[re] 제2화: 성간물질을 통과하는 빛의 속력은 c와 같을까?

글쓴이
소요유
등록일
2002-04-03 10:52
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일단  토론의 화성화를 위하여 아는 것부터 (사실은 아는 것만) 이야기 해보렵니다.  전 유종완님이 주장하는 바를 잘 이해 못하고 있습니다. 솔직히. 제 전공이 천문학이니 누구보다도 빛을 많이 다루는 곳일 겁니다. 모두 빛, 즉 광자를 가지고 이야기하는 것이니 말이죠.

일단 딴지부터 걸 겠습니다.

매질에서 빛이 느려지거나 포톤을 잡아 놓을 수 있다는 생각은 천문학에서는 아주 고전적인 생각입니다. 예를 들면 태양 중심에서 핵융합에 의하여 생성된 에너지가  태양표면까지 도달하는데 걸리는 시간이 대략 수천년 입니다.  진공에서 빛이 태양중심에서 표면까지는 대략 2.5초 (70만km)이지만 산란에 의하여 빛이 더디게 진행됩니다. 미시적으로 보면 양자역학적으로 생각할 수 있는데, 즉 제 2방식으로 설명하겠지요.  대략 포톤이 한 수소원자에 잡혀있는 시간이 10^-9sec오더니까 시선방향에 있는 수소원자수를 곱하면 오더가 나오겠지요.  빛을 실험실에서 멈추게 하는 것은 대단히 '재미있는' 일이겠지만  천문학적으로 볼때 그 자체는  뭐 특별한 것으로 보이진 않네요. 


두번째, 수십억 광년에 이르는 거리 사이에 있는 원자들에 의하여 빛이 느려짐니 나타나지 않을까, 그것이 천문학적 해석에 큰 영향을 미치지 않을까하는 문제입니다.  일단 미시적인 유전체 이론이 어던 것인지 모르지만 젖혀두고 고잔적으로, 즉 위와 같이 양자역학적으로 해석해보면 시선방향의 수소밀도에 따라 달라진다고 봐야겠지요.

천문학에서는 어느 경우나  최종적으로 광자의 에너지 전달방정식을 풀게된느데, 즉 광자가 어떤 물리적 매질을 통과하여 우리 눈에는 어떤 형태, 세기로 나타날 것인가를 계산하게 됩니다.  이건 상당히 고전적인 간단한 미분방정식인데 이 방정식의  상수가  원자의 흡수&산란에 관계하는 흡수계수로 파장의 함수며, 각종 물리적 특성 - 온도, 압력, 비열등등의 함수입니다. 즉 흡수나 산란으로 나타나는 현상을 하나의 거시적 상수꼴로 나타냅니다. 따라서 제 1안대로 가는 것 같습니다. 

이 방정식이 실제로 아주 유용하여 매질&물체의 열전달 현상을 연구하는 곳에는 항상 천문학자들이 끼어들어 기여하게 됩니다. 예를 들면  스페이스셔틀이 대기권 진입시 발생하는 열이 우주선을 따라 어떻게 전달되는지, 아니면  인공위성 제작시에 태양 열이 어떻게 전달되는지 등등을 모델링 할 수 있습니다.

이 방정식의 계산 결과는 특정 파장에서 최종적인 세기가 어떻게 되느냐 입니다. 역으로 그 매질이 얼마만큼 흡수하느냐 입니다. 따라서 이 흡수계수는 제안하신 유전율의 변화에 따른 빛의 늦어짐과 관계있다고 보여집니다.  그렇다면 천문학적으로 적당한 모델을 설정하면 이 값, 즉 빛의 늦어짐이 실제로 일어나는 가를 판달할 수 있겠습니다.

다행히 우리 은하수는 방향에따라, 즉 은하수에 수직 방향에따라 수소의 밀도분포가 달라집니다. 대략 익스포넨샬 분포를 갖습니다. 그러므로 은하수 평면 가까이와 그 수직방향에서 '관측해 보면 그 차이를 알아볼 수 있겠습니다. 대략 은하수 면의 흡수는 2등급, 즉 빛이 수직방향보다 2.5x2.5=6.25배 어두어지게 됩니다.

이 값이 유전률에 어느 정도 영향을 미치는지 알 수 없지만 관측적으로  빛이 느려지는 현상이  나타나지는 않는 것으로 봐서 그 값의 변화 무시할 수 있을 정도로 작다고 생각됩니다. 한편 똑같은 현상이 지구대기에 의하여도 나타나야 하는데 역시 그런 현상, 즉 지평선 근처와 바로 머리 위에 있을 때  펄서의 주기 등의 변활를 발견할 수 없습니다.           

마찬가지로 아주 먼 퀘이사의 경우 수십억광년 거리에 있으므로 이의 영향을 받을 것처럼 보이지만 실제 시선방향의 켈럼 덴시티는 그렇게 크지 않습니다. 이 경우에는 거시적으로 아인슈타인 효과에 의한 빛의 딜레이, 즉 중력렌즈에 의한 경로차에 따른 빛의 딜레이가 더 커지게 됩니다. 

따라서 현재까지 우주공간의 유전율 변화에 따른 천문학적 영향은 없다는 것이 결론이 되겠습니다.

>빛의 진행에 대해 말하지요:
>
>(제1방식)진공에서의 빛의 진행은...매질의 도움이 전혀 필요치 않지요; 이는 멕스웰방정식을 상호 결합하여 수학적인 해답이 도출되어 있습니다.(이전에는 ether 라는 전달매개체가 있다 했었으나...이젠 이 학설은 사라졌습니다)
>(제2방식)유전체(예를 들어 유리나 물 등) 내에서의 빛의 진행을 볼까요? 현재 이론은 빛(전자기파의 oscillation)이 원자에게 전자밀도의 oscillation 을 유도하여...이에 따라 원자가 전자기파를 내놓고...이러한 과정이 연속하여 매질내에서 진행하고...이 과정의 결과로 빛의 진행속도가 느려진다 합니다(Atkins "물리화학" 교과서 참조).
>일견 그럴듯하지요? (교과서에 실려있고 교수들이 이대로 강의하니 마치 당연한 것처럼 여겨집니다)...그러나 난 PTST 추론기법을 활용하여... (Pre-Textbook Science&Technology: 내가 고안한 용어임--교과서 이전의 과학기술...screening test, experimental design, the scaling concept 등 실제 현장에서 필요한 문제해결의 논리적 기법을 총칭함)
>
>진공과 유전체의 중간영역의 매질에서의 빛의 진행은...예를 들어 1기압의 대기 중에서의 빛의 진행은 제1방식을 따를까요...아님 제2방식을 따를까요? (대기는 굴절율을 가집니다...진공에서의 1 보다 약간 더 크지요)
>만일 제2방식이라 답한 분들은...또 다른 단계로서;
>지구대기보다 훨씬 희박한 밀도의 공간(예를 들어 우주의 성간물질 등)에서의 빛의 진행은 1...2...어느것?
>이 추론을 이어나가면(마치 제논의 역설처럼)...빛의 진행을 1방식과 2방식으로 구분하는 현재의 교과서내용이 오류임을 알 수 있습니다; 즉, 진공영역에서의 진행과 유전체 내에서의 진행을 모두 포용할 수 있는 통일된 photon 역학이 있어야 합니다.
>
>본인은 이에 연계하여 photon trapping 이론을 도출했습니다. 이는 photon이 원자나 분자에 쪼여질 때의 현상을 다룹니다. 이 현상들은 매우 다양합니다; 빛의 진행속도의 감소, 굴절, 반사, 산란, 빛의 흡수, 형광, 인광, nonradiative decay...등등. 현행 교과서에는 이들 현상이 모두 다른 관점에서 기술되고 있습니다. (제가 설명하려는 신이론은 이 모든 현상을 통합하여 기술할 수 있는 길을 모색합니다---이는 한편 중력과 전자기력의 통합에 관련되어 있지요)
>
>현행의 이론체계는 매우 납삽한데...예를 들어 분자에 의한 빛의 비공명산란은 완전한 고전-전자기역학으로, 빛의 공명산란(resonance light scattering)은 고전역학과 양자영학의 짬뽕역학으로 설명하며...빛의 공명흡수는 양자역학으로 설명합니다. 마치 세 현상이 전혀 다른 듯 각개전투 형식으로 기술되어 있어 초학자가 이해하기에 매우 혼란스럽습니다(이를 잘 안다-하는 사람들도 사실은...잘 모르는 거라 할 수 있읍니다...왜냐면 현재 이론이 옳지 않을 가능성이 크기 때문이지요).
>또한 빛의 굴절현상은 고전 전자기역학으로 설명되는데...이 이론 어디를 봐도 굴절율을 직접 유도할 수 있는 "미시적 역학이론"은 없습니다. 즉, 주어진 매질에 대해 직접 굴절율을 측정할 수는 있지만...우리가 측정하기 곤란한 매질은 굴절율을 알아낼 수 없습니다.
>
>저는 성간물질의 유전체로서의 특성을 말하고자 하는 겁니다.(내가 아는 바로는 이에 대한 기존의 물리학적 논의는 전혀 없지요). 만일 "미시적 유전체이론"을 개발하면...우주의 성간물질의 유전율을 예측할 수 있고 이에 따라 천문관측 자료의 재해석이 가능하며(설혹 성간물질의 유전율의 증가분이 진공에서의 값인 1 에 비해 극히 적은 수치라 할지라도...수억광년 단위의 빛의 진행을 볼 때)...변광성 자료의 보정이나 우주의 성간물질의 밀도분포의 지도를 작성하거나...천문학연구의 대지각변동을 가져오며...허블상수의 재검증을 통한 우주론 자체의 획기적인 인식변화를 예정하게 됩니다)
>
>제3차 대화에서: 위 논의를 위해 저는 "energy landscape theory"를 잠시 언급해야 하고...이 중 일부 논의는 작년에 노벨물리학상을 수상한 MIT의 "frozen light 실험"과 일치하며...이는 이미 제가 4-5년전에 photon trapping theory로 유도한 것임을 설명하고자 합니다(물론...저는 이 연구 아이디어를 국내에서 수행할 수 있는 연구비를 받을 수 없었기 때문에 우리나라가 얻을 수 있었던 소중한 노벨상 하나가 날라간 거지요). 그러나...이 외에도 노벨상을 받을 수 있을 만큼의 연구아이디어는 제 이론 중에 차고도 넘치니...별루 섭섭하게 생각하진 않습니다.(실제 저의 독창적인 아이디어가 남의 이름으로 수행되고 있는 것이 몇 됩니다--그러나 여러 여건 상 밝힐수는 없습니다. 저로서는...시간강사 또는 포닥으로서...나의 아이디어를 받아주어 현실화시킬 수 있는 사회적 여건이 갖추어지지 않은 것이 못내 아쉽습니다)
>
>

  • 유종완 ()

      저도 소요유님과 비슷한 수치가 아닐까 생각했었습니다. 막상 듣고보니 큰 도움이 되어 기쁩니다

  • 유종완 ()

      소요유님 글에서의 수소에 의한 photon trapping은 제가 가진...resonant photon trapping이고...제가 주장한 건 nonresonant photon trapping입니다. 이에 대한 논의는 laser cooling 실험 이후에야 나온 듯 한데...특히 유전률의 계산은 resonant photon trapping 과는 전혀 다른 논의일거라 추측합니다

  • 유종완 ()

      그러나 아인슈타인의 중력렌즈효과를 언급한 곳을 보니 제가 주장한 공간왜곡을 그 친구가 이미 밝혀버렸음을 알게됬군요. 저는 천문학에 문외한이라...그럼 이제 확신을 가지고 일반 매질에서의 비선형광학 현상에 중력왜곡을 도입할 후원자를 발견한 기분입니다.

  • 소요유 ()

      저 물리학기반이 양자역학까지 입니다. 천문학하는 저로서는 고체나 핵물리 (그냥 가져다 쓰면되니) 그런 걸 할 필요도 없었습니다. 그러니 입자론 이나 광이론 (비선형 광이론) 등은 알 필요도 없었습니다.  저희들은 고전적인 선형 광학 (기하광학)을 배우게 됩니다. 물론 중력렌즈이론도 저희 쪽에서 보면  기하광학이론  입니다.  전 잘모르지만.

  • 소요유 ()

      문제는 과연 우주와 같은 '거시적'인 구조에서 비선형 광학이론이  타당할까 하는 점입니다. 제가 생각하기에는 중력은 아직 현대물리학의 영역에 들어가기에는 개발이 덜된 것 같습니다. 

  • 소요유 ()

      참고로 현재 천문학에서 마이크로렌징 현상, 즉 작은 규모의 질량에 의한 중력렌즈에 대하여 논의가 많이 이루어 지고 있습니다. 이론적 기반은 거의 끝났고 이제는 천문학적 현상의 해석에 관심을 갖는 단계입니다. 

  • 소요유 ()

      한가지 코멘트를 덧 붙이면 일반적으로 굴절률은 파장의 함수입니다. 따라서 단일파장빛이 아닌 복합적인 빛의 경우에는 실험적으로  시간 딜레이, 혹은 굴절률을 찾아낼 수 있을 겁니다. 

  • 소요유 ()

      다시 말하면  현재 천문학 관측에서 위 사실말고도 파장에 따른  굴절률 (즉 유전률) 변화를  잡아낼 수 없습니다.

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