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기사제목: 중력에 대한 새로운 설명, 엔트로피 힘
[뉴스등록시간 : 2010년 01월 25일(월) 16시 22분] 출처: KISTI
중력이란 정확히 무엇일까? 모든 사람들이 중력을 경험하지만, 왜 우주가 처음에 중력을 갖는지를 명확히 이해하는 것은 어려운 것으로 입증되었다. 비록 아이작 뉴턴(Isaac Newton)과 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 고안한 법칙들에 의해서 성공적으로 설명되고는 있지만, 우주의 기본적인 특성들이 어떻게 결합하여 이러한 현상을 만드는지를 우리는 여전히 모르고 있다.
그런데 이제 한 이론물리학자가 중력을 바라보는 근본적으로 새로운 시각을 제안하고 있다. 국제적으로 존경받는 저명한 끈(string) 이론가인 네덜란드 암스테르담대(University of Amsterdam)의 에릭 벌린데(Erik Verlinde)는 중력에 의한 인력은 물체에 관한 정보가 공간에서 조직화되는 방식의 결과일 수도 있을 것이라고 주장한다. 만일 사실이라면, 이러한 이론은 우리가 수십 년 동안 갈구했던 근본적인 설명을 제공해 줄 수 있을 것이다. 벌린데는 이번 달 초 자신의 논문을 견본인쇄본 물리학 사이트(arxiv.org/abs/1001.0785)에 게재하였다. 그 이후 많은 물리학자들은 그 제안이 가능성이 있다고 환호했다. 노벨상 수상자이자 이론물리학자인 위트레흐트대(Utrecht University)의 제라르 후프트(Gerard `t Hooft)는 이번 아이디어가 좀 더 발전될 필요가 있다고 역설하고 있지만, 벌린데의 접근방식에는 감명을 받았다. “수많은 끈 이론가들과는 달리 에릭은 단지 화려하고 추상적인 수학이 아니라 질량이나 힘과 같은 실질적인 물리학적 개념을 강조하고 있다. 그런 점에서 고무적이다.”라고 그는 말한다.
뉴턴은 물체들 간의 힘을 다룸으로써 중력이 거시적인 규모에서 어떻게 작용하는지를 맨 처음 입증하였다. 아인슈타인은 자신의 일반상대성이론을 이용하여 뉴턴의 생각을 좀 더 다듬었다. 그는 물체가 우주의 구조를 왜곡하는 방식에 의해서 중력이 더 잘 묘사될 수 있다는 것을 입증하였다. 우리가 오로지 지구로 당겨지는 것은 지구의 질량이 주변 시공간을 구부리기 때문이다. 그러나 이것이 끝이 아니다. 뉴턴과 아인슈타인은 심오한 통찰력을 제공하기는 했지만, 그들의 법칙들은 수학적인 묘사일 뿐이다. “그 이론들은 중력이 어떻게 작용하는지는 설명하고 있지만, 그 근원에 대해서는 아니다.”라고 벌린데는 말한다.
이론물리학자들은 중력을 우주에 있는 다른 기본 힘들과 연결시키기 위해서 힘겨운 시간을 보내왔다. 원자보다 작은 세계를 설명하는데 있어서 오랫동안 최고의 틀이었던 표준모델에는 전자기학과 강한 핵력 및 약한 핵력은 포함되었지만 중력은 아니었다. 많은 물리학자들은 과연 그럴 것인지 의심한다. 중력은 중력자(gravitons)라고 하는 가상입자의 작용을 통해 전달되는 것으로 밝혀질지도 모르지만, 지금까지 중력자의 존재에 대한 증거는 없었다. 중력의 어색함은 최근 수십 년 동안 끈 이론과 양자고리중력(quantum loop gravity)과 같은 이론들이 제안된 주된 이유들 중 하나였다.
벌린데의 연구는 이 문제를 바라보는 새로운 시각을 제공해준다. “나는 중력이 시공간의 기본적인 특성으로부터 발생하는 현상이라는 것을 이제 확신한다.”라고 그는 말한다. 벌린데의 제안을 이해하기 위해서는 물의 유동성 개념을 이해해야 한다. 개별적인 분자들은 유동성이 없지만, 집단적으로는 유동성을 가진다. (유전:집단적 유동성은 바다 속의 흐름(유동 流動)과 대기권 흐름의 집단적 움직임을 뜻함) 이와 비슷하게, 중력은 물질 자체에 들어 있는 무언가가 아니다. 중력은 질량과 시간 및 공간의 상호작용으로부터 발생하는 특별한 물리학적 효과라고 벌린데는 말한다. 중력이 ‘엔트로피 힘’이라는 그의 생각은 열역학 제1법칙을 기반으로 하고 있지만, 홀로그래피(holography)라고 불리는 시공간에 대한 색다른 설명 속에서만 들어맞는다.
이론물리학에서의 홀로그래피는 2차원 표면에 새겨진 3차원 영상인 지폐의 홀로그램과 동일한 원리를 대체로 따른다. 그 물리학적인 개념은 1970년대에 케임브리지대(University of Cambridge)의 스티븐 호킹(Stephen Hawking)과 이스라엘 헤브루대(Hebrew Universit)의 제이콥 베켄스타인(Jacob Bekenstein)이 블랙홀의 특성을 설명하기 위해 개발되었다. 그들의 연구는 질량에 관한 정보를 표현하는데 필요한 모든 ‘비트(bits)’들을 가상의 천체(hypothetical sphere)가 저장할 수 있을 것이라는 통찰로 이어졌다. 1990년대에 후프트와 스탠퍼드대(Stanford University)의 레오라르드 서스킨드(Leonard Susskind)는 이러한 틀이 우주 전체에 적용될지도 모른다고 제안했다. 그들의 ‘홀로그램 원리’는 많은 기본이론들에 대해서 유용한 것으로 입증되었다.
벌린데는 별이나 행성과 같이 큰 질량으로부터 일정한 거리에 있는 작은 질량에서 일어나는 일을 고려하기 위해서 홀로그램 원리를 이용하고 있다. 작은 질량을 약간 움직인다는 것은 양쪽 질량 사이에 있는 가상의 홀로그램 표면의 정보량, 즉 엔트로피를 바꾸는 것을 의미한다고 그는 설명한다. 이러한 정보의 변화는 그 시스템의 에너지 변화와 연결된다. 작은 질량의 모든 가능한 운동과 에너지 변화를 통계학을 이용하여 고찰함으로써, 큰 질량 쪽으로의 운동은 다른 운동보다도 일어날 가능성이 더 크다는 것을 벌린데는 발견한다. 이러한 효과는 양쪽 질량을 동시에 당기는 순수한 힘이라고 생각될 수 있다. 물리학자들이 이 효과를 엔트로피 힘이라고 부르는 이유는 이것이 정보량의 가장 가능성 있는 변화로부터 생기기 때문이다.
그럼에도 불구하고 이것이 바로 중력을 가리키는 것은 아니다. 그러나 홀로그램 표면의 정보량에 대한 기본적인 표현에 포함시키면, 그 에너지양과 아인슈타인의 에너지-질량 관계는 바로 뉴턴의 중력법칙이 된다. 상대론적인 형태의 법칙은 단지 몇 단계 더 나아간 것일 뿐이며, 역시 간단히 유도된다. 그리고 이것은 사과와 행성 모두에 대해 적용되는 것처럼 보인다. “뉴턴 법칙을 완전히 다시 발견한 것은 행운이었을지도 모른다. 정말 옳다고 밝혀진 몇 개의 방정식들보다도 이것이 더 심오하다는 것을 상대론적 일반화는 보여준다.”라고 벌린데는 말한다. 벌린데의 논문은 몇몇 물리학자들의 칭찬을 받았다. 유명한 수리물리학자이자 역시 암스테르담대에 있는 로버트 다익그라프(Robbert Dijkgraaf)는 벌린데의 우아한 개념에 감탄한다. “이런 개념을 아무도 진작 제안하지 않았다는 것이 놀랍다. 이 개념은 대단히 간결하며 매우 설득력이 있다.”라고 그는 말한다.
그렇지만 이번 논문은 여전히 많은 이들의 외면을 받고 있다. 어떤 이들은 벌린데가 중력으로 시작함으로써 그의 방정식에 순환논리를 이용하고 있다고 생각한다. 다른 이들은 관련된 수학이 거의 평범하고 이론 대부분의 근거를 공간과 시간 및 정보라는 매우 일반적인 개념으로 남겨둔 것에 대해 걱정을 표했다. 일반상대론의 영역을 확장시킨 브렌데이스대(Brandeis University)의 스텐리 데서(Stanley Deser)는 벌린데의 연구가 유망한 것처럼 보이지만 많은 이해를 감수해야 할 폭탄이며 뉴턴과 후크로부터 아인슈타인에 이르는 우리의 모든 신조에 도전할 것이라고 말한다. 벌린데는 자신의 논문은 단지 이 주제에 관한 첫 번째 논문일 뿐이라고 강조한다. “아직 이론까지는 아니며, 새로운 패러다임이나 틀에 대한 제안이다. 어려운 연구가 이제 시작되는 것이다.”라고 그는 말한다.
출처 : KISTI
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유전: 엔트로피 힘 = 공기의 무게 압력(대기권)
http://blog.naver.com/mindbank/memo/100084352518
위 주소: (조선일보)중력은 실제 존재하는 힘인가? and (유전) 공기의 무게 압력 설명.
[뉴스등록시간 : 2010년 01월 25일(월) 16시 22분] 출처: KISTI
중력이란 정확히 무엇일까? 모든 사람들이 중력을 경험하지만, 왜 우주가 처음에 중력을 갖는지를 명확히 이해하는 것은 어려운 것으로 입증되었다. 비록 아이작 뉴턴(Isaac Newton)과 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 고안한 법칙들에 의해서 성공적으로 설명되고는 있지만, 우주의 기본적인 특성들이 어떻게 결합하여 이러한 현상을 만드는지를 우리는 여전히 모르고 있다.
그런데 이제 한 이론물리학자가 중력을 바라보는 근본적으로 새로운 시각을 제안하고 있다. 국제적으로 존경받는 저명한 끈(string) 이론가인 네덜란드 암스테르담대(University of Amsterdam)의 에릭 벌린데(Erik Verlinde)는 중력에 의한 인력은 물체에 관한 정보가 공간에서 조직화되는 방식의 결과일 수도 있을 것이라고 주장한다. 만일 사실이라면, 이러한 이론은 우리가 수십 년 동안 갈구했던 근본적인 설명을 제공해 줄 수 있을 것이다. 벌린데는 이번 달 초 자신의 논문을 견본인쇄본 물리학 사이트(arxiv.org/abs/1001.0785)에 게재하였다. 그 이후 많은 물리학자들은 그 제안이 가능성이 있다고 환호했다. 노벨상 수상자이자 이론물리학자인 위트레흐트대(Utrecht University)의 제라르 후프트(Gerard `t Hooft)는 이번 아이디어가 좀 더 발전될 필요가 있다고 역설하고 있지만, 벌린데의 접근방식에는 감명을 받았다. “수많은 끈 이론가들과는 달리 에릭은 단지 화려하고 추상적인 수학이 아니라 질량이나 힘과 같은 실질적인 물리학적 개념을 강조하고 있다. 그런 점에서 고무적이다.”라고 그는 말한다.
뉴턴은 물체들 간의 힘을 다룸으로써 중력이 거시적인 규모에서 어떻게 작용하는지를 맨 처음 입증하였다. 아인슈타인은 자신의 일반상대성이론을 이용하여 뉴턴의 생각을 좀 더 다듬었다. 그는 물체가 우주의 구조를 왜곡하는 방식에 의해서 중력이 더 잘 묘사될 수 있다는 것을 입증하였다. 우리가 오로지 지구로 당겨지는 것은 지구의 질량이 주변 시공간을 구부리기 때문이다. 그러나 이것이 끝이 아니다. 뉴턴과 아인슈타인은 심오한 통찰력을 제공하기는 했지만, 그들의 법칙들은 수학적인 묘사일 뿐이다. “그 이론들은 중력이 어떻게 작용하는지는 설명하고 있지만, 그 근원에 대해서는 아니다.”라고 벌린데는 말한다.
이론물리학자들은 중력을 우주에 있는 다른 기본 힘들과 연결시키기 위해서 힘겨운 시간을 보내왔다. 원자보다 작은 세계를 설명하는데 있어서 오랫동안 최고의 틀이었던 표준모델에는 전자기학과 강한 핵력 및 약한 핵력은 포함되었지만 중력은 아니었다. 많은 물리학자들은 과연 그럴 것인지 의심한다. 중력은 중력자(gravitons)라고 하는 가상입자의 작용을 통해 전달되는 것으로 밝혀질지도 모르지만, 지금까지 중력자의 존재에 대한 증거는 없었다. 중력의 어색함은 최근 수십 년 동안 끈 이론과 양자고리중력(quantum loop gravity)과 같은 이론들이 제안된 주된 이유들 중 하나였다.
벌린데의 연구는 이 문제를 바라보는 새로운 시각을 제공해준다. “나는 중력이 시공간의 기본적인 특성으로부터 발생하는 현상이라는 것을 이제 확신한다.”라고 그는 말한다. 벌린데의 제안을 이해하기 위해서는 물의 유동성 개념을 이해해야 한다. 개별적인 분자들은 유동성이 없지만, 집단적으로는 유동성을 가진다. (유전:집단적 유동성은 바다 속의 흐름(유동 流動)과 대기권 흐름의 집단적 움직임을 뜻함) 이와 비슷하게, 중력은 물질 자체에 들어 있는 무언가가 아니다. 중력은 질량과 시간 및 공간의 상호작용으로부터 발생하는 특별한 물리학적 효과라고 벌린데는 말한다. 중력이 ‘엔트로피 힘’이라는 그의 생각은 열역학 제1법칙을 기반으로 하고 있지만, 홀로그래피(holography)라고 불리는 시공간에 대한 색다른 설명 속에서만 들어맞는다.
이론물리학에서의 홀로그래피는 2차원 표면에 새겨진 3차원 영상인 지폐의 홀로그램과 동일한 원리를 대체로 따른다. 그 물리학적인 개념은 1970년대에 케임브리지대(University of Cambridge)의 스티븐 호킹(Stephen Hawking)과 이스라엘 헤브루대(Hebrew Universit)의 제이콥 베켄스타인(Jacob Bekenstein)이 블랙홀의 특성을 설명하기 위해 개발되었다. 그들의 연구는 질량에 관한 정보를 표현하는데 필요한 모든 ‘비트(bits)’들을 가상의 천체(hypothetical sphere)가 저장할 수 있을 것이라는 통찰로 이어졌다. 1990년대에 후프트와 스탠퍼드대(Stanford University)의 레오라르드 서스킨드(Leonard Susskind)는 이러한 틀이 우주 전체에 적용될지도 모른다고 제안했다. 그들의 ‘홀로그램 원리’는 많은 기본이론들에 대해서 유용한 것으로 입증되었다.
벌린데는 별이나 행성과 같이 큰 질량으로부터 일정한 거리에 있는 작은 질량에서 일어나는 일을 고려하기 위해서 홀로그램 원리를 이용하고 있다. 작은 질량을 약간 움직인다는 것은 양쪽 질량 사이에 있는 가상의 홀로그램 표면의 정보량, 즉 엔트로피를 바꾸는 것을 의미한다고 그는 설명한다. 이러한 정보의 변화는 그 시스템의 에너지 변화와 연결된다. 작은 질량의 모든 가능한 운동과 에너지 변화를 통계학을 이용하여 고찰함으로써, 큰 질량 쪽으로의 운동은 다른 운동보다도 일어날 가능성이 더 크다는 것을 벌린데는 발견한다. 이러한 효과는 양쪽 질량을 동시에 당기는 순수한 힘이라고 생각될 수 있다. 물리학자들이 이 효과를 엔트로피 힘이라고 부르는 이유는 이것이 정보량의 가장 가능성 있는 변화로부터 생기기 때문이다.
그럼에도 불구하고 이것이 바로 중력을 가리키는 것은 아니다. 그러나 홀로그램 표면의 정보량에 대한 기본적인 표현에 포함시키면, 그 에너지양과 아인슈타인의 에너지-질량 관계는 바로 뉴턴의 중력법칙이 된다. 상대론적인 형태의 법칙은 단지 몇 단계 더 나아간 것일 뿐이며, 역시 간단히 유도된다. 그리고 이것은 사과와 행성 모두에 대해 적용되는 것처럼 보인다. “뉴턴 법칙을 완전히 다시 발견한 것은 행운이었을지도 모른다. 정말 옳다고 밝혀진 몇 개의 방정식들보다도 이것이 더 심오하다는 것을 상대론적 일반화는 보여준다.”라고 벌린데는 말한다. 벌린데의 논문은 몇몇 물리학자들의 칭찬을 받았다. 유명한 수리물리학자이자 역시 암스테르담대에 있는 로버트 다익그라프(Robbert Dijkgraaf)는 벌린데의 우아한 개념에 감탄한다. “이런 개념을 아무도 진작 제안하지 않았다는 것이 놀랍다. 이 개념은 대단히 간결하며 매우 설득력이 있다.”라고 그는 말한다.
그렇지만 이번 논문은 여전히 많은 이들의 외면을 받고 있다. 어떤 이들은 벌린데가 중력으로 시작함으로써 그의 방정식에 순환논리를 이용하고 있다고 생각한다. 다른 이들은 관련된 수학이 거의 평범하고 이론 대부분의 근거를 공간과 시간 및 정보라는 매우 일반적인 개념으로 남겨둔 것에 대해 걱정을 표했다. 일반상대론의 영역을 확장시킨 브렌데이스대(Brandeis University)의 스텐리 데서(Stanley Deser)는 벌린데의 연구가 유망한 것처럼 보이지만 많은 이해를 감수해야 할 폭탄이며 뉴턴과 후크로부터 아인슈타인에 이르는 우리의 모든 신조에 도전할 것이라고 말한다. 벌린데는 자신의 논문은 단지 이 주제에 관한 첫 번째 논문일 뿐이라고 강조한다. “아직 이론까지는 아니며, 새로운 패러다임이나 틀에 대한 제안이다. 어려운 연구가 이제 시작되는 것이다.”라고 그는 말한다.
출처 : KISTI
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유전: 엔트로피 힘 = 공기의 무게 압력(대기권)
http://blog.naver.com/mindbank/memo/100084352518
위 주소: (조선일보)중력은 실제 존재하는 힘인가? and (유전) 공기의 무게 압력 설명.