암흑 에너지는 중력적 자체에너지이다 -1. 음의 에너지

[D의의지(123.248)]

암흑에너지의 근원은 중력적 자체에너지 또는 중력 퍼텐셜 에너지이다!

*세상에는 아직 음의 에너지, 음의 질량에 대해서 거부감을 가진 사람들이 너무나 많아서, 본론으로 들어가기에 앞서, 음의 에너지에 대해서 조금 설명을 담았습니다.

1. 음의 에너지의 등장과 필요성

1)표준 우주론에서 음의 질량 밀도

우주의 가속팽창으로 노벨 물리학상을 수상한 Adam Riess의 노벨상 강연 : https://www.nobelprize.org/mediaplayer/?id=1729

11분 : 38초 부터~

우측 말풍선 안의 글 :

Negative Mass?

Actually the first indication of the discovery!

우주의 가속팽창에 대한 기존의 검증된 장방정식과 프리드만 방정식의 최초의 결과는 음의 질량 (negative mass) 였음.
음의 질량의 개념을 수용하기 어려웠던 그들은, 우주상수를 부활시켜 장방정식과 프리드만 방정식을 고치고, 우주의 가속팽창이 우주 상수가 존재하는 증거라는 주장을 하게 됨. 그러나, 아직까지 암흑 에너지의 본질이 정확히 확정된 상황은 아니며, 우주 상수 모델에도 여전히 미해결 문제들이 남아 있음.

다른 관점에서, 연구팀이 음의 질량의 개념을 수용했다면, 우주의 가속팽창이 음의 질량 밀도로 설명될 수 있는 사건이고, 음의 질량 또는 음의 에너지의 존재 증거라고 말할 수도 있는 상황인 것임.

그런데, 우주 상수(cosmological constant)를 도입해서 음의 질량이 사라졌느냐? 전혀 아님.

제 2 프리드만 방정식 또는 가속방정식에서,

가속팽창이 발생하기 위해서는 우변이 양수여야 하고, 따라서 p+3P 항이 음수여야 함.

표준 우주론(standard cosmology)에서, 암흑에너지는 양의 질량 밀도를 가지지만, 음의 압력을 행사하는 존재로써 설명하는 데,

ρ + 3P = ρ + 3(-ρ) = -2ρ

우리가 암흑에너지 항을 정리하면, 결국 최종적으로 남게 되는 것은 음의 질량 밀도 -2ρ 임.

음의 질량이나 음의 에너지에 대해 거부감을 가진 사람들이 너무 많음. 그러나, 표준 우주론에서, 음의 질량 밀도 없이는 가속팽창이 불가능 함. 단지, 음의 질량 밀도가 음의 압력항에 숨겨져 있기 때문에 사람들이 그것을 의식하지 못하고 있는 것 뿐임.

2) 중력장의 에너지는 음의 에너지이다.

인플레이션 이론의 선구자 중 한분이였던, Alan Guth는, 그의 인플레이션 강의에서, 다음과 같이 말했음.

The energy of a gravitational field is negative!

The positive energy of the false vacuum was compensated by the negative energy of gravity.

스티븐 호킹(Stephen Hawking) 또한,

The matter in the universe is made out of positive energy. However, the matter is all attracting itself by gravity. Two pieces of matter that are close to each other have less energy than the same two pieces a long way apart, because you have to expend energy to separate them against the gravitational force that is pulling them together. Thus, in a sense, the gravitational field has negative energy. In the case of a universe that is approximately uniform in space, one can show that this negative gravitational energy exactly cancels the positive energy represented by the matter. So the total energy of the universe is zero.

두분 다, 중력 퍼텐셜 에너지가 음의 에너지이고, 양의 질량 에너지를 상쇄키실수 있는 진짜 에너지라고 주장했다는 것임.

3) 지구와 달의 중력적 자체 에너지(Gravitational Self-Energy)

지구를 연속적이고, 고전적인 질량 분포로 가정하면, 우리는 지구의 중력적 자체에너지가 지구의 질량 에너지 대비 대략 4.6x 10^-10배 임을 발견한다. 달의 중력적 자체 에너지는 좀더 작아, 달의 정지 질량 에너지의 0.2 x 10^-10배이다.

- Gravitation and Spacetime Book

중력적 자체 에너지는 물체가 가지고 있는 총 중력 퍼텐셜 에너지인데, 결합에너지에 - 부호를 붙인 값이기도 함. 일반 물질에서 이 값은 질량에너지에 비해 매우 작음. 따라서, 통상적인 경우에서 이 값은 무시가 가능하나, 블랙홀과 같은 강한 중력원 근처에서는 질량에너지에 비해 무시할 수 없는 수준으로 커짐.

중력원(sources od gravity)로서

정지 질량 에너지뿐만이 아니라, 각종 결합에너지, 운동에너지, 중력적 자체 에너지 등을 말하고 있음.

에너지의 차원 분석에서, E는 kg*(m/s)^2의 차원을 갖기 때문에, 모든 에너지는 (질량)x(속력)^2으로 표현할 수 있음. 즉, E=mc^2은 모든 종류의 에너지에 대해서 성립하는 것임. (여기서 m은 정지질량을 의미하는 것이 아님.)

또한 일반상대론의 원리에 의해서, 모든 에너지는 중력원임. 따라서, 중력퍼텐셜 에너지, 중력적 자체에너지도 중력원인 것임.

4) 결합에너지에서 질량 결손(mass defect)의 의미

a)와 c)의 상황에 대해서 생각해 보자.

a)에서, 두 입자 시스템이 가지는 총 질량은 E=2mc^2 이다.

c)에서, 두 입자 시스템이 가지는 총 질량은 E=2mc^2 인가?

c)에서, 두 입자 시스템은 외부에 중력작용을 할 때, " 2m "의 중력질량을 가지고 중력작용을 할 것인가?

당신이 음의 결합에너지를 적용하지 않는다면, 실제 결과와 일치하지 않게 될 것이다.

c)에서 두 입자 시스템이 가지는 총 에너지는

이다.

에너지의 차원 분석에서 E는 kg(m/s)^2을 가지기에, 모든 에너지는 질량 x (속력)^2 형태로 표시 할 수 있다.

그러니깐, E=mc^2은 모든 종류의 에너지에 대해서 성립을 한다. 여기서 m은 정지질량을 의미하는 것은 아니라, 질량을 의미한다.

따라서, 중력 퍼텐셜 에너지에 대한 등가질량 -m_gp를 도입하면,

이제, 두 입자 시스템이 상대적으로 멀리 떨어진 제3의 질량 m_3에 작용하는 중력은

즉, 어떤 결합된 계가 가지는 중력 작용을 고려할 때, 그것의 자유상태에서의 질량뿐만이 아니라, 결합에너지 항도 같이 고려해야 한다. 또는, 결합된 계가 작용하는 중력은, 자유 상태에서의 질량항과 결합에너지의 등가 질량항으로 분해할 수가 있다.

위 식의 의미에 대해서 많은 생각을 해봐야 함. 결합된 물체가 중력 작용을 하는 질량은 자유 상태의 질량이 아니라, 결합 에너지까지 고려한 총 질량이라는 것임.

위 식의 맨 끝에 있는 항의 의미를 잘 생가해 보기 바람.

결합에너지의 등가질량이 중력 작용을 하는 항이고, 여기서는 중력 퍼텐셜에너지의 등가질량 -m_gp가 중력을 행사하는 항이다. 음의 등가 질량이다.
이미 우리가 취급하는 공식이나 논리에는, 음의 중력퍼텐셜 에너지(중력적 자체 에너지)에 의한 중력작용이 포함되어 있는 것이다.

단지 우리는, 자유 상태에서의 질량 m을 취급하는 것이 아니라, 처음부터 계의 총질량 m*로 계산을 하기 때문에, 물체가 가지고 있는 결합에너지, 이 경우 중력적 자체 에너지를 포함하고 있는지 여부 자체를 생각하고 있지 못하는 경우가 있었고, 다른 상황으로는 통상적인 경우에, 중력 퍼텐셜 에너지의 등가질량은, 자유 상태의 질량항에 비해서 무시할 정로도 작아서 문제가 안됐었다.

우리 우주도 여러 물질들이 존재하고, 결합에너지도 존재하는 복합된 존재이기 때문에, 결합에너지 항, 즉, 중력 퍼텐셜에너지 항의 중력 작용에 대해 포함해야 하는 것이다. 그리고, 이것이 우주의 가속팽창을 발생시키는 암흑에너지의 근원일 가능성이 매우 높음을 계산을 통해서 보여주겠다.

위 빨간 테두리 식에서, 두번째 항(중력 퍼텐셜 에너지의 등가질량 항)이 첫번째 항(질량 항)보다 더 크다면~, 우주는 어떻게 될까?

5) 우리의 상식은 이미 오래전에 틀렸었다

우리의 상식은 우주의 가속팽창과 은하의 로테이션 커브에서 이미 틀렸었다. 우리의 상식적 추론이 틀렸었기에, 우리는 지금 암흑물질(dark matter), 암흑에너지(dark energy) 문제를 가지고 있는 것이다. 과학의 역사에서 우리의 기존 상식이 틀렸었던 사례는 무수히 많다. 당신은 여전히 음의 에너지나 음의 질량의 관념이 수용이 잘 안될수도 있다. 이때 음의 에너지가 존재할지 안할지에 생각이 머므르기 보다, 우리가 이러한 물리량을 도입했을 때에 우주의 어떤 현상이 설명되는 가에 먼저 초점을 맞추어 보기 바란다.

우주를 우리의 상식이나 관념에 맞추려고 해서는 안된다.

미지의 문제에 대해서는 관념적 검토 상태에서 맴도는 것이 아니라, 새로 도입된 물리량에 의해서 현상이 설명이 되는지~ 안되는지~, 계산과 실험을 먼저 하고, 혹시라도 성공하면, 다시 돌아와서 관념을 살펴보면 된다.

On the solution of the_strong gravitational field the solution of the Singularity problem the origin of Dark energy and Dark matter

(14~19P)

https://www.researchgate.net/publication/359329109