가변광속 이론

1. 개요

가변광속 이론(VSL)은 빛의 속도(c)가 시간에 따라 변할 수 있다는 가설이다. 일반 상대성 이론 내에서 빛의 속도 변화 가능성이 제기되었으며, 로버트 딕은 1957년 중력 이론을 통해 VSL을 제안했다. 이후 여러 과학자들이 VSL 우주론적 모델을 제안하여 우주론의 지평선 문제를 해결하고 우주 급팽창의 대안을 제시하기도 했다. 한편, VSL 개념은 차원 물리량의 변화가 단위 선택의 문제일 뿐이라는 비판과, 현대 물리학의 많은 부분을 수정해야 한다는 비판에 직면해 있다.

2. 역사적 제안

알베르트 아인슈타인은 일반 상대성 이론에서 빛의 속도가 위치에 따라 변할 수 있다고 언급했다. 막스 보른은 중력장에서 빛의 속도가 변한다고 주장했고, 피터 버그만은 평평한 공간에서 멀리 있는 관찰자는 속도의 명백한 변화를 볼 수 있다고 주장했다. 1921년 아인슈타인은 가변 광속이라는 주제를 도입하고, 빛의 속도 변화가 벡터 방향이 아니라 스칼라 크기임을 보여주었다.

1957년 로버트 딕은 빛의 속도가 변할 수 있는 가변 광속(VSL) 중력 이론을 제시했다. 딕은 빛의 주파수와 파장이 모두 변할 수 있다고 가정하고, 굴절률을 통해 빛의 편향 관측값과 일치하는 이론을 만들었다. 그는 또한 c가 시간에 따라 감소하는 우주론을 고려하여 우주론적 적색편이에 대한 대안적인 설명을 제시했다.

이후 딕의 모델을 포함하여 일반 상대성 이론의 시험과 일치하는 여러 가변광속(VSL) 모델이 개발되었다. 장 피에르 프티, 존 모팻, 안드레아스 알브레히트와 조앙 마게이조 팀은 가변광속을 이용한 우주론적 모델을 제안하여 우주론의 지평선 문제를 해결하고 우주 급팽창 이론의 대안을 제시하고자 했다.

2.1. 일반 상대성 이론의 해석

일반 상대성 이론의 기초가 되는 아인슈타인의 등가 원리는 임의의 국부적으로 자유롭게 떨어지는 기준 좌표계에서 빛의 속도는 항상 동일해야 한다는 것을 요구한다. 그러나 이것은 관성 관찰자가 먼 지역에서 빛의 겉보기 속력을 추론하여 다른 값을 계산할 가능성을 열어두고 있다. 멀리 있는 관찰자의 시간 기준에 대해 측정된 중력 포텐셜에서 빛의 속도의 공간적 변화는 일반 상대성 이론에서 암시적으로 존재한다. 겉보기 광속은 중력장에서 변할 것이고, 특히 멀리 있는 관찰자가 볼 때 사건의 지평선에서 0이 된다.

리처드 톨만은 중력장에서 빛의 반경 방향 속도를 dr / dt 로 표현했다.

:$\backslash frac\{dr\}\{dt\}\; =\; 1\; -\; \backslash frac\{2m\}\{r\},$

여기서 m 은 MG / c ² 이고 자연 단위는 c ₀ 이 1과 같도록 사용된다.

알베르트 아인슈타인은 "광선의 곡률은 빛의 전파 속도가 위치에 따라 변할 때만 발생할 수 있습니다."라고 하였다. 막스 보른은 중력장에서 빛의 속도가 변한다고 주장했고, 피터 버그만은 사용된 계산과 동일한 중력에서 측정할 때 방향만 변할 뿐 속도는 변하지 않는 반면 평평한 공간에서 멀리 있는 관찰자는 속도의 명백한 변화를 볼 수 있다고 주장했다.

1921년 아인슈타인의 프린스턴 강의에서 가변 광속이라는 주제가 도입되고 개발되었으며, 그는 빛의 속도 변화가 벡터 방향이 아니라 스칼라 크기임을 보여주었다. 그는 수성의 근일점 이동을 예시로 제시했다.

2.2. 딕(Dicke)의 제안(1957)

로버트 딕은 1957년 빛의 속도가 변할 수 있는 가변 광속(VSL) 중력 이론을 개발했다. 딕은 빛의 주파수와 파장이 모두 변할 수 있다고 가정했는데, 이는 $c\; =\; \backslash nu\; \backslash lambda$ ($\backslash nu$는 주파수, $\backslash lambda$는 파장)이므로 빛의 속도 c의 상대적인 변화를 가져온다. 딕은 굴절률 $n=\; \backslash frac\{c\}\{c\_0\}\; =\; 1+\backslash frac\{2\; GM\}\{r\; c^2\}$ (식. 5)를 가정하였는데, 이는 빛의 편향에 대한 관측값과 일치함을 보였다. 마흐의 원리와 관련된 논평에서 딕은 식 5에서 우변은 작은 값이지만, 좌변의 1은 "우주의 나머지 물질에서 그 기원"을 가질 수 있다고 제안했다.

지평선이 커지는 우주에서 점점 더 많은 질량이 위의 굴절률에 기여한다는 점을 감안할 때, 딕은 c가 시간에 따라 감소하는 우주론을 고려하여 우주 론적 적색편이에 대한 대안적인 설명을 제시했다.

2.3. 후속 제안

딕의 모델을 포함하여 일반 상대성 이론의 알려진 모든 시험과 일치하는 여러 가지 가변광속(VSL) 모델이 개발되었다. 다른 모델에서는 등가 원리를 명확하게 하거나, 디랙의 큰 숫자 가설과 연결 고리를 만든다고 주장한다.

장 피에르 프티, 존 모팻, 안드레아스 알브레히트와 조앙 마게이조 팀은 각각 1988년, 1992년, 1998년에 독립적으로 가변광속을 이용한 여러 우주론적 모델을 제안했다. 이들은 우주론의 지평선 문제를 해결하고 우주 급팽창 이론의 대안을 제시하고자 했다.

3. 다른 상수 및 그 변형과의 관계

폴 디랙은 1937년에 자연 상수가 시간에 따라 변하는 결과에 대해 연구하기 시작했다. 그는 중력 상수 G가 1년에 10¹¹분의 5만큼 변한다는 디랙 큰 숫자 가설을 제안했다. 그러나 리처드 파인만은 지질학적 및 태양계 관측을 바탕으로 이러한 변화 가능성에 대해 이의를 제기했다.

미세 구조 상수의 변화에 대해서는, 멀리 떨어진 퀘이사를 연구한 결과 10⁵분의 1 수준의 변화가 감지되었다는 주장이 있었지만, 다른 퀘이사 연구에서는 이를 반박하는 결과가 나왔다. 오클로의 자연 원자로를 이용한 연구에서는, 대부분 과거 20억 년 동안 미세 구조 상수 α 값이 오늘날과 거의 동일했다는 결론을 내렸다.

폴 데이비스 등은 미세 구조 상수를 구성하는 차원 상수(기본 전하, 플랑크 상수, 빛의 속도) 중 어떤 것이 변동의 원인인지 구별할 수 있다고 제안했으나, 이에 대한 반론도 제기되었다.

3.1. 중력 상수 ''G''

폴 디랙은 1937년에 자연 상수가 시간에 따라 변하는 결과에 대해 연구하기 시작했다. 디랙은 다른 기본적인 힘에 비해 중력이 상대적으로 약한 것을 설명하기 위해 중력 상수 G가 1년에 10¹¹분의 5만큼 변한다고 제안했다. 이것은 디랙 큰 숫자 가설로 알려지게 되었다.

그러나 리처드 파인만은 지질학적 및 태양계 관측을 바탕으로 중력 상수가 지난 40억 년 동안 이만큼 많이 변했을 가능성은 거의 없다는 것을 보여주었다. 이것은 G가 독립적으로 변한다는 가정에 달려 있을 수 있다. (강한 등가원리 참조)

3.2. 미세 구조 상수 ''α''

한 연구팀은 멀리 떨어진 퀘이사를 연구하여 미세 구조 상수가 10⁵분의 1 수준으로 변화했음을 감지했다고 주장했다. 다른 저자들은 이러한 결과에 이의를 제기한다. 퀘이사를 연구하는 다른 그룹들은 훨씬 더 높은 민감도에서도 감지 가능한 변화가 없다고 주장한다.

오클로의 자연 원자로는 지난 20억 년 동안 원자 미세 구조 상수 α가 변했는지 확인하는 데 사용되었다. 그 이유는 α가 다양한 핵 반응의 속도에 영향을 미치기 때문이다. 예를 들어, ¹⁴⁹사마륨은 중성자를 포획하여 ¹⁵⁰사마륨가 되며, 중성자 포획 속도는 α의 값에 따라 달라지므로, 오클로의 샘플에서 두 사마륨 동위원소의 비율을 사용하여 20억 년 전의 α 값을 계산할 수 있다. 여러 연구에서 오클로에 남겨진 방사성 동위원소의 상대적 농도를 분석했으며, 대부분의 연구는 당시의 핵 반응이 오늘날과 거의 동일했으며, 이는 α도 동일했음을 의미한다고 결론지었다.

폴 데이비스와 동료들은 미세 구조 상수를 구성하는 차원 상수(기본 전하, 플랑크 상수, 빛의 속도) 중 어떤 것이 변동의 원인인지 원칙적으로 구별하는 것이 가능하다고 제안했다. 그러나 이에 대해 다른 사람들은 이의를 제기했으며 일반적으로 받아들여지지 않는다.

4. 다양한 VSL 개념에 대한 비판

존 배로는 미세 구조 상수(α)와 같이 차원이 없는 수량이 세계를 정의하는 방식에서 중요한 교훈을 얻을 수 있다고 보았다. 그는 빛의 속도가 느려진 세상을 가정하는 것은 실수라고 지적했다. `c`(빛의 속력), `h`(플랑크 상수), `e`(기본 전하)가 모두 변하여 미터법 단위의 값이 달라지더라도 `α`의 값이 동일하게 유지된다면, 이 새로운 세상은 우리 세상과 관측상 구별할 수 없기 때문이다. 따라서 세계를 정의하는 데 중요한 것은 자연의 무차원 상수의 값이라고 강조한다.

모든 물리 법칙 방정식은 모든 차원량을 같은 차원의 양에 대해 정규화(무차원화)하여 무차원 양만 남는 형태로 표현할 수 있다. 물리학자들은 물리 상수인 빛의 속력(`c`), 중력 상수(`G`), 플랑크 상수(`ħ= h /(2π)`), 4π ε₀ 및 볼츠만 상수(`k` _B)의 값이 1이 되도록 단위를 선택하여 모든 물리량을 대응하는 플랑크 단위에 대해 정규화할 수 있다. 이러한 이유로 차원량의 변화를 논하는 것은 무의미하다는 주장이 제기되기도 한다.

플랑크 단위를 사용하고 물리 법칙 방정식을 무차원화된 형태로 표현하면 `c`, `G`, `ħ`, `ε`₀, `k`_B와 같은 차원 물리 상수는 사라지고 무차원 양만 남게 된다. 인체 측정 단위의 종속성이 없어지면, 빛의 속도, 중력 상수, 플랑크 상수와 같이 가변적인 물리량은 수학적 표현에 남지 않게 된다. 예를 들어, 중력 상수 `G`가 변한다고 가정할 때, 잠재적으로 변하는 관련 무차원 양은 기본 입자의 질량에 대한 플랑크 질량의 비율이 된다. 빛의 속도와 관련된 몇 가지 주요 무차원 양(특히 미세 구조 상수 또는 양성자 대 전자 질량 비율)은 유의미한 변동 가능성이 있으며, 이에 대한 연구가 계속되고 있다.

조지 엘리스는 가변 `c`가 상수 `c`에 의존하는 현재 시스템을 대체하려면 현대 물리학의 많은 부분을 다시 작성해야 한다고 우려했다. 엘리스는 모든 가변 `c` 이론에서 (1) 거리 측정을 재정의, (2) 일반 상대성 이론에서 미터법 텐서에 대한 대체 표현 제공, (3) 로렌츠 불변성과 모순, (4) 맥스웰의 방정식 수정, (5) 다른 모든 물리학 이론과 일관성 유지가 필요하다고 지적했다. VSL 우주론은 주류 물리학의 외부에 있다.

4.1. 무차원 및 차원 수량

존 배로는 미세 구조 상수(α)와 같이 차원이 없는 수량이 세계를 정의하는 방식에서 중요한 교훈을 얻을 수 있다고 보았다. α는 기본 전하(e), 빛의 속력(c), 플랑크 상수(h)의 조합으로 이루어진 순수한 숫자이다. 그는 빛의 속도가 느려진 세상을 가정하는 것은 실수라고 지적했다. c, h, e가 모두 변하여 미터법 단위의 값이 달라지더라도 α의 값이 동일하게 유지된다면, 이 새로운 세상은 우리 세상과 관측상 구별할 수 없기 때문이다. 따라서 세계를 정의하는 데 중요한 것은 자연의 무차원 상수의 값이라고 강조한다.

모든 물리 법칙 방정식은 모든 차원량을 같은 차원의 양에 대해 정규화(무차원화)하여 무차원 양만 남는 형태로 표현할 수 있다. 물리학자들은 물리 상수인 빛의 속력(c), 중력 상수(G), 플랑크 상수(ħ= h /(2π)), 4π ε₀ 및 볼츠만 상수(k _B)의 값이 1이 되도록 단위를 선택하여 모든 물리량을 대응하는 플랑크 단위에 대해 정규화할 수 있다. 이러한 이유로 차원량의 변화를 논하는 것은 무의미하다는 주장이 제기되기도 한다.

플랑크 단위를 사용하고 물리 법칙 방정식을 무차원화된 형태로 표현하면 c, G, ħ, ε ₀, k _B와 같은 차원 물리 상수는 사라지고 무차원 양만 남게 된다. 인체 측정 단위의 종속성이 없어지면, 빛의 속도, 중력 상수, 플랑크 상수와 같이 가변적인 물리량은 수학적 표현에 남지 않게 된다. 예를 들어, 중력 상수 G가 변한다고 가정할 때, 잠재적으로 변하는 관련 무차원 양은 기본 입자의 질량에 대한 플랑크 질량의 비율이 된다. 빛의 속도와 관련된 몇 가지 주요 무차원 양(특히 미세 구조 상수 또는 양성자 대 전자 질량 비율)은 유의미한 변동 가능성이 있으며, 이에 대한 연구가 계속되고 있다.

4.2. 가변 ''C'' 우주론에 대한 일반적인 비판

일반적인 관점에서 조지 엘리스는 가변 c가 상수 c에 의존하는 현재 시스템을 대체하려면 현대 물리학의 많은 부분을 다시 작성해야 한다고 우려했다. 엘리스는 모든 가변 c 이론에서 다음과 같은 점들을 지적했다. (1) 거리 측정을 재정의해야 한다. (2) 일반 상대성 이론에서 미터법 텐서에 대한 대체 표현을 제공해야 한다. (3) 로렌츠 불변성과 모순될 수 있다. (4) 맥스웰의 방정식을 수정해야 한다. (5) 다른 모든 물리학 이론과 일관성을 유지해야 한다. VSL 우주론은 주류 물리학의 외부에 있다.