우리 모두 알다시피 상대성 이론은 알버트 아인슈타인이 제안한 획기적인 이론으로, 시공간과 중력에 대한 인간의 이해에 혁명적인 공헌을 했습니다. 그러나 이 이론이 정말 완벽합니까? 최근 새로운 연구에서 시간 왜곡을 테스트하는 새로운 방법을 제안했으며, 이는 상대성 이론을 우주의 거대한 규모에 적용할 수 있는지 재검토하는 계기가 될 수 있습니다.

상대성 이론의 핵심 아이디어 중 하나는 시간이 절대적으로 정적인 것이 아니라 중력장이 변함에 따라 왜곡되고 느려진다는 것입니다. 우리는 그것을 간단한 비유로 이해할 수 있습니다 : 시간을 흐르는 시냇물로 생각하십시오, 고요 할 때 흐르고 빠릅니다. 함몰을 만나면 물의 흐름이 느려지거나 정체됩니다. 시간을 느리게 만드는 이 "우울증"을 상대성 이론에서는 "중력 우물"이라고 합니다. 중력이 강할수록 블랙홀과 같은 극도로 중력이 심한 물체 주위에서 더 많은 시간이 걸릴 위험이 있습니다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 질량은 시공간의 구조를 왜곡하여 시간이 흐르는 속도에 영향을 미칩니다. 중력은 시공간을 왜곡하는 질량의 징후입니다. 비행기 비행, 우주여행, 항성 궤도 등 다양한 스케일에서 시간의 왜곡을 이론적이고 정확하게 설명하는 일반상대성이론은 셀 수 없이 많은 정밀 테스트를 통과했습니다.

그러나 우리 우주에는 여전히 암흑 물질과 암흑 에너지라는 두 가지 풀리지 않은 미스터리가 있습니다. 이 둘은 함께 우주의 물질 에너지의 약 95%를 차지하지만 본질적으로 우리는 그들에 대해 아무것도 모릅니다. 해결되지 않은 핵심적인 질문은 이것이다: 일반 상대성 이론이 암흑 물질과 암흑 에너지가 시공간의 구조에 미치는 영향을 정말로 설명할 수 있는가?

물론 이 질문에 답하기 위해서는 테스트 수단을 찾아야 합니다. 최신 연구에서 제네바 대학의 카밀 보닌(Camille Bonnin) 부교수와 동료들은 완전히 새로운 관찰 방법을 제안했다. 그들은 먼 은하에서 방출되는 광자의 "중력 적색편이(gravitational redshift)"를 측정함으로써 암흑 물질과 암흑 에너지가 침투하는 우주의 거대한 영역에서도 시간이 왜곡될 것인지 추측할 것을 제안합니다.

이른바 '중력 적색편이(gravitational redshift)'는 광자가 천체의 중력 우물을 벗어나기 위해 일을 해야 하는 현상을 말하며, 그 결과 광자의 에너지가 감소하고 파장이 길어지는 현상(적색편이)을 말합니다. 만약 암흑물질과 암흑에너지가 시공간에 상당한 영향을 미친다면, 광자가 우주의 거대한 영역에서 기어 나올 때 유사한 적색편이 효과가 발생한다.

이 새로운 접근법이 구현된다면 가장 큰 의의는 시간과 공간 워프의 차이를 비교함으로써 암흑 물질과 암흑 에너지를 설명하는 데 있어 일반 상대성 이론의 정확성을 시험할 수 있고 다른 대안 이론의 가능성도 검토할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 유명한 '오일러 방정식(Euler equation)'은 은하의 궤적을 설명하는 데 사용되었지만, 암흑 물질장에도 적용할 수 있는지는 확실하지 않다. 이 모든 미스터리는 새로운 관찰 방법의 테스트를 통해 해결될 것으로 예상됩니다.

암흑 물질 외에도, 가속된 우주 팽창의 또 다른 동인인 암흑 에너지도 새로운 테스트에서 "공개"될 것이다. 만약 암흑에너지가 정말로 물질과 독립적으로 작용하는 '진공 에너지'라면, 암흑에너지가 시공간의 구조에 미치는 영향은 물질의 그것과 달라야 한다. 먼 은하계에 있는 광자의 적색편이 값을 측정함으로써, 우리는 암흑 에너지가 시간의 유속을 어떻게 변화시키는지를 간접적으로 감지할 수 있을 것이다.

이 새로운 관측 방법은 과학자들이 기대하고 있는 '우주 실험실'이다. 유럽우주국(ESA)의 "유클리드(Euclid)"와 "암흑 에너지 분광계(Dark Energy Spectrometer)"와 같은 미래의 천체 망원경의 도움으로 인류는 20년에서 0년 이내에 이 야심찬 실험을 완료할 수 있을 것이며, 마침내 상대성 이론이 시공간의 본질을 설명하는 데 얼마나 부적절한지 판단할 수 있을 것이다.

역사를 돌이켜 보면, 상대성 이론은 제안된 후 처음 몇 십 년 동안 이와 비슷한 의문을 제기하고 검증했습니다. 예를 들어, 1919에서는 태양의 중력이 빛에 미치는 굽힘 효과가 처음으로 관찰되어 일반 상대성 이론에 대한 강력한 증거를 제공했습니다. 그 이후로 상대성 이론은 양자 이론, 빅뱅 이론, 블랙홀 이론 및 기타 분야에서 중요한 역할을 했으며 셀 수 없이 검증되었습니다.

그러나 우리의 관점을 광활한 우주의 규모로 전환하면 암흑 물질과 암흑 에너지는 일반 상대성 이론에 전례 없는 새로운 도전을 제시합니다. 시공간의 본질과 구조가 우리가 상상했던 것만큼 단순한지는 이 새로운 '우주의 무대'에 서야만 알 수 있다.