앞서 작성한 내용에 이어 바로 추가 내용을 쓰려고 한다.
하나의 내용으로 작성하려고 했으나, 내용이 길어져서..
너무 길어지면 읽기도 힘들고, 나도 관리하기도 힘들어져서..
빛은 입자이면서 파동이다. 그리고 빛은 공간 속에서 움직이는 파동이다. 어쩌면, 빛은 공간을 매질로 하는 파동일 수도 있을 것 같다. 그렇다면, 공간 자체가 움직인다면 빛은 어떻게 될까? 공간이 휘어지거나, 혹은 공간이 출렁거릴 때, 그 안에 있는 빛은 어떻게 될까? 혹은 공간이 압축되어 있다면, 그 안을 움직이는 빛은 어떻게 될까?
우리가 알고 있는 사실은 휘어진 공간을 움직이는 빛은 휘어진 공간을 따라서 움직인다는 것이다.
빛은 직진한다. 하지만, 공간이 휘어져 있다면, 빛은 직진을 하고 있지만, 공간이 휘어져 있기에 빛도 휘어져 움직이게 된다는 것이다. 마치, 기차가 길을 따라 가고 있는데, 철길이 휘어져 있으면 기차도 따라서 휘어져 가는 것처럼 말이다.
그런데 빛은 파동이기에, 진동을 하면서 직진을 한다. 그런데, 그 공간이 같이 진동을 한다면 어떻게 되나? 만약 그렇데 된다면 그 진동하는 공간 속에서 빛은 진공하는 공간을 따라서 같이 진동을 하게 되나? 아니면 진동하는 공간에 비해 덜 진동하면서 진행하게 되나? 원래대로라면 당연히 공간의 진동에 따라서 빛도 따라서 진동하면서 움직인다고 생각을 했을 것이다.
그런데 과연 그러한가?
여기에 의문이 갑자기 생겼다.
중력파를 측정하는 방법이 있다. 중력파를 측정하는 장치를 LIGO라고 부른다. 이 중력파 측정장치는 90도 각도로 된 두 길을 교차시켜서 각 길로 레이저를 발사한다. 그리고 그 길의 끝에 반사판을 두고, 그 반사판에 반사되어 돌아오는 빛이 한 지점에서 교차한다. 그 교차하는 빛의 파장이 서로 간섭을 하게 되는데, 그 간섭패턴이 아무 일이 없다면 항상 일정한 패턴을 그리게 된다. 그런데, 만약 중력파가 지나가게 된다면 이 간섭패턴이 변하게 된다. 그걸 보고 중력파를 검출하게 된다.
그런데 여기서 의문.
중력파라는 것은 공간의 휘어짐이 지나가는 것이다. 그 휘어짐이 지나갈 때, 레이저는 어떻게 될까? 만약 빛이 공간 속에서 그대로라면 레이저 역시 마찬가지 아닐까?
여기서는 두가지 가능성이 있다. 휘어진 공간이 지나가면서 빛이 그 휘어진 공간이 지나가는 동안 이동해야 하는 거리가 늘어나서 패턴이 깨어지는 경우가 있을 수 있다.
혹은 휘어진 공간이 지나갈 때, 빛이 그 공간의 휘어짐의 영향을 덜 받아서 오히려 이동해야 하는 거리가 짧아지면서 패턴이 깨어질 수도 있다고 봤다. 만약 중력파의 파장이 빛의 파장에 비해서 월등히 크다면 빛은 그 공간 속에서 원래대로의 움직임을 보였을 것이다. 그런데 만약 중력파의 파장이 빛의 파장과 비슷하거나, 혹은 중력파가 빛의 파장보다 작을 때에는? 그때에는 어떻게 될까? 그때에도 과연 빛이 진동하는 공간 속에서 그대로 움직일까? 아니면 그 진동이 상쇄되거나 그러지 않을까?
이런 의문은 공간 역시 에너지와 등가될 수 있다는 생각 속에서 해 본 망상 중의 하나이다. 공간이 에너지와 등가될 수 있다면, 공간 역시 에너지와 서로 상호작용을 할 수 있을테니 말이다.
그리고, 공간이 에너지와 등가될 수 있다면, 공간-에너지-물질이 등가될 수 있다는 이야기가 될 테니, 서로 영향을 주고받을 수 있을 테고, 그렇다면 중력이 공간에 영향을 미쳐서 공간을 휘게 만들거나 흔드는 것 역시도 가능하지 않을까?
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질문 : 빛과 중력파가 만나면 어떻게 되나?
답변 : 빛과 중력파는 우주에서 가장 근본적인 두 가지 파동 현상이지만, 그 상호작용 방식은 매우 다릅니다.
1. 중력파가 빛에 미치는 영향:
시공간의 일렁임: 중력파는 질량을 가진 물체의 급격한 가속 운동(예: 블랙홀 충돌, 중성자별 합체)으로 인해 발생하는 시공간 자체의 일렁임입니다. 마치 연못에 돌을 던졌을 때 생기는 물결처럼, 시공간이라는 '천'이 휘어지고 펴지는 현상이죠.
빛의 경로 왜곡: 빛(전자기파)은 시공간을 따라 이동합니다. 따라서 중력파가 지나가는 시공간은 일시적으로 왜곡되고, 이 왜곡된 시공간을 통과하는 빛의 경로도 함께 휘어지거나 늘어나거나 줄어들게 됩니다.
중력 렌즈 효과와 유사: 이는 거대한 질량을 가진 천체가 빛을 휘게 만드는 '중력 렌즈' 효과와 유사합니다. 중력파는 동적으로 변하는 중력 렌즈라고 생각할 수 있습니다.
미세한 변화: 하지만 중력파의 세기는 매우 약해서, 지구에 도달하는 중력파는 시공간을 원자핵보다도 훨씬 작은 규모로 뒤틀리게 합니다. 따라서 중력파로 인한 빛의 변화는 극히 미세하여 직접적인 관측은 매우 어렵습니다.
주파수 및 위상 변화: 이론적으로는 중력파가 빛의 주파수를 미세하게 변화시키거나(적색편이 또는 청색편이) 위상을 변화시킬 수 있습니다. LIGO와 같은 중력파 관측기는 이러한 중력파가 일으키는 공간의 미세한 변화(팔 길이의 변화)를 레이저 간섭을 통해 측정합니다.
2. 빛이 중력파에 미치는 영향:
매우 미미함: 빛(광자)은 질량이 없지만 에너지를 가지고 있기 때문에, 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따라 중력을 발생시킬 수 있습니다. 하지만 광자 개개인이 만들어내는 중력은 극도로 미미합니다. 따라서 빛이 중력파를 직접적으로 발생시키거나 중력파에 유의미한 영향을 미치는 경우는 없습니다.
초기 우주에서의 상호작용 (가설): 일부 이론에서는 우주 탄생 초기와 같이 극도로 고에너지 상태였던 시기에는 강력한 중력파가 빛을 자연적으로 생성했을 가능성도 제기됩니다. 하지만 이는 아직 가설 단계이며, 일반적인 상황에서는 빛이 중력파에 미치는 영향은 무시할 수 있습니다.
요약:
빛과 중력파는 서로 다른 본성을 가지고 있지만, 중력파가 시공간의 형태를 변화시키기 때문에 중력파가 빛의 경로와 특성에 영향을 미칩니다. 하지만 그 영향은 매우 미미하며, 현대 과학 기술로 겨우 감지할 수 있는 수준입니다. 반대로 빛이 중력파에 미치는 영향은 거의 없다고 보입니다.
중력파 관측은 빛으로는 볼 수 없는 우주의 격렬한 현상(블랙홀 충돌 등)을 연구하는 새로운 창을 열어주었으며, 빛과 중력파의 상호작용에 대한 이해는 우주의 근본적인 성질을 파악하는 데 중요한 단서가 됩니다.
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