중에
    1)양질량 - 양질량 :인력 U23 1개
    2)음질량 - 음질량 :인력 U14 1개
    3)음질량 - 양질량 :척력 U12,U13,U24,U34 4개 입니다.

    척력항은 4개이고, 인력항은 2개밖에 안됩니다.-_-;;
  • 모모 2012/04/11 20:52 #

    m1m2m3m4를 저렇게 배치하고 m1과 m4는 음질량이라 이거죠?
    일단 본인 임의로 저런 배치를 해놓는 것 자체가 물리적 문제를 푸는 데 있어서 심각한 에러지요 =_=

  • 모모 2012/04/11 21:01 #

    예를 들면,
    M1, M2 >0, m3, m4 <0 이라고 할때,

    M1----------------------------------------m3
    M2----------------------------------------m4
    의 배열의 경우, 인력항이 척력항보다 '훨씬' 큽니다. 이건 과장이긴 하지만, 거리가 일정하지 않은 형태(직사각형이나 마름모)의 배열은 어떻게 배치하냐에 따라서 인력/척력항의 크기 관계를 충분히 바꿀 수 있습니다. 따라서 이런 건 통계역학을 적용해야 할 일이지, 단순히 자기 입맛에 맞는 배치 하나 해놓고 '척력항이 더 많잖아?'라고 우길 문제가 아닙니다.
  • 이카루스2 2012/04/11 21:14 #

    === 님께서 인력항이 더 많다고 하셨져~ ===
    인력항이 더 많습니다 =_=;;
    ====================

    그리고, 저는 위에 설명에,
    =====
    음질량과 양질량의 배치에 따라, U_T<0, U_T=0, U_T>0 모두 가능하고, 즉, 감속팽창과 가속팽창이 모두 나올 수 있다는 의미입니다.
    =====
    라고 설명드렸구여~



  • 모모 2012/04/11 22:14 #

    배열을 생각하지 않고 전체 항을 합하여 생각하면 인력항이 더 많죠.

    i) 이미 있던 양질량-양질량간의 인력
    ii) 추가된 음질량-양질량간의 척력
    iii) 추가된 음질량-음질량간의 인력

    이렇게 봤을 때요. 이건 배열을 고려하지 않은 상태구요.
    저렇게 일부만 따오셔서 정신승리하실거면
    저는 님이

    ===============================================
    척력항은 4개이고, 인력항은 2개밖에 안됩니다.-_-;;
    ================================================
    라고 하셨다고 할 수 있겠네요.

    그리고 감속팽창과 가속팽창이 어쩌고 하시는데, 감속팽창이 아니라 이 경우에는 '수축'이 됩니다. 님이 제시하는 유일한 팽창의 동력원이 저 척력이니까요. 저 척력이 상쇄되어 버리면, 팽창할 방법이 없습니다.

  • 모모 2012/04/11 21:03 #

    그리고 이 가설은 여전히 우주배경복사의 등방성을 설명하지 못합니다. 저번에도 말씀드렸더니 댓글로 포텐셜이 0이 되고 제로에너지 유니버스가 어쩌고 하시던데, 이건 정말 '복사에너지가 균일하게 관측되는 현상'이라고요. 이 균일한 복사에너지를 그냥 두리뭉실하게 '제로에너지 유니버스'라는 말로 넘길 게 아니라 확실히 설명하셔야 할 겁니다.
  • 이카루스2 2012/04/11 21:44 #

    CMB의 균일함이나 등방성은

    로컬한 에너지 보존과 열적평형상태로부터 설명될 수 있습니다.
    로컬한 에너지 보존이란, 음의 에너지와 양의 에너지의 쌍생성시 1pair단위로 에너지보존이 성립한다면,
    설령 특정지역에 랜덤하게 pair들이 많이 생성된다 하더라도, 1pair 단위로 총에너지가 0이고, 플랫하기에, 그들의 총합은 여전히 0이고, 따라서 밀도가 매우 과하거나, 밀한 영역이 크게 발생하지 않을 것입니다.

    Last scattering surface를 이룰 때 그들이 열적평형 상태에 있기만 하다면, 지구에서는 모든 방향에서 CMB를 받게 되고, 따라서 등방성도 설명될 수 있습니다. 이 열적평형상태를 이룰수 있음은 위의 본문에서 설명하고 있습니다.
  • 모모 2012/04/11 22:15 #

    본문에서 설명하고 있는다는 게 그냥 'zero energy universe. 설명이 불필요함. 끝' 이수준이거든요? =_=
    근데 문제는 에너지 전체의 평형이 아니고, 4K 복사열이 어떻게 등방하게 전 우주에서 관측되는가가 문제입니다.
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