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.