빛, 과연 세상에서 가장 빠를까

광속불변 원리에 대한 의문 제기돼

‘광속’은 진공 속에서 빛의 속도를 의미하며, 보통 c로 표시한다. 물리학, 특히 전자기학과 천체물리학에서 매우 중요한 의미를 가진다. 빛의 속도가 중요한 것은 바로 현재까지 알려져 있는 물체의 속도 중에서 가장 빠르기 때문이다.

진공상태에서 빛은 초속 30만 킬로미터(km)로 달리고, 한 시간에 10억 킬로미터(km)를 진행한다. 이는 일년에 약 9조 4600억 킬로미더(km), 즉 1광년의 거리를 가는 것이다. 1초에 지구의 둘레를 7바퀴 반을 돌 수 있는 속도이다.

1675년 덴마크의 천문학자 뢰머에 의해 처음으로 빛의 속도가 측정되었으며, 1905년 아인슈타인에 의해 빛의 속도가 항상 일정하다는 것이 밝혀졌다. 특수상대성이론을 뒷받침하기 위해 광속불변의 원리를 주장하였고, 이것은 100년이 넘는 시간동안 진리로 받아들여지고 있다.

하지만 상식으로 받아들이기 어려운 내용때문에 광속불변의 원리는 오랫동안 많은 과학자 사이에서 논쟁의 대상이 되었다. 1905년 발표된 이후, 시간과 공간에 대한 이해를 새롭게 했기 때문이다. 여전히 그 논쟁은 계속되고 있다.

1905년 아인슈타인이 광속불변의 원리를 발표한 이후, 100년이 넘는 시간동안 이 원리는 진리로 받아들여졌다. 하지만 과학자 사이에서 이 원리에 대한 논쟁은 계속되고 있다.  ⓒ ScienceTimes

1905년 아인슈타인이 광속불변의 원리를 발표한 이후, 100년이 넘는 시간동안 이 원리는 진리로 받아들여졌다. 하지만 과학자 사이에서 이 원리에 대한 논쟁은 계속되고 있다. ⓒ ScienceTimes

2012년 3월에는 이런 논쟁을 잠재우는 연구 결과가 발표되었다. 미국 항공우주국(NASA)의 페르미 감마선 우주망원경(Fermi gamma-ray space telescope)이 73억 광년의 거리를 날아온 감마선 빛을 분석한 결과, 빛속도는 에너지나 파장과 무관하게 늘 일정한 것으로 나타났다. (관련링크)

2011년 5월 페르미 감마선 우주망원경은 73억 광년 떨어진 곳에서 두 중상자 별의 충돌로 생긴 엄청난 에너지의 감마선 입자들이 지구 쪽으로 날아오는 것을 포착하기도 했다. 포착된 감마선 입자 하나는 다른 것에 견주어도 100만배가량 큰 에너지를 지니고 있었다.

만약 아인슈타인의 광속불변의 원리에 도전하는 새로운 양자중력이론이 맞다면, 두 입자의 도착 시간은 몇 분 가량 달라야했다. 하지만 0.9초 차이에 불과했고, 이것은 두 빛의 입자가 73억 광년 떨어진 곳에서 동시에 출발했음을 의미한다.

빛이 73억 광년이나 날아오는 동안 불과 0.9초의 차이만을 보였다면, 이것은 사실상 에너지의 차이가 빛속도에 영향을 미친다는 양자이론의 일부 예측이 틀렸다는 것을 뜻한다. 2008년 감마선 빛 입자의 도착 시각이 4분가량 차이를 나타내 양자중력이론이 힘을 얻었던 것과는 상반된다고 할 수 있다.

빛보다 빠른 중성미자, 시간여행 가능할까

100년이 넘는 시간동안 빛이 세상에서 가장 빠른 물체라는 사실은 진리로 받아들여졌다. 하지만 2011년 9월 빛보다 빠른 중성미자를 찾았다는 유럽입자물리연구소(The European Organization for Nuclear Research; CERN)의 연구가 발표되면서 시간여행이 가능할지에 대한 의견이 갈리고 있다. (관련링크)

그러나 시간여행은 이론적으로만 가능할 뿐, 과학적인 근거가 있기 보다는 ‘공상과학’의 영역이라는 의견이 대다수이다. 시간여행 역시 아인슈타인의 특수상대성 이론과 관련이 있다. 특수상대성 이론은 뉴턴 역학과는 다르게 시공간을 모두 포함하며 광속 불변의 법칙을 전제로 하기 때문이다.

또한 에너지와 질량은 서로 호환된다는 이론도 있다. 그래서 이 이론에 따르면 빛보다 빠른 물질은 존재하지 않으며, 빛보다 빠른 물질이라면 질량이 마이너스(-)일때만 가능하다. 현실적으로 마이너스의 질량을 가진 물질은 존재하지 않는다.

그렇기 때문에 시간여행처럼 시간을 거스른다는 것은 우리가 살고 있는 3차원 세계와는 전혀 다른 차원의 세계가 또 존재한다는 것이다. 예를 들어 1분 전, 10분 전, 100분 전에 우리가 생활했던 공간이 따로 있어야 한다.

그래서 이 때문에 전혀 다른 차원의 공간으로 이어지는 통로인 ‘웜홀’ 등을 일부 과학계에서 제기하기도 하지만, 아직까지 그에 대한 정확한 근거가 없다. 이번 유럽입자물리연구소의 연구 역시 마찬가지이다. 실험상 오류였다는 전례를 봤을 때, 그와 비슷한 사례일 수 있다는 의견이 대다수이다.

“빛은 아인슈타인의 이론보다 느릴 수 있다”

하지만 최근 제임스 프랜슨(James Franson ) 메릴랜드 대학교(The university of Maryland) 박사는 물리학계 권위지인 학술지 ‘뉴 저널 오브 피직스'(New Journal of Physics)에 제출한 연구를 통해 기존의 이론에 의문을 제기하였다. (관련링크)

프랜슨 박사는 빛의 속도가 지금까지 생각했던 것보다 느릴 가능성이 있다고 밝혔다. 초신성 SN 1987A의 폭발로 발생한 빛이 예측보다 4.7시간 늦게 지구에 도달한 이유를 검토했고, 이것이 바로 빛의 이동에 있어 ‘진동분극'(vacuum polarization)현상 때문에 빛의 속도가 실제로 늦었다고 추정하였다.

원래 아인슈타인의 이론에 따르면 중성미자가 도달한지 약 3시간 뒤에 광자가 관측되어야 하는데, 실제 빛이 도달한 시간은 중성미자가 도달한지 약 7.7시간이 지난 뒤였다. 즉, 3.7시간 늦게 도착했고 이것은 빛이 아인슈타인의 이론보다 느릴 수 있다는 것을 의미하기도 한다.

진동분극 현상은 광자가 전자와 양전자쌍을 생성하고, 그 이후 전자와 양전자쌍이 재소멸하면서 광자로 돌아오게 된다. 생성과정에서 양자 역학의 작용으로 가상 입자인 전자와 양전자쌍 사이에 중력포텐셜이 생기게 된다.

바로 이 과정이 광자의 이동 속도가 느려지도록 영향을 줬을 수 있다고 프랜슨 박사는 주장하는 것이다. 그래서 이 영향으로 빛이 16만 8000광년의 거리를 이동하는 동안, 5시간 가까이 지연이 생겼다는 것이다.

이번 연구가 주목받는 이유는 만약 이 이론이 옳다는 것이 입증되면, 지구와 태양 사이의 거리와 다른 은하계에서 관측된 가장 먼 천체까지의 거리 등 모든 것을 다시 계산해야 하기 때문이다. 프랜슨 박사의 연구는 현재 심사 중에 있어 그 결과를 알 수는 없지만, 이러한 연구가 계속 나오고 있다는 것은 아인슈타인의 이론이 절대진리가 아닐 수 있다는 것을 의미한다.

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