아인슈타인의 상대성 이론과 시공간 왜곡

최근 과학자들은 "시간 왜곡을 측정함으로써 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 테스트할 수 있게 되었다"라는 연구 결과를 발표했습니다.

 

우주의 가속 팽창 추론

이들의 주장에 따르면 시간 왜곡 관찰을 통해 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 암흑 물질과 암흑 에너지의 신비를 설명하는지 여부를 알 수 있습니다. 과학 학술지에서 소개된 새로운 연구에서 새롭게 제안된 방법은 일반 상대성 이론이 암흑 물질을 설명할 수 있는지 조사하기 위해 공간과 시간의 가장자리를 광대한 우주 실험실로 전환합니다. 이 실험에서는 눈에 보이는 우주 물질과 에너지에 대한 중력의 영향, 암흑 에너지로 인한 우주의 가속 팽창을 추론할 수 있습니다.

 

연구 저자는 "이 방법은 향후 심우주 조사에서 테스트 될 준비가 되어 있다"라고 밝혔습니다. 일반 상대성 이론에서 과학자들은 "중력이 아인슈타인이 시공간이라는 4차원 실체로 묶은 공간과 시간의 구조를 대량으로 뒤틀어 놓은 결과"라고 말합니다. 상대성 이론에 따르면 질량이 없는 진공 상태에서보다 질량이 큰 물체에 가까이 다가가면 시간이 더 느리게 흐르며, 이러한 시간의 흐름 변화를 시간 왜곡이라고 지칭합니다.

 

시간 왜곡 측정

지난 1915년 소개된 이후 일반 상대성 이론은 광범위하게 테스트 되어 왔으며 엄청난 규모의 중력에 대한 가장 좋은 설명이 됐습니다. 그러나 과학자들은 이것이 암흑 물질과 암흑 에너지를 설명할 수 있는지 아직 확신하지 못하고 있습니다. 암흑 물질과 암흑 에너지는 우주 에너지와 물질의 약 95%를 차지하는 것으로 추정되나 눈에는 보이지 않습니다.

 

제네바 대학의 부교수이자 수석 연구 저자인 카밀 본빈은 "일반 상대성이론에 의해 예측된 시간 왜곡은 이미 작은 거리에서 매우 정확하게 측정되었다"라며 입을 열었습니다. 본빈은 "그것은 지구 주위를 비행하는 비행기, 은하계의 별, 은하단에 대해 측정되었고 우리는 매우 먼 거리에서 시간 왜곡을 측정하는 방법을 제안한다"라고 덧붙였습니다. 이 방법은 물체가 우리에게서 멀어질 때 방출하는 빛의 주파수 변화, 즉 적색편이를 측정해 시간 왜곡을 테스트하는 것을 제안합니다.

 

본빈은 "여기서 차이점은 이 기술이 빛이 중력 우물에서 기어 나오려고 시도할 때 발생하는 적색편이를 측정한다는 점"이라며 "거대한 물체에 의해 생성된 움푹 들어간 시공간 부분을 측정한다"라고 부연을 추가했습니다. 본빈은 "이 등반은 중력 우물 내부와 외부에서 시간이 다른 속도로 흐르기 때문에 빛의 주파수를 변경하고 결과적으로 빛의 색이 바뀌고 빨간색으로 이동한다. 중력 적색편이를 측정하여 시간 왜곡을 측정할 수 있다"라고 설명했습니다.

 

일반 상대성 이론을 테스트할 시간

시간 왜곡은 우리 우주에서 시간은 절대적인 것이 아니라 중력장에 따라 다양한 속도로 흐른다고 암시하며, 일반 상대성 이론에만 국한되지 않습니다. 이에 대해 본빈은 "모든 현대 중력 이론에는 시간 왜곡이 존재하지만 시간 왜곡의 진폭, 즉 거대한 물체의 존재로 인해 시간이 얼마나 느려지는지는 이론마다 다르다"라고 짚었습니다. 일반 상대성 이론에서는 시간과 공간의 왜곡이 동일할 것으로 예측되지만 다른 중력 이론에서도 항상 그런 것은 아닙니다.

 

이는 시간의 왜곡을 측정하고 이를 공간의 왜곡과 비교함으로써 물리학자들이 일반 상대성 이론의 타당성을 테스트할 수 있음을 시사합니다. 연구팀은 우주에 대한 또 다른 주요 이론, 그중 천문학자들이 은하의 움직임을 계산하는 데 사용하는 오일러의 공식을 테스트할 수도 있습니다. 연구에 참여한 한 구성원은 "팀이 제안한 시간 왜곡 측정은 시간 왜곡에 대한 이전 연구에서 추정했던 것처럼 암흑 물질이 오일러 방정식을 따르는지 여부를 증명할 수 있다"라고 말했습니다.

 

직접적인 관찰은 없었지만

본빈은 "우리는 암흑 물질 입자를 직접적으로 관찰한 적이 없다. 중력적으로만 그 존재를 느꼈다"라고 전했습니다. 이어 본빈은 "결국 우리는 암흑 물질이 오일러 방정식을 따르는지 알 수 없다"라고 토로했습니다. 본빈은 "암흑 물질은 우리 우주에서 중력 외 추가적인 힘이나 상호 작용에 의해 영향을 받을 수도 있다"라고 첨언했습니다. 이들 연구팀이 제시한 방법은 유럽 우주국의 유클리드 망원경을 비롯해 암흑 에너지 분광 장비를 포함한 미래 연구에도 사용될 수 있습니다.

 

본빈은 "이러한 조사로 전달된 데이터를 사용해 시간 왜곡을 측정하는 것이 가능할 것"이라며 "이것은 처음으로 시간의 왜곡을 공간의 왜곡과 비교할 수 있고 일반 상대성이론이 유효한지 테스트할 수 있으며, 시간의 왜곡을 속도와 비교할 수 있기 때문에 매우 흥미롭다"라고 평가했습니다. 오일러 방정식이 유효한지 알아보기 위해 은하계를 연구한다는 본빈은 "한 번의 새로운 측정으로 우리는 두 가지 기본 법칙을 테스트할 수 있다"라고 강조했습니다.