[지식보관소] 빛보다 빠른 입자가 존재한다는 우주 모델로 현재 우주론이 설명될 수 있다는 것이 확인되었다.

 

 

얼마 전 위스콘신 대학교와 세인트루이스 대학교 연구팀은

빛보다 빠른 물질에 의해 우주가 지배되고 있으며

현재 우주모델의 미스터리가 해결될 수가 있다는 내용을

아카이브에 게시하였습니다.

 

 

다들 아시다시피 질량을 가진 입자는

빛의 속도보다 빠를 수가 없습니다.

이는 이미 입자 가속기로 증명이 된 것으로

양성자를 광속의 99.99999%까지 가속시킬 수는 있지만

광속보다 빠르게 가속시킬 수는 없었죠.

 

하지만 질량을 가진 입자가

빛의 속도보다 빠를 수가 없다는 말은 틀렸습니다.

정확히는 질량이 실수인 입자를

빛의 속도보다 빠르게 가속시킬 수가 없다는 것이죠.

 

상대성 이론 방정식에 따르면

만약에 어떤 물질의 질량이

제곱해서 마이너스가 되는 가상의 수

즉 허수일 경우에는

오히려 빛의 속도보다 느릴 수가 없습니다.

 

물론 문제는 제곱을 해서 음수가 나온다는 허수의 개념은

수학적인 개념으로만 존재하고

현실에서는 어떠한 수든지 제곱을 하면 양수가 되기 때문에

질량이 허수인 입자는 말도 안 되고 가상의 입자일 수밖에 없습니다.

 

이렇게 현실에서 존재할 수 없는 이 가상의 입자를

우리는 타키온이라고 이름을 붙였죠.

 

정지질량이 허수인 이 가상의 타키온은

이론상 빅뱅이 생겨날 때부터 빛의 속도보다 빠르게 움직였고

수학적으로는 에너지를 잃을수록

오히려 속도가 빨라지는 이상한 특성이 있어야 합니다.

 

이러한 신비로운 특성 때문에

여러 SF시리즈에서 재미난 상상력으로 등장을 하며

초창기에 지식 보관소 채널도 이 타키온 내용을 다루면서 유명해졌지만

어디까지나 가상의 입자라서

이를 확인하는 건 불가능할 것이라고 여겨졌습니다.

뭐 지금까지는 말이죠.

 

얼마 전 위스콘신 대학교와 세인트루이스 대학교 연구팀은

빛보다 빠른 물질에 의해 우주가 지배되고 있으며

현재 우주 모델의 미스터리가 해결될 수가 있다는 내용을

아카이브에 게시하였습니다.

 

현재 우주론의 가장 큰 난제는

바로 암흑물질과 암흑에너지입니다.

타입 1a형 초신성 폭발 데이터에 따르면

현재 우주는 가속팽창하고 있으며

암흑에너지라는 개념을 만들기 전에는

이는 생각하지도 못한 것입니다.

 

또한 은하가 관측이 되는 별의 질량합계보다 훨씬 더 크다는 관측 증거들 때문에

관측으로 보이지 않는 질량인 암흑 물질의 개념도 만들어졌죠.

 

현대의 우주론은

이 두 가지의 모순을 해결하기 위해서

암흑에너지와 암흑물질의 힘 다루기 균형으로 우주가 유지되고 있다는

λCDM 모델을 채택하고 있습니다.

 

λCDM 모델은 정교하게 만들어진 우주론으로

우주 상수와 암흑 물질 값을 매개 변수로 조절하기 때문에

현재 우주를 모순 없이 설명할 수가 있지만

문제는 그래서 암흑물질과 암흑에너지의 정체가 뭐냐는 근본적인 질문에는

답할 수가 없다는 한계가 있습니다.

 

이 때문에 이번 연구팀은

1048개의 타입 1a형 초신성 폭발 데이터 샘플을 이용해서

다른 우주론으로

현재의 우주를 설명할 수 있을지를 계산을 해봤는데요.

몬테 카를로 기법 등을 통해서 계산된 내용에 따르면

쌍곡선 프리드만- 로버트슨- 워커 우주론이라는

굉장히 생소한 우주론이 현재의 가속팽창하는 우주론을 설명할 수 있다는

다소 급진적인 제안을 제시했습니다.

 

쌍곡선 프리드만- 로버트슨- 워커 우주

일명 FRW 우주론은

빅뱅이 탄생할 때 질량이 실수인 입자뿐 아니라

질량이 허수인 입자, 즉 타키온도 같이 탄생했다는

조금 말도 안 돼 보이는 황당한 우주론인데요.

 

우리가 일반적으로 알고 있는 실수값의 질량을 가진 일반입자와 다르게

허수 값을 가지는 타키온은

실수 질량과는 다르게

빛보다 느린 속도는 존재할 수가 없으며

에너지를 잃을수록 속도가 빨라지기 때문에

우리가 관측 가능한 우주 밖으로 대부분 나갔을 것으로 추정합니다.

 

문제는 연구팀에 따르면

빅뱅이 생길 당시에는

일반적인 입자 외에 이런 타키온 입자들도 같이 생겼다는 가정 하에

빅뱅 초창기에 있었던 인플레이션 팽창이나

현재 우주의 가속 팽창을 설명할 수가 있다는 것입니다.

 

물론 FRW 우주론이

표준 모형인 λCDM 모델과 유사하지만

완전히 동일하지는 않다는 점에서 한계는 있지만

연구팀에 따르면 현재 관측 증거로

FRW 우주론을 부정할 만한 그 어떠한 근거도 존재하지 않으며

빅뱅 때 타키온도 같이 만들어졌다는 FRW 우주론이

현재 λCDM모델에서 설명하기 힘든

암흑에너지의 해결책일지도 모른다는 것입니다.

 

물론 이번에 연구 내용이 다소 급진적인 만큼

몇 가지 문제가 있긴 합니다.

만약에 타키온이 존재한다면 왜 관측할 수가 없는지와

입자 가속기로 빅뱅을 재현했던 실험에서도 타키온이 발견이 안 되었는지

그리고 타키온이 존재할 경우

시간 순서를 뒤바꿀 수 있다는

인과성의 역설을 일으킬 수 있다는 것 등등이죠.

 

실제로 존재 여부는 알 수가 없지만

상대성이론 방정식에 따르면

수학적으로는 분명히 타키온이 존재해도 이상할 게 없다는 것은 사실입니다.

 

거기에다가 연구팀에 따르면 타입 1a형 초신성 폭발 데이터를 설명하는데 있어서

FRW 우주론이

표준모형인 λCDM 모델 이상으로 효과적이라는 것이죠.

 

예전에 제 채널에는 반물질이

사실 시간을 거꾸로 이동하는 입자와

동일하다는 것을 다룬 적이 있었는데요.

 

만약에 이번 연구 내용과 이전의 내용 모두 사실이라면

빅뱅이라고 하는 사건은

+시간 방향과 -시간 방향의 우주를 동시에 만들었을 뿐 아니라

타키온 같은 반대 인과율의 우주도

동시에 만들었을 수도 있습니다.

 

지금까지 우리는 빅뱅 이전에 무엇이 있었냐는 질문과

관측가능한 우주 밖에 무엇이 있냐는 질문에

답을 하지 못했었는데

현재까지 이론으로 본다면

빅뱅 이전으로 돌아간다면

시간 방향이 마이너스로 흐르는 우주가 있고,

관측가능한 우주 밖은 타키온 복사가 있을지도 모르겠네요.

그럼 이만.