현이론과 흑암물질

Categories: 이동용

Wednesday, 22 July 2009

1. 현 이론: 1920년 경에 양자역학과 더불어 입자물리 연구가 체계화되기 시작하였다. 초기에는 양성자와 중성자 그리고 전자 등의 입자들이 알려졌다. 후에 학자들은 또 다른 입자들이 존재할 것으로 예측하였고 실험적인 자료들이 이를 뒷받침하였다. 현(스트링) 이론은 양자역학과 상대성이론을 통합하고자 새롭게 등장한 이론으로 최근 크게 주목 받는 이론이다.[1]

물리학자들이 입자들의 성장양상(growing patterns)을 주목하기 시작한 후 그 성장양상에 따라서 입자들을 분류하기에 이르렀고 덕분에 1960년에는 쿼크이론(quark)이 나오게 되었다.[2] 그들은 입자들이 미세 진동하는 현(tiny vibrating strings)들 처럼 거동을 한다면 기본 입자들 사이에 어떤 양상을 쉽게 설명할 수 있을 것으로 생각하였다.

우주의 기하학적 형태에 따라서 요구되는 차원이 다를 수 있는데 특별히 수퍼스트링 이론(Super String or M-Theories)에서는 현(strings)들은 적어도 공간과 더불어 6차원이 추가로 요구된다. 우주는 길이, 폭 그리고 높이로 구성되는 3차원의 공간과 일차원의 시간 축을 가지고 있다. 따라서 스트링 이론에는 공간과 시간 그리고 현에 필요한 6차원과 더불어 적어도 10차원이 요구된다.[1]

스트링 이론 학자들은 미세 입자들이 내부에 긴밀하게 압착되어 말려있기 때문에 정상적으로 다른 6차원을 볼 수 없다고 주장한다. 그러나 극히 높은 에너지 상태에서는 이 차원들이 스스로 풀려서 드러나게 되어 분명해 질수 있다는 것이다. 그러므로 입자들을 고에너지로 가속하게 되면 이 현들이 어떻게 거동하는지 예측할 수 있다고 생각한다. 문제는 현존하는 실험 가속기들은 모두 이 현상을 만들기에 충분한 에너지를 제공할 수 없다는 것이다. 그들은 이론들을 새롭게 정립하고 세워갈수록 더 높은 파워가 요구되겠지만 언젠가는 이 이론의 사실여부를 확인할 수 있을 것으로 기대한다.

현재까지 이 이론에 대한 실험적 증거는 없지만 현재 물리학자들에게 스트링 이론은 매우 기대를 거는 분야이다. 만일 스트링 이론이 사실이라고 가정한다면 다음의 질문은 어떤 버젼이 정확하냐이다. 왜냐하면 현이론에는 수 많은 다양한 버젼들이 있기 때문이다.

현대물리의 두 기둥인 양자역학과 일반상대성 이론 모두 대단한 실험적 기반을 가지고 있음에도 물리학자들 모두 불완전 하고 미완성임을 인정한다. 이들이 물질세계의 모든 관점을 설명하지 못하기 때문이다. 21세기에는 이 스트링 이론으로 물리학이 통합될 수 있다고 그 가능성을 말하지만 언젠가 이들 또한 보다 낳은 이론으로 결국 대체될 것이다.
[1] Polchinsk, J., String Theory, Cambridge University Press, Cambridge, 1998.
[2] Nave, R., Confinement of Quarks, HyperPhysics, George State Univ, Dept. of Physics and Astronomy, Retrived 2008-06-29.

2. 흑암물질과 흑암에너지
최근 흑암물질(Dark Matter)과 흑암에너지(Dark Energy)에 대하여 알려지면서 천문우주 분야에 가장 관심을 끄는 문제가 되고 있다. 현재 과학자들은 우주에 존재하는 물질과 에너지의 96%가 흑암물질과 흑암에너지 이라고 말하고 있다.

그동안 천문학자들은 회전운동을 하고 있는 은하계들을 주목해 왔다. 그런데 별들과 가스 그리고 먼지와 같이 보이는 물질들로만 구성되었다면 납득할 수 없을 만큼 빠르게 은하계들이 운동을하고 있다. 달리 말하면 대부분 은하계 내에 존재하는 가시물질(visible mass)로는 그 은하의 운동을 설명하는데 필요한 충분한 에너지를 제공할 수 없다. 때문에 그 은하계 내에는 소위 흑암물질과 흑암에너지라는 보이지 않는 즉, 불가시적인 물질이 존재하는 것으로 생각하게 되었다.

흑암물질은 보이는 다른 물체에 중력의 영향을 주지만 감지될 수 없고 또 볼 수 없는 물질이다. 많은 천체물리 학자들은 이 우주에는 가시의 물질 보다 볼 수 없는 흑암물질이 훨씬 더 많을 것으로 믿고있다.[1-3] 어떤 물리학자들은 흑암물질도 일반 물질로 구성되었으나 지나치게 온도가 낮기 때문에 복사(radiation)가 매우 미량이며 따라서 감지할 수 없다고 말한다. 예를들어 인근의 별들로부터 빛을 반사하거나 에너지를 복사하지 않는 행성들이나 다른 대형 물체들이 흑암물질로 분류된다는 것이다. 따라서 블랙홀이 여기에 해당된다.[4]

대체로 흑암물질은 우주에 스며드는 외래 물질로 보고 있으며 특별히 전자기력과 상호작용하지 않는 가상의 물질로 일반적인 원자와 같이 양성자와 중성자로 만들어 지지 않았기 때문에 비바리욘(non-baryonic) 물질로 불린다. 오늘날 천체물리학에서 우주를 구성하는 물질중에 흑암물질이22%를 차지하는 것으로 추산한다.[2]

흑암에너지는 우주가 단순히 팽창하는 것이 아니며 보다 빠르게 가속되고 있다는 사실을 설명하는데 필요하다. 현재 천문우주에서 다루는 표준모델에서 흑암에너지는 우주에 존재하는 총 물질의 74%에 해당하는 것으로 추정한다.[5]
[1] Fornengo, N., Status and Perspectives of indirect and direct dark matter searches, Adv. Space Res. 41: 2010-2018, 2008.
[2] Cline, B.B., The search for Dark Matter, Scientific American Magazine, March, 2003.
[3] Milgrom, M., Does Dark Matter Really Exist? Scientific American Magazine, August, 2002.
[4] Goddard Space Flight Center, Dark Matter may be Black Hole Pinpoints, NASA’s Imagine The Universe, Retrieved 2008-09-13.
[5] Drexler, J., How Dark Matter Created Dark Energy and the Sun: An Astrophysics Detective Story, Universal Publishers, 2004.

Author: 이동용