전자기파가 에너지 파동이라면 어떻게 물질의 성질인 관성을 유지할까?

모든 파동이 일정한 속도와 방향을 유지하려고 하는 것은 관성을 가지고 있기 때문이다. 그런데 관성은 물질에서 나온다. 빛이나 전자기파가 물질이 없는 에너지 양자로 구성되어있다면 어떻게 관성을 가질 수 있을까?

이 질무은 상대성이론의 관성력 현상과 양자역학의 에너지 파동 현상의 관계를 묻는 질문인 동시에 두 이론이 양립할 수 있는지를 묻는 질문이기도 하다. 그렇다면 상대성이론의 주요내용과 양자역학의 주요내용을 서로 비교해보면서 답에 접근해보자.

1. 운동역학인 특수상대성이론 6가지.

1) 모든 운동은 상대적이며, 모든 등속운동계는 같은 조건에서 물리법칙을 적용할 수 있다.

2) 빠른 속도로 달리는 운동계에서는 외부에 비해 시간이 느리게 간다.

3) 빠른 속도로 달리는 물체는 진행 방향으로 길이가 줄어든다.

4) 빠른 속도로 달리는 물체는 질량이 늘어난다.

5) 어떠한 질량을 가진 물질도 빛의 속도에 도달할 수 없다.

5) 질량과 에너지는 등가이다.

2.운동역학인 일반상대성이론 2가지

1) 중력이 시공간을 왜곡시킨다.

2) 중력과 중력가속도는 구분할 수 없다.

3. 양자역학에 대한 코펜하겐 해석 5가지

1) 입자의 상태는 파동함수에의해 결정되며 파동함수 제곱은 측정값의 확률밀도를 나타낸다.

2) 모든 물리량은 관측 됐을 때 의미를 갖는다.

3) 서로 관계를 갖는 물리량은 하이젠베르크의 불확정성의 원리에 의해 위치와 운동량을 동시에 측정하는 것이 불가능하다.

4) 모든 입자들은 입자의 성질과 파동의 성질을 갖고 서로는 상보성을 띠고 있다.

5) 양자 상태는 불연속적이고, 특정한 물리량만 갖는다. 한 상태에서 다른 상태로 전환할 때 양자도약이 일어난다. 한 상태에서 사라지고 다른 상태에서 나타난다.

우선 질량을 갖는 물질이 상호작용하는 운동현상을 설명하는 상대성이론에서는 물질의 원천인 질량을 중력이라고 제시한다. 중력이라는 힘이 직진하는 시공간을 왜곡시킨다는 뜻을 전자기파의 양자에너지에 적용하면, 중력이 직선으로 진행하는 전자기 파동을 비틀어지게 한다는 뜻이다. 이때 전자기파동을 비트는 속도가 어느 정도냐하면, 중력가속도의 속력으로 왜곡시킨다고 한다. 그래서 중력과 중력가속도는 구분할 수 없다고 하는 것이다.

중력과 중력가속도의 관계는 중력이 끌어가는 방향으로 중력가속도가 달려가는 양상을 말해준다. 문제는 중력이 늘어나는 방향으로 끌려가는 것이 아니라, 중력이 줄어드는 방향으로 끌려가는데 있다. 왜냐하면 둘 사이에 거리가 멀어질수록 둘 사이에 인력은 점점 약해지기 때문이다. 이는 결국에는 중력과 중력가속도의 관계는 질량에 대한 설명을 하지 못하게 되는 문제이다. 결국 거리가 무한대로 멀어지면 둘 사이에 인력은 제로가 되기 때문이다. 그렇게 되면 중력 대신에 관성력이라는 가상의 힘이 제시된 것이다. 그런데 이러한 관성력을 제시하더라도 속 시원하게 중력과 중력가속도의 현상을 설명하지 못하는 이유는 중력은 질량이 있어야 성립되는 물리량인데, 중력과 중력가속도의 관계로는 질량을 가질 수가 없기 때문이다. 이는 상대성 이론의 역설이기도 하다. 그런데 역으로 질량을 얻는 과정을 설명하는 힉스입자는 양자역학에서 나온다. 이 역시 양자역학의 역설이다. 질량이 없는 에너지양자에서 질량을 얻는 과정을 설명해 주기 때문이다. 이는 상대성이론이나 양자역학 모두 불완전한 상태에 놓여있음을 보여주는 한 단면이다. 그래서 그 유명한 아인슈타인과 보어의 논쟁이 나오게 된 것이다. 아이슈타인의 주장은 신은 주사위놀음 따위는 하지 않는다. 보어의 반격은 신이 주사위로 무얼 하든 그건 신이 알아서 할 일이다. 물질과 비물질 사이에도 상호작용을 도입하여 해결해보자. 미시세계의 운동이든 거시세계의 운동이든 핵심적으로 중첩되는 원리는 상호작용이다. 원자의 본질은 가까우면 멀어지고 멀어지면 가까워지려고한다.라는 표현에서 이는 상호작용성을 내포한 것이고, 거시세계에서 상대성이론이라는 용어자체가 상호작용성을 내포하는 말이다.

질량이 없는 에너지 양자와 질량을 얻게 되는 중력의 관계는 상호작용으로 설명할 수 있다. 질량이 없던 파동 입자에너지가 질량을 얻게 되는 원리는 상대성이론으로 설명할 수 없고, 양자역학에서 힉스입자의 존재로 설명되며 또한 증명되었다. 반면에 관성이 없는 파동이 질량을 얻는 과정은 특수상대성이론인 빠른 속도로 달리면 질량이 늘어나고, 질량을 가지면 빛의 속도를 넘어설 수 없으며, 질량과 에너지는 등가라는 특수상대성이론으로 밝혀진다. 비로소 여기서 질량이 없는 전자기파동 에너지가 질량을 가진 물질처럼 관성을 갖게 되는 이유가 나타나게 된다. 바로 순서의 문제이다. 질량이 있는 물질과 질량이 없는 양자에너지간의 상호작용 순서를 바꾸면 이런 현상이 가능하다. 논리를 비약하여, 빛이 어둠을 밝히는 것이 아니라 어둠이 빛을 끌어당긴다고 하면 질량이 있는 물질과 질량이 없는 파동사이에서의 상호작용은 어긋남이 없이 잘 맞아 떨어진다. 이는 어둠이 먼저 존재하느냐, 빛이 먼저 존재하였느냐라는 순서의 문제도 해결한다. 빅뱅이라는 대폭발사건으로 빛이 탄생하였다면 먼저 어둠이 있어야 함은 당연한 이치이다. 이는 또한 수학적으로는 순서를 핵심으로 하는 위상 수학이 문제를 푸는 열쇠가 될 것이다.

진행하던 빛이 물질을 얻으면 중력에 의해 끌려가고, 이때는 중력가속도의 속력으로 끌려간다. 빛이나 전자기파가 물질이 없는 에너지양자로 구성되어 있지만 빛과 빛 사이, 전자기파와 전자기파 사이에 끼어든 물질의 밀도가 얼마냐에 따라 상황은 달라진다. 끼어든 물질의 밀도가 아주 낮다면 거의 없는 것처럼 느껴진다. 이런 상태를 진공상태라고 부른다. 그러나 끼어 든 물질의 밀도가 높으면 빛의 밝기나 전자기파의 세기는 달라진다. 빛을 내는 2개의 전구 밝기가 동일하더라도 투명한 전구에서 나는 빛의 밝기와 까만 천으로 전구 주변을 감싼 상태에서 나오는 밝기는 차이가 생긴다. 이는 전자기파의 중간에 질량을 가진 물질이 끼어들어서 밝기를 조정한 것이기 때문이다. 이상을 종합하여 말하면, 빛이나 전자기파가 관성을 가질 수 있는 것은 중력과 상호작용하기 때문이다. 빛과 전자기파 자체만으로는 관성이 존재하지 않는다. 관성은 상호작용으로 나오는 힘이지 물질 자체가 가지는 에너지가 아니다. 빛은 중력과 상호작용을 함으로써 관성력을 얻는다. 그렇다면 빛이 관성력을 갖게 되는 시작점은 어디서부터일까? 이 의문을 풀기 전에 먼저 양자역학에서 가장 이해가 안 되는 이중슬릿실험의 양자중첩 현상을 거론할 필요가 있다. 양자 중첩 현상이란 이중슬릿이라는 2개의 바늘구멍처럼 생긴 실험 장치를 통해 원자나 전자를 쏘아 보내면 반대편에 2개의 줄로 상이 맺혀야 정상인데, 4줄로 나타나기도 하는 기이한 현상을 말한다. 보어나 하이젠베르크를 비롯한 저명한 과학자들이 결국 확률해석으로 양자역학에 대한 코펜하겐 해석을 발표했고, 아인슈타인이 과학을 확률로 해석할 수 없다고 반대함으로써 치열한 논쟁을 불러일으킨 난제중의 난제였다. 결국 과정을 명확히 설명할 수는 없지만 결과가 확률처럼 동일하게 나타나므로 보어의 확률해석이 적절하다고 결론이 났었다. 하지만 100년쯤이 흐른 뒤인 2016년, 세계 과학계가 중력파 검출에 성공했다고 발표함으로써 100여 년 전 아이슈타인이 중력파의 존재를 예언했던 것이 현실화 되고 있따. 중력파의 검출로 전자기파동에는 중력파도 함께 존재한다는 결론에 가까워지게 된 것이다. 긴 머리카락 2개를 사인파 곡선처럼 지그재그로 배열하여 약간 떨어져 보면 하나로 보인다. 이 때 2개의 머리카락이 정확히 일치하지 않고 약간 흐트러지면 2개로 보인다. 이는 위상 차이 때문이다. 이렇게 위상차이로 설명하면 간단하지만 원자단위 이하를 다루는 양자역학에서는 결맞음과 결어긋남이라는 용어로 미시세계의 입자와 파동을 설명한다. 파동의 결맞음은 중력파와 전자기파동의 위상이 정확히 90도가 되어 2개의 파동이 겹쳐지므로 이를 구분할 수 없는 경우이다. 반대로 파동의 결어긋남은 2개의 파동이 겹치는 90도의 정확한 위상차를 벗어나므로 중력파와 전자기파동이 구분되어 나타나는 경우이다. 그런데 중력파는 관측할 수 없고 전자기파동만 관측할 수 있는 이유는 아직까지 중력파를 관측하는 기재가 존재하지 않기 때문이다. 그럼 중력파와 결맞음, 결어긋남 개념을 도입하여 빛이 관성력을 갖게 되는 경계면을 알아보자. 중력파와 전자기파동이 결맞음이 되어 빛의 직진성을 계속 유지하려면 빛이 진행하는 방향에 방해물질이 전혀 없어야 한다. 단 하나의 원자알갱이 같은 방해물만 있어도 위상차는 90도는 흐트러지면서 결어긋남이 발생하고, 빛의 진행은 휘어지는 곡률이 발생하기 시작한다. 직진하던 빛이 휘어지기 시작하면 계속해서 휘어지려하므로 휘어짐의 관성력이 생긴다. 질량이 없는 파동이 관성이 생기는 경계는 결어긋남에서 비롯된다. 이처럼 파동의 결어긋남은 중력파와 전자기파동의 위상차이가 그 원인이다. 반면 직진하는 빛이 방해물이 없으면 계속 직진하려 하는 것도 직진 관성이다. 이 직진 관성력을 계속 유지하려면 중력파와 전자기파동은 결맞음이라는 90도의 위상차를 정확히 유지해야 한다. 전자기파동이 중력파와 쌍둥이 파동으로써 서로 상보적으로 존재하고 있다면 질량이 없는 파동이 관성을 갖게 되는 원인을 위상차로써 자명하게 설명할 수 있다.