철게에 적색편이에 대해서 질문하신 분이 계셔서...
생각하다가 문득 의문이 들어서 과게에 다시 질문을 드립니다.
우주적인 적색편이는 우주 공간의 팽창이 원인이라고 알고 있어요.
비유적으로 말하자면, 고무 밴드 위에 무늬를 그려놓고 고무줄을 잡아당기면 무늬도 함께 늘어나듯이,
공간 자체가 팽창하면서 공간을 지나는 빛의 파장이 길어진다는 겁니다.
오랜 시간 우주공간을 날아온 빛은 그만큼 공간팽창의 영향을 많이 받기 때문에
멀리 있는 광원에서 날아온 빛일수록 적색편이가 많이 나타나게 되죠.
그런데 적색편이가 일어난다는 것은 빛의 진동수가 낮아진다는 것,
즉 파동의 에너지가 작아진다는 것을 뜻합니다.
그런데 빛이 완전한 진공을 지나왔다면, 에너지보존의 법칙에 의해
에너지가 작아질 수 없습니다.
빛을 파동으로 이해한다면, 도플러효과에 의한 적색편이와 마찬가지로
에너지의 밀도 변화라고 이해할 수 있을 것 같습니다.
빛이 지나온 공간이 팽창하면서, 그만큼 빛의 파장이 길어지면서 에너지가 분산된다고 생각할 수 있겠죠.
하지만 빛은 파동인 동시에 입자의 성질을 가지고 있다고 하죠.
파동은 진폭*진동수로 에너지가 계산되지만,
빛은 그 특이한 성질로 인해 진폭은 관계없고 광양자의 수와 진동수로 에너지가 계산된다고 알고 있습니다.
그렇다면 한개의 광자가 우주를 가로질러 날아가는 상황을 생각해 봤습니다.
이 광자가 진공을 날아가는 동안에도 에너지는 보존되어야 합니다.
그러나 동시에 우주의 팽창에 의해 진동수가 감소하고 적색 편이가 발생할 것입니다.
광양자의 수는 일정한데 진동수는 감소하므로 에너지는 감소한다고 볼수 있을 듯 합니다.
이 한개의 입자에도 밀도라는 개념을 적용시킬 수 있는 걸까요?
이를테면 불확정성의 원리에 의해 특정되지 않은 광자 위치의 확률적 분포가 더 넓어진다거나?
또는 광자 하나의 길이 자체가 길어진다거나?
만약 우주공간을 지나는 광자의 에너지 역시 보존되는 것이 맞다고 한다면,
그래서 갓 태어난 광자와 수십억 광년의 공간을 날아오며 적색편이를 거친 광자의 에너지 총량이 일정하다면,
광양자의 수와 진동수 이외에 광자의 에너지를 결정짓는 다른 변수가 존재하는 것일까요?
그것도 아니라면, 우주공간의 팽창에 의해 광자는 실제로 에너지를 잃는 것일까요?
만약 광자가 에너지를 잃는다고 한다면, 그 에너지는 어디로 샌 걸까요?
또한 이것은 상상일 뿐입니다만,
만약 빛을 가둘수 있는 마법의 거울상자가 존재하고, 빛이 상자 내부의 거울에 닿아서 반사되는 순간에는 어떤 에너지 소실도 발생하지 않는다고
가정한다면,
이 상자에 빛을 가두어 수십억년이 지나면 이 상자 속에서도 적색 편이는 발생할까요?
