우주가 팽창하는 이유는?

우주가 팽창하는 이유는?

작성일 2014.07.20댓글 1건
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옆반 친구에 의해 답변되었습니다.

제가 말하고 싶은 건 허블법칙에 의해 멀어지는 두 은하 사이에 여전히 만유인력 법칙이 적용되고 있다면 상대론 효과를 무시했을 때, 두 은하를 멀어지게 하는 힘이 따로 존재해서 멀어지는 건지 공간의 팽창으로 단위 좌표값이 증가하는 건지 궁금해서 그런 겁니다.

두 은하를 멀어지게 하는 힘이 따로 존재해서 멀어지는 거라면 우주의 어느 점을 잡아도 잡은 점을 중심으로 주위의 은하가 항상 허블법칙에 따라 멀어져야 하니깐, 우주의 어느 점에서도 우주의 지평선은 존재합니다. 또한 공간 상에서 특정 점을 중심으로 하는 구의 표면에 은하들이 빽빽하게 분포해있다고 하면, 시간이 지나 허블법칙에 의해 표면의 은하들이 멀어질때에는 각자의 은하에도 허블법칙을 적용해야 합니다.

당연히 이때도 공간의 팽창때문에 멀어지나, 힘이 따로 존재해서 멀어지나 모순은 생기지 않습니다.

이건 다시 말해서 두 은하를 멀어지게 하는 힘이 따로 존재할 수 있다는 것이고, 이것이 만유인력법칙과 합쳐지면 허블법칙이 나오게 되는 겁니다.

그래서 두 은하를 멀어지게 하는 힘을 이하 '미지의 힘'이라 명명하고, 미지의 힘에 대한 관계식을 구하려고 했습니다.


그런데, 문제가 생겼습니다. 두 법칙에서 시간과 속도에 대한 식을 못 구합니다. 다만 관계식은 구할 수 있지만, 언제나 미적분에 의한 추측일 뿐 정확하지 않습니다.(극한의 개념을 도입하기 전까지는 정확하지 않음.)

그래서 물어보니, 친구가 허블법칙을 가속도와 거리 사이의 관계식으로 재해석해주고, 이를 통해 만유인력 법칙과 연결시킬 수 있었습니다.


결과는 r에 대한 삼차방정식의 해를 결정하는 조건이 미지의 힘과 관련이 있다는 것이고, 

미지의 힘이 특정한 값을 가지게 되면 r이 결정되지 않습니다. 이는 허블법칙이 모든 r에 대해 정의된다는 것과 모순되며 허블법칙은 힘에 의해서 일어나는 현상이 아닙니다.


즉 프리드만의 방정식은 우주의 등방성을 이용해서 허블법칙을 설명했지만, 그럴 필요 없이 저처럼 될 수 없을 것만 같은 둘 이상의 물리법칙을 적용해서 허블법칙을 설명하면 모순된다는 것을 알아내, 허블법칙이 분리된 세계의 특수한 법칙이라는 것을 알 수 있게 되었습니다.

이건 우리가 알고 있는 우주에 우리가 모르는 에너지와 물질이 가득찼다는 것이거나, 우주 자체가 우리가 아는 차원과 다른 차원이라는 겁니다. 



질문1.

 우주 팽창속도가 두 은하가 서로 멀어지는 속도랑 비례한다면, 허블법칙에 의해서 언젠가는 우주 팽창이 멈추나요? 그러면 가속 팽창이 아닌데... 뭐가 잘못된 거죠?


질문2.

 아래 내용은 내 생각인데, 이게 맞나요?



 지구처럼 반지름이 큰 물체의 경우는 F = GMm / (R+h)^ 에서 h < 0.1R 일 때는 Ep = mgh 인데,

 h > 0.5R 일 때는 Ep = W = F·s = GMm·s / (R+h)^, 여기서 물체는 지표면까지 이동하니깐 s = h이에요.  [ 단, M = 지구의 질량, m = 물체의 질량, R = 지구의 반지름, h = 지표면으로부터 물체까지의 거리,

 Ep = 역학적 위치에너지, g = 중력가속도(=9.8m/s^), s = 물체에 힘을 가하는 동안 물체가 이동한 거리 ]

 그런데 h가 변함에 따라 F도 변하니깐, 힘을 거리에 대해서 적분한 값이 위치에너지가 되네요. 그리고

 [ 단, k는 상수 ]   구해보면, k = GMm … ①

 [∵ r->∞ 일때에는, F = GMm / r^ 이므로, 적분한 값은 x축이 r이고, y축이 F인 평면좌표에서 y=w/x^ 꼴의 개형을 가진 분수함수가 x=0과 y=0 사이에서 이루는 넓이와 같으므로, 일정한 값에 수렴할 수 밖에 없다. ]

다시 말해,  때문에 적분값은 k에 수렴.


 또 허블법칙에서,

 [ 단, H는 허블상수, v = 은하의 후퇴속도, r = 은하 사이의 거리 ] 이고, 이 식을 변형하면 … ② [ 단, t는 거의 거리가 0에 가깝게 붙어 있는 두 은하가 은하 사이의 거리가 r이 될 때까지 멀어지는 데 걸리는 시간, V는 평균속도 ]

그리고 은하는 등가속도 운동을 하므로  변형하면,  

[ 단, T는 우주의 나이 ]


마지막으로,

① 과 ②를 연립하면,

 

 여기서 G가 정확히 같게 구해지면 앞의 수식이 전부 맞아요.


그런데, 여기까지는 상대론적 효과를 무시한 경우고, 아인슈타인의 특수상대성 이론을 적용하면, 두 은하는 가장 가까이 있을 때 속도가 0이고, 멀어져서 두 은하가  라는 상대속도로 멀어질 때의 시간이 t라고 한다면,   여기서 는 고유시간이고,  이다. (로렌츠 인자) … ③

그런데, ||가 에 가까워지면,  [ 단,  , 은 두 은하의 속도이고, = 이다. ] 이다.

그리고 ③에서  이므로, [ ∵ 첫번째 등식은 ||가 상대론 효과를 고려 안 해도 될 정도로 작을 때, 두번째 등식은 ||가 상대론 효과를 고려해야 될 정도로 클 때, ] 대입하면,

 이라는 복 6차방정식이 나오는데, 라고 하면, X는 반드시 0보다 크거나 같으므로, 좌표평면 상에서 x축과 x>0인 부분에서 1개의 교점만을 갖는 방정식이다. X>1이므로, 조립제법으로 X의 실수해가 반드시 나온다고 하면, 이다.


일단 여기서, 은하는 절대로 빛의 속도로 멀어질 수 없다는 것과 이는 광속 불변의 원리와 광속이 가장 빠른 속도라는 특수 상대성이론의 전제와 모순되지 않으므로, 적용시킬 수 있다는 것이다.

그런데, 에서 거리가 무한히 먼 두 은하 사이에는 상대속도가 거의 c에 가깝게 멀어지는 데, 이렇게 되면 두 은하 사이의 시간 격차가 심하게 벌어지지 않을까?

 참고로 위에서 상대속도를 로렌츠 인자에 대입한 건, 우주의 어느 곳도 우주의 중심이 될 수 있기 때문에, 우주의 어느 좌표계도 자신을 정지 좌표계로 설정한 채 우주를 관측할 수 있다는 것이다.


그리고 에서, t는 거리가 r인 지점까지 은하가 멀어지는 데 걸린 시간이라고 했는데, r이 우주의 크기와 동일해지면, t=T이어야 한다. 그런데, 그렇지 않은 이유는 은하가 등가속도 운동을 하기 때문이고, 우주의 팽창은 빛의속도의 등속으로 진행되기 때문일 것이다.

당연히 여기서 우주의 크기는 우주의 지평선까지의 거리를 말하는 거지만, 우리가 관측할 수 있는 물체 중 그 어떤 것도 우주의 지평선 너머로 날아갈 수 없다. 다시 말해, 그들이 가질 수 있는 최대 위치 에너지는

  에서 r=CT라면, E=C/2T이다. 다시 말해,

우리가 관측할 수 있는 범위에 있는 다시 말해, 우주의 지평선 내부에 있는 모든 물체들은 위의  식을 만족하고, 이는 모든 물체에 적용되므로, 우주 내부의 한계 에너지를 구할 수 있다.


이는 다시 말해서, 우주가 팽창하는 이유가 암흑 물질의 가속 팽창력 때문이라면, 암흑 에너지는 우주 내부의 한계 에너지의 일부 일테고, 암흑 에너지는 계속 증가하여 결국 가속 팽창 이전의 우주 내부의 한계 에너지보다 더 커지게 될 것이다.


그러면 우주는 결코 수축하지 않아야만 한다. …④


그리고 덧붙이자면, 우주의 한계에너지는 우주의 지평선을 넘어오는 물체도 고려한 값인데, 넘어오는 물체의 수가 우주의 지평선의 단면적에 비례한다면, 우주의 한계에너지의 증가폭은 T에 비례한다. 

그렇게 따지면, 우주의 한계에너지 증가폭은 시간대비 점점 커진다. 즉, 가속팽창을 하는 것이다.

그런데 허블법칙에서 허블 상수는 계속 줄어들고, 그러면 같은 거리에서 멀어지는 속도는 점점 줄어들게 되므로, 감속팽창을 하는 것이 아닐까?

 (왜냐하면 인데, H=1/T이며, 은하가 서로 멀어지는 속도는 우주 팽창의 속도와 같으므로 )

이를 설명하려면, 암흑물질이라는 개념을 도입하던가 우주의 팽창 속도 자체가 같은 거리에서 서로 멀어지는 속도를 의미하는 것이 아니라, 우주의 끝과 끝이 서로 멀어지는 속도를 의미하는 것이 아닐까?

 그러면 빅뱅 시점부터 결정된 허블 상수가 급팽창과 가속팽창의 시점을 결정짓는 역할을 하고, 결국 우주의 운명을 결정짓지 않을까?

 (왜냐하면 빅뱅 이후 초기에는 우주의 끝에서 끝까지의 거리가 작지만 허블 상수는 매우 크므로, 팽창속도가 어마어마하게 빠르다. 그러다가 허블 상수의 감소폭이 우주의 팽창 속도보다 커지게 되면, 감속 팽창을 시작한다. 하지만 시간이 갈수록 허블 상수의 감소폭은 당연히 우주의 팽창 속도보다 작아질 수 밖에 없으며, 이후 가속팽창을 시작한다.

 우주의 팽창속도는 허블상수를 우주의 크기에 대해서 적분한 값이므로,

 


 여기서 우주의 팽창속도와 허블 상수의 감소폭의 대소 관계를 비교하려면 두 식을 연립해야 한다.


위 식에서  이므로, 빅뱅 후 초기의 우주 팽창속도가 급팽창 시점과 가속팽창 시점을 결정하며, 두 식의 공통해가 없는 경우 우주는 항상 허블상수의 감소폭이 우주 팽창 속도보다 훨씬 크므로, 빅뱅 이후 바로 감속팽창한다.

그리고 두 식의 공통해가 하나일 때에는, 급팽창 이후 바로 가속 팽창을 한다. 

또는 급팽창 이후 바로 감속팽창한다.


또한 감속팽창하는 우주의 경우에는 팽창속도가 은하 사이의 중력을 이겨낼 수 없을만큼 줄어든다면 결국 수축하며 소멸한다. 그런데 이것은 ④에서 말했던 것처럼 '우주는 결코 수축하지 않아야 한다.' 라는 결과에 모순된다.

이는 우주는 암흑물질이나 암흑 에너지에 의해서 팽창하는 것이 아니다. 라는 것이거나, 프리드만의 방정식을 풀어서 상수값을 구해보면 알 수 있듯이 암흑에너지 양의 증가폭은 우주 팽창속도에 비례하므로 우주는 결코 수축하지 않아야 한다. 그게 아니라면


정리하자면, 우주 팽창으로 인해 물체 사이의 위치에너지는 거리가 무한히 멀어짐에 따라 일정한 값으로 수렴하고, 이는 허블법칙을 통해 우주의 나이와 관련이 있음을 알았다. 그리고 이를 통해 우주의 한계 에너지를 구했고, 그 중 일부가 암흑 에너지와 암흑물질임을 알았다.

 또한 우주의 팽창속도와 허블 상수의 감소폭을 연립하면, 우주의 급팽창 시점과 가속팽창 시점을 알 수 있고, 공통해의 개수에 따라 우주의 급팽창 여부와 가속팽창 여부를 알 수 있다.  


이게 맞나요?


질문3.

 우주 밖에 또 다른 우주가 존재한다면, 서로 가속팽창하는 우주끼리 부딪힐 때가 오지 않을까요? 아니면 그쪽 차원은 우리보다 더 낮은 차원이거나 더 높은 차원이여서 부딪힌다는 개념이 없을까요?


내공 얻기라기 보다는 이 질문에 답하실 수 있는 분은 취업 걱정은 안 하셔도 될 것 같아요 ㅎㅎ; 고등 물리학 강사 해도 되니깐. 아니면 이미 강사이실지도...







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profile_image 익명 작성일 -

http://kin.naver.com/open100/detail.nhn?d1id=11&dirId=1117&docId=1445054


암흑물질은 존재하지 않습니다.

은하 가장자리의 회전속도가 예측한 것보다 빠른 이유는... 은하 가장자리가 별들이 밀집해 있는 은하중심부보다 상대적으로 가볍기 때문에, 시간이 상대적으로 빨리 흘러서 나타나는 현상일 뿐입니다.

http://youtu.be/bqTDz9Bv1XU




일단, 아래 링크의 사고실험을 참조바랍니다.


http://blog.naver.com/kokospice/150187961352 



우주는 시간과 공간으로 이루어져 있으며 시간과 공간은 대칭성을 이루고 있습니다.


인간에게는 시간을 인지하는 감각기관이 없기 때문에, 인간은 공간을 중심으로 사고할 수 밖에 없습니다.


쉽게 말해서, 우주는 시간이 반, 공간이 반인데, 인간은 공간의 우주, 절반의 우주 밖에 못본다는 것이지요. 


인간의 수학이나 과학도 그러한 공간중심적인 사고에 의해 만들어지고 구축되어진 것입니다.


현재 인간의 수학에는 시간과 공간의 대칭성이 없습니다. 따라서, 현재 인간의 수학으로는 시간과 공간이 대칭성을 이루는 우주를 제대로 표현할 수 없습니다.


공간은 시간이 흐르는 속도차에 의해 만들어지는 홀로그램(허상)에 불과합니다.


처음 링크의 글(블랙홀 속의 우주)에서, 블랙홀은 그 크기를 그대로 유지한 채로 블랙홀의 시간이 계속 흐른다면, A,B,C의 시간거리는 서로 점점 멀어집니다. 이것이 블랙홀 안에서는 우주가(공간이) 가속팽창하는 것처럼 보여지는 것입니다.


우주를 관통하는 만물의 법칙, 모든 것의 법칙(Theory of everything)은 에너지 보존의 법칙 단 하나이며... 에너지 보존의 법칙에 의해, '시간거리 = 공간거리'라는 등식이 성립하며, 우주는 팽창하므로 시간거리는 계속 증가하고(시간은 계속 흐르고) 그에 따라 공간거리도 멀어지는 것입니다.


우주는 균질하며, 거시세계가 팽창한다면 미시세계도 팽창해야 하며, 미시시계가 팽창하는 것은 자기력선의 형태로 증명할 수 있습니다. ( http://blog.naver.com/kokospice/220001152002 )


더 궁금하신 것이 있으시면 제 블로그의 글들을 참조하시기 바랍니다.




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