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고전역학 Classical Mechanics |
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1. 개요
MOND / Modified Newtonian dynamics아이작 뉴턴이 발견한 만유인력의 법칙을 수정한 이론이다.
2. 등장과 발전
암흑물질 없이 뉴턴 역학에 위배되는 천체 현상을 설명하려는 이론이다. 1983년 뉴턴역학이 거대한 거리에서는 위배될 수 있다고 생각한 이스라엘의 물리학자 모데하이 밀그롬에서 시작됐다.수정뉴턴역학에 의하면 기존 뉴턴역학은 가속도가 0보다 훨씬 클 때 수정뉴턴역학의 근사치다. 가속도가 0에 거의 가까운 곳에서는(예: 우리 은하의 헤일로) 기존 뉴턴역학 대신 수정뉴턴역학이 성립하고, 이를 이용하면 은하 회전속도의 수수께끼를 암흑물질 없이도 설명할 수 있다.
수정뉴턴역학은 여러가지 표현방식이 존재한다. 수정관성(modified inertia) 표현으로는 가속도 [math(a)]가 [math(a_0)]보다 작을 때 뉴턴의 제2법칙은 [math( F = ma^2/a_0)] 이고 중력은 그대로 [math( F = mMG/r^2)] 이다. 그와 동등한 수정중력(modified gravity) 표현으로는 뉴턴의 제2법칙은 [math( F = ma)] 이며 중력은 [math( F \propto m(MGa_0)^{1/2}/r)] 이다. 양자역학이 [math( \hbar \rightarrow 0)] 일때 고전역학과 같아진다는 보어의 대응원리처럼 [math( a_0 \rightarrow 0)] 일때 수정 뉴턴 역학은 뉴턴 역학과 같아진다.
은하회전 곡선을 통해 얻은 근사치는 a0 =1.2 × 10−8 cm s−2 이다.
2004년 야곱 베켄스테인이라는 이스라엘 히브리대 이론물리학과 교수가 중력의 근원이 중력 양자만이 아니라 스칼라 입자, 벡터장에 의한 것이라는 TeVeS(Tensor-Vector-Scalar gravity) 이론을 고안해냈다.
현대 물리학의 주류는 아인슈타인의 중력이론이 옳다라는 인식이 지배적인데 그렇기 때문에 관측된 은하계 회전이나 우주의 팽창 속도 증가 등을 설명하기 위해서 암흑물질이나 암흑에너지 같은 후보들을 도입하였다. 수정 뉴턴 역학은 이런 추가적 보완 요소들이 부자연스럽다는 시각 하에 아인슈타인의 중력이론을 의심스럽게 보며 은하이상 규모에서의 사용을 자제한다. 게다가 은하 규모에서 발생하는 천체들의 중력 상호작용에서는 상대론적인 효과가 미미할 정도로 작아서 상대론적 효과를 무시할 수 있다. 그렇기 때문에 수정 뉴턴 역학은 고전적인 뉴턴 역학의 관점에서 다시 출발해 이러한 편법에 가까운 시도 없이 해당 현상을 설명하려고 시도한다. 즉 뉴턴 역학에 위배되는 중력 현상을 만유인력의 법칙에 대한 수정을 통해 설명하려는 것이다. 그래서 수정 뉴턴 역학이다. 다만 그렇다고 비상대론적인 입장을 취하는 이론은 아니며 이후 수정 뉴턴 역학에 상대론적인 기술을 접목시킨 TeVeS가 제안되었다.
다만, 암흑물질이나 암흑에너지는 존재하지 않는다는 것을 중심으로 놓고 모든 이론이 전개가 되기 때문에 만에 하나 암흑물질이 실제로 존재한다는 것이 입증이 되면 존립할 수 없는 한계가 있고, 관측기술이 발전함에 따라 추가적으로 다양하게 관찰된 암흑물질로 인한 것으로 추측되는 현상을 설명하지 못하는 한계도 보이고 있다.
3. 전망
약간의 성과가 있지만 갈 길이 멀다. MOND가 성공한 것은 약 150여개의 은하의 회전 속도를 암흑물질이라는 변수를 도입하지 않고도 설명할 수 있었다는 것이다. 단 여전히 직면한 과제들이 있으며, 대표적으로 다음의 중요한 현상들을 거의 설명하지 못하고 있다.애초에 암흑물질을 배제하기 위한 목적으로 만들어졌기 때문에 그 이외의 다른 요소들을 설명하기 어려운 경우가 많다. 게다가 충돌하는 은하단 관측 사례들이 늘어나고 있기 때문에 점점 더 이론의 생존 가능성은 사라지고 있는 상황이다. 또한 기본적으로 항성의 생성을 잘 설명하지 못한다. 은하 형성에 대한 시뮬레이션 역시 2020년 초반 기준으로 보면 생성 극초반의 은하 형태밖에 설명하고 있지 못하며 그 이상은 아직도 요원한 상황이다.
암흑물질 검출이 계속해서 실패하고 있기 때문에 그에 대한 대안으로 MOND에 대한 관심이 조금씩 늘어나고 있는 상황이지만 학계의 취급은 어디까지나 대안이론일 뿐이다.
MOND로 설명가능한 150개 은하에서 외부장 효과(External Field Effect)를 발견했다는 논문이 발표되었다. 이 외부장효과는 수학적으로 아인슈타인의 강한 등가 원리와 모순되기에 위에서 언급한 대로 아인슈타인 중력이론이 잘못되었다는 증거가 된다고 주장하는 것이다. 반면 이게 우주상수랑 무슨 차이가 있냐며 시큰둥하게 보는 의견도 있다.
[1]
상당수의 수정 중력 이론에서 중력파는 빛의 속도보다 느릴 것으로 예측되었으나
중성자별 충돌 관측에서 중력파가 빛의 속도에 거의 가까운 것으로 측정되면서 부정되었다.