온도의 근원, 무리한 설명
1. 온도를 5장에서는 엔트로피를 이용해서 정의하자고 자연철학 책에서는 말하고 있습니다.
위키의 Universe 를 보시면, 오른쪽 박스 안의 평균온도가 있고, 붙어있는 주는 우주배경복사 입니다.
우주배경복사의 온도가 우주의 온도라는 것이지요. (같은 질문이 몸풀이 모임에서 있었습니다. 답변은 좀 다른 듯 했지만요.)
그러면 이 때의 온도는 무슨 엔트로피와 연관이 된 것일까요?
그냥 흑체복사의 온도 아닌가요?
그렇다면 온도의 정의는 엔트포피를 이용한 5장의 방식과 흑체복사 그래프를 이용한 것, 이렇게 두 개가 있는 것으로 봐야 할까요?
2. 우주론 설명에서 제일 이해가 안가는 대목이 공간이 확장한다는 것입니다. 공간이 확장하는 것이니까, 광속보다 빨라도 괜찮다고 하는데, 그 공간 확장은 뭘로 계산하고 설명하나요? 역시 일반상대론으로 설명하는 것이지요? 무슨 뉴턴의 절대 공간도 아니고, 공간은 물질과 다르다니 ... 굉장히 설명이 궁하다고 느껴집니다.
비슷하게 이해가 안되는 설명이, 우주의 중심은 없다고 하는 설명입니다. 풍선을 이용해서 이러니 저러니 하지요. 우리가 정말로 풍선 같은 우주에 사는지는 얘기하지 않구요, 조금이라도 질문하면, 이건 비유라고 합니다. 왜 과학에서 비유로 설명하지요? 풍선이라도 풍선의 중심을 충분히 생각할 수 있는데, 그러지 말라고 합니다. 왜 그런지는 따로 말하지 않고, 이쯤 되면 얼굴표정이 서로 안좋게 되지요.
저는 이 두 가지 모두 기존의 가정을 무리하게 유지하려고 하니까 저런 괴상한 설명과 비유로 '퉁'치려고 하는 것이라고 짐작합니다. 공간 확장 설명은 광속 일정, 광속보다 더 빠른 이동은 불가능하다 라는 상대론의 전제가 있어서 이고, 풍선 비유는 우주의 등방성, 우주는 어디서나 다 똑같다 , 그래서 중심이라는 특별한 위치는 없다 라는 우주론의 전제 때문이라고 짐작합니다.
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적색이동 세 가지와 르메트르-허블의 법칙 (1)
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빅뱅 우주론의 개요와 몇 가지 오해 (8)
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자연사랑 | 2022.06.12 | 5 | 4768 |
자연사랑님께서 다음 주 과학철학 학회에서 발표를 하시네요. 까다롭고 오해가 많은 "겹실틈 실험" 이 주제이구요. 학기말인데다 중요한 발표를 앞두시고도 자연철학 세미나 발표도 해주시고, 계시판에 친절하게 설명도 해 주셨네요. (그래서 화가 나셨나 봐요 ㅠㅠ 근데 저는 왜 저리 삐딱하게 글을 썼을까요? 발표도 안하는데 ?? 비가와서 그랬을까요 ? ㅠㅠ ) 감사합니다 !! 다음 주 물풀이 모임까지 저도 더 생각해보겠습니다.
1번 질문에 대한 제 의견을 "흑체복사 공식과 온도의 정의"란 제목의 글에서 상세하게 적었습니다.
2번 질문은 "빅뱅 우주론의 개요와 몇 가지 오해"에서 매우 상세하게 다루었습니다. 저는 그 설명이 왜 "궁하다고 느껴지시는지" 이해하지 못하겠습니다. 게다가 그것을 "괴상한 설명"이라거나 "비유로 퉁치려고 하는 것"이라고 폄훼하시는 것에 전혀 동의하지 않습니다. 심지어 이를 "사기꾼"이라거나 "위험한 조합"이라고 하시니, 무척 답답한 심경이 됩니다.
또 왜 공간과 물질이 같다고 믿고 계시는지 되려 질문드리고 싶습니다. 시공간 철학에서는 실체론(substantivalism)과 관계론(relationalism)이 오랫동안 논쟁해 왔습니다. 실체론은 시간과 공간이 물체와 독립하여 실체로서 존재한다는 입장인 반면, 관계론은 시간과 공간이 실질적으로 물체들 사이의 관계일 뿐이라고 보는 입장입니다. 두 경우 모두 공간과 물질을 같다고 주장하지 않습니다. 게다가 뉴턴의 이름과 연관되는 공간실체론도 그냥 반증되거나 사라진 것이 아닙니다. 철학적 입장, 특히 자연철학에서의 논의를 생각하면, 그런 입장이나 철학적 주장이 틀렸다고 말하는 것 자체가 성립하지 않습니다. 나름의 견해와 믿음을 가지고 다르게 생각하는 사람들과 계속 대화를 할 뿐입니다.
일반상대성이론에 대한 대중과학의 왜곡 중 하나가 바로 시공간과 물질이 결국 같은 것이었다고 말하는 것입니다. 아인슈타인의 중력장방정식 $G_{\mu\nu}=8\pi G T_{\mu\nu}$에서 좌변은 시공간의 거리함수와 그 도함수들로 이루어진 복잡한 기하학적 양인 반면, 우변은 물질의 에너지와 변형력과 운동량과 압력 등을 나타내는 물리학적 양입니다. (물론 더 깊이 들어가면 그렇게 쉽게 이분법적으로 말하기 어려운 면이 있습니다.) 일반상대성이론이 시공간을 물질로 환원한다거나 그 반대가 아닙니다.
프리드만 방정식에서 나오는 에너지 밀도와 압력은 물질적 속성입니다. 수소든, 헬륨이든, 전자든, 빛알이든 모두가 물리적 존재(입자, 원자, 분자)입니다. 이를 통해 공간의 팽창을 추론할 수 있다고 해서 공간이 물질과 같다고 오해하면 안 됩니다. 그래서 먼 은하에서 오는 프라운호퍼 흡수선의 적색이동이 은하의 멀어짐 같은 물리적 운동의 결과가 아니라 공간이 팽창해서 나타나는 것임을 강조할 필요가 있습니다.
물리학이든 자연철학이든 '풍선의 비유'를 들어 설명하는 일은 전혀 없습니다. 이것은 순전히 대중과학이든 초급 수준의 교육을 위해 궁여지책으로 가져오는 것입니다. 중력장이 트램폴린이 아니고, 전기장이 유동바퀴가 아니듯이, 우주 공간의 팽창은 풍선의 팽창이 아닙니다. 그런 비유로 자연철학이나 자연과학을 할 수 없기 때문에 불가피하게 수식이 들어간 진짜 자연과학을 말하는 것이 아닐까요?
우주공간의 팽창은 크기 인수(scale factor) $a(t)$가 시간이 흐름에 따라 커진다는 것이고, 물질에 해당하는 에너지-변형력 텐서에서 에너지와 압력의 관계에 따라 세 가지 가능성, 즉 (1) 빛(복사, 상대론적 물질) (2) 먼지(차가운 물질) (3) 진공에너지의 세 가능성이 있고, 그에 따라 $a(t)$를 시간의 함수로 비교적 정확하게 계산할 수 있다는 의미입니다. 여기에 왜 풍선 비유가 필요할까요?
르메트르-허블의 법칙은 풍선 위에 그려 놓은 동그라미들이 서로 멀어져 가는 것이 아닙니다. 단지 $1+z=\frac{a_0}{a}$로 주어지는 적색이동과 크기 인수를 비교할 때, $v=\frac{\dot{a}}{a}D=H(t) D$와 같이 크기 인수의 변화를 보여주는 경험적 관측입니다.
또 공간의 팽창이란 그냥 $a(t)$가 커지는 것임을 기억한다면, $a$가 단위가 없는 무차원 양이므로 $\frac{\mathrm{d}a}{\mathrm{d}t}$를 광속과 비교하는 것 자체가 부적절하고 불필요합니다. 심지어 특수상대성이론에서도 광속을 넘어가는 것이 절대적으로 금지된다고 말한 적이 없습니다. 단지 초광속 신호 전달이 있을 수 없다는 것에 불과합니다. 특수상대성이론에서도 여러 상황에서 초광속이 허용됩니다.
친구에게나 할 만한 가볍고 과격한 표현을 썼네요. 죄송합니다. 다만 제가 느끼던 답답함을 이리 표출한 것입니다. 우주의 과거, 미래에 대해 잘 아는 것 처럼 표현들 하지만, 어제의 허블상수값에 대한 그래프 처럼, 조금 더 파보면 굉장히 모호하거나 앞뒤가 안맞는 곳을 마주치곤 합니다. 우주의 가속팽창 관측은 정말로 놀라운 발견이지만, 이영욱 교수팀의 반박처럼, 완전히 확정되었다고 할 수 있을까요? 새로운 좋은 우주 망원경이 관측을 시작했으니, 앞으로 우리가 알던 많은 지식이 수정될 수 밖에 없을 것입니다. 제게는 우주론의 모든 부분이 죄다 잠정적인 얘기로 밖에 보이질 않네요.
과학 논쟁에서라면 사실과 논리적인 추론이 절대적으로 중요하지만, 자연철학 영역에서는 감정이나 충동이나 원래 선입견이나 설명하기 곤란한 전제나, ... 이런 것이 있을 수도 있지 않을까요? 자연철학 책을 3번도 넘게 보고 있지만, 아직도 자연철학이 뭔지 잘 모르겠네요....(물론 막나가는 자연철학은 곤란하겠지만요)
사실은 자연과학과 자연철학을 구별하는 것이 그리 쉽지 않습니다. 제가 공부해 온 과학철학이나 과학기술학의 관점을 가져오면, 가령 토머스 쿤이나 노우드 핸슨 이전의 실증주의적 과학관에서는 과학이 사실과 논리에 기반을 둔 추론이라고 믿었지만, 지금은 이런 접근이 거의 먹히지 않습니다. 자연과학의 실험은 항상 이론을 업고 있어야 하기 때문에 보고 싶은 것을 보고 아는 만큼 보인다는 말이 적용됩니다. 자연과학의 이론도 더 근원적인 패러다임의 영향을 강하게 받습니다. 여기에서 ‘패러다임’이란 개념은 좁은 의미에서 전문분야 내의 표준적 범례에 국한하지 않고 넓은 의미에서 존재론적 전제, 인식론적 가정, 가치에 대한 평가 등을 포괄합니다. 쿤의 패러다임 개념에도 많은 문제가 있어서 이를 비판하는 사람도 많지만, 여전히 깊이 성찰할만한 중요한 접근이기도 합니다. 이 접근에 따르면 가령 빅뱅우주론은 사실과 논리적 추론에 기반해 있다기보다는 신이 세상을 만들었으며 처음에 빛을 만들었다는 기독교-이슬람교의 교리와 맞아 떨어지는 선형적 시간관에서 출발한 것으로 볼 수도 있습니다. 감정이나 충동은 몰라도 선입견과 설명하기 힘든 전제에서 출발한 것입니다. 르메트르가 빛과 혼돈으로 가득 찬 아주 뜨거운 초기 우주를 떠올린 것과 그가 물리학자인 동시에 가톨릭 사제였다는 사실이 완전히 별개인 것은 아닐 수도 있습니다. 무신론자였던 프레드 호일은 빅뱅우주론에 반대하면서 이것이 기독교 사상과 깊은 관계가 있는 듯 하다는 견해를 밝히기도 했습니다.
여하간 자연과학의 많은 영역에서 풀어낼 수 있는 문제, 측정할 수 있는 실험으로 관심을 좁혀서 세분화한 것은 쿤의 개녑을 빌자면 모두 정상과학(규범과학)의 틀 안에 있기 때문입니다. 정상과학(규범과학)은 어떤 문제가 해결할만한 문제인지, 어디까지 해야 대답으로 간주할 수 있을지 등을 정해 줍니다. 여기에서 벗어나는 것은 연구주제로조차 채택되지 않습니다.
자연철학은 이러한 21세기 자연과학의 폐해와 약점을 극복하고자 하는 시도인 셈입니다. 세부적이고 국지화된 문제에 국한하지 않고 기존의 성과를 기반으로 전체 이야기, 즉 결정론, 자유의지, 시간, 공간, 우주, 물질, 생명, 주체와 객체, 앎 등의 문제를 제대로 파헤쳐 보자는 겁니다.