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대안중력이론은 왜 일반상대성이론을 무너뜨리지 못했나

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대안중력이론은 왜 일반상대성이론을 무너뜨리지 못했나

2019.05.29 13:01
아인슈타인이 주장한 일반상대성이론은 중력을 설명하기 위한 다른 이론들의 도전을 끊임없이 받았다.  위키미디어 제공
아인슈타인이 주장한 일반상대성이론은 중력을 설명하기 위한 다른 이론들의 도전을 끊임없이 받았다. 위키미디어 제공

알베르트 아인슈타인이 주장한 일반상대성 이론은 중력을 설명하는 가장 강력한 이론이다. 세상의 모든 것은 상대적이라는 개념을 가져오며 중력을 불변의 좌표계에서 설명하던 뉴턴역학을 깨트렸다. 하지만 미시세계를 설명하는 양자역학과의 모순이 일반상대성 이론에게는 큰 공백이었다. 이를 없애기 위해 중력을 새롭게 설명하려는 시도로부터 일반상대성 이론은 끊임없는 도전을 받아 왔다.

 

일반상대성 이론에 저항해 뉴턴역학을 되살리려는 시도는 뉴턴역학에 위배되는 천체 현상을 설명하려는 이론인 ‘수정뉴턴역학’이다. 1983년 이스라엘 물리학자 모데하이 밀그롬이 처음 제안했다. 뉴턴역학에 위배되는 사례를 설명함으로써 은하 회전 문제다.

 

뉴턴역학에 따르면 행성 공전 속도는 거리가 멀수록 느려진다. 하지만 은하 원반의 회전을 도플러 효과를 통해 측정해 보면 공전 속도가 일정함을 알 수 있다. 이를 설명하기 위해 물리학자들은 암흑물질이라는 개념을 도입했다. 눈으로 볼 순 없지만 대량의 질량을 가진 물질이 우주 곳곳에 퍼져 있다고 가정하는 이론이다.

 

수정뉴턴역학은 암흑물질을 도입하지 않고 뉴턴역학에 위배되는 천체 현상을 설명한다. 가속도가 0에 거의 가까운 곳에서는 기존 뉴턴역학 대신 수정뉴턴역학이 성립하는데 이를 이용하면 은하 회전속도를 암흑물질 없이도 설명할 수 있다는 것이다. 하지만 2017년 이후 관측사례들이 암흑물질에 대한 강력한 증거를 제시하고 있어 이론의 힘이 약해지고 있다.

 

일반상대성 이론의 가장 큰 문제는 원자와 소립자처럼 작은 세계를 설명하는 가장 강력한 이론인 양자역학과의 모순을 해결하는 것이다. 일반상대성이론은 거시적인 시각에서 시간과 공간은 연속적이라고 주장한다. 반면 양자역학은 시공간이 불연속이라고 설명한다. 이러한 모순을 해결하기 위해 등장한 것이 일반상대성이론이 다루는 거시세계와 양자역학이 다루는 미시세계를 한번에 설명하려는 시도다.

 

다중우주 이론으로 불리는 끈이론이나 고리양자중력 이론이 대표적이다. 끈이론은 우주의 만물을 구성하는 입자를 0차원의 점이 아닌 1차원의 진동하는 가느다란 끈으로 본다. 이후 시간 1차원과 공간 10차원의 세계로 가정해 수학적으로 검증했다. 중력을 양자화시킬 수 있어 양자역학과 일반상대성이론을 통합할 수 있다. 고리양자중력은 중력만을 양자적 속성으로 설명하기 위해 개발된 이론이다. 고전적인 시공간을 측정 불가능한 수준의 작은 규모인 플랑크 규모(10의 –33제곱)의 불연속적인 조각으로 이뤄진 1차원 고리 형태로 설명한다.

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