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    ひよこ科学コラム
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    ひよこ科学者の科学コラム。科学を時代の御言葉で再びスポットライトを当ててみる新概念の科学コラム。
自然法則の不変性

2016/12/29|閲覧数 1086

Translation :RS3987

過去から来た光


科学者たちは、どのようにして自然法則が過去においても同一だったという事実を知ったのだろうか?人知れずタイムマシーンに乗っていって過去を見たのだろうか?そういうことではない。時間旅行は不可能だ。しかし、我々は宇宙を観測することで過去の情報を非常に豊富に得ることができる。我々の見ている太陽が、代表的な例だ。


太陽の光が地球に到達するのにかかる時間は約8分であり、我々が見ている太陽は、実際は現在の太陽ではなく、8分前の太陽なのだ。我々は、知らない間に宇宙の過去の情報を観測していたのだ。人類が遂行してきたすべての天文観測は、過去の資料を収集するものである。250万光年離れたアンドロメダ銀河を観測したなら、250万年前のアンドロメダ銀河を見ているということなのだ。


現在まで人類は、137億光年離れた場所からやって来た光まで観測してきた。「宇宙背景放射」と呼ばれるこの光は、ビックバンが残した太古の光であり、ビックバン理論の強力な証拠とされている。既存の理論の中だけに留まっていたビックバンは、背景放射観測を契機に広く認められるようになり、これを観測した科学者たちは1978年にノーベル物理学賞を受賞した。宇宙の年齢が137億年であるということも、宇宙背景放射観測を基に計算されたものだ。


このように、人類は天文観測を通して137億年前の情報までも入手した。近い過去の情報はより膨大に収集された。関連研究者たちは、このような資料を基に、星や銀河、宇宙の形成と進化を研究し、現在も、10万年前も、10億年前も、星と銀河は同一の原理で生成され消滅するという結論を下した。宇宙の原理は、今も昔も同一なのである。


驚異的な自然円転


地質学の根拠も豊富だ。アフリカのガボンにあるウラン鉱山で発見されたオクロ地区の天然原子炉は、自然法則が数十億年前も今と同じだったという根拠を提供する。発見された天然原子炉は、17億年前に臨界状態に到達し、数十万年間、核反応を持続した。ここでは、地下水を減速材としたウラン235の核分裂反応があったのだが、これは現在最も広く使用されている原子炉である加圧水型原子炉で起こる核反応の形態と正確に同じであった。


過去の自然法則が今と少しでも違ったなら、核反応の結果で生成された元素の比率が今と大きく異なったはずだ。また、もうひとつの自然の驚異は、数十万年間、円転を稼働させながらただの一度も事故を起こさず、放射性廃棄物についても深い岩盤の中に埋められ完全に処理されていたということだ。余談だが、このような理由から、核工学者たちは自然原子炉について多大な好奇心を持っている。自然は、人類に対して非常に多くの教えと教訓を与えてくれていると思う。



エネルギー保存と対称性


最後に、理論物理学からは、自然法則の対称性を根拠に挙げる。自然の対称性を論じるのは、物理学の最も深奥な領域であり、神聖でさえある部分だ。紙面の限界がある以上、詳しい説明は難しいが、現代物理学ではエネルギー保存の法則を自然法則の時間対称性と関連付ける。


「 自然法則は時間を基準に対称だ」というのは、「 自然法則は時間の経過を問わず不変だ」ということと同一であり、自然法則が時間によって不変であるためエネルギーが保存されるということだ。


逆に、自然法則が時間によって変わるなら、エネルギーは保存されない。仮に、重力の強さが午前と午後で異なるとしよう。すると、重力が弱い時にポンプを回してダムに水を溜め、重力が強い時に発電機を回してエネルギーの差益を得ることができるのではないだろうか?だが、重力の強さは時間が経っても同一であるため、エネルギーが保存されるのだ。今まで科学者たちがエネルギー保存の法則を違反した事例を発見したことは無いのだが、これもまた、自然法則が今も昔も同一だという証拠となる。


-画像:Bayron Octet(Wikimedia Commons)

宇宙を構成する基本粒子の一種であるクォークの対称性を表している。

과거에서 온 빛


과학자들은 어떻게 자연법칙이 과거에도 동일했다는 사실을 알게 됐을까? 몰래 타임머신을 타고 가서 과거를 본 것일까? 그런 건 아니다. 시간여행은 불가능하다. 하지만 우리는 우주를 관측함으로 과거의 정보를 매우 풍부하게 얻을 수 있다. 우리가 보고 있는 태양이 대표적인 예시이다. 


태양 빛이 지구로 도달하는데 걸리는 시간은 약 8분으로 우리가 보는 태양은 사실 현재의 태양이 아니라 8분 전의 태양인 것이다. 우리는 부지중에 우주의 과거 정보를 관측하고 있었다. 인류가 수행해온 모든 천문관측은 과거의 자료를 수집하는 것이다. 가령 1광년 떨어진 곳의 별을 관측했다면 그곳에 있던 1년 전 별의 모습을 보는 것이다. 250만 광년 떨어진 안드로메다은하를 관측했다면, 250만 년 전의 안드로메다은하를 보는 것이다. 


현재까지 인류는 137억 광년 떨어진 곳에서 온 빛까지 관측했다. ‘우주배경복사’라 불리는 이 빛은 빅뱅이 남긴 태고의 빛으로, 빅뱅 이론의 강력한 증거로 여겨진다. 기존에 이론에만 머물러 있던 빅뱅은 배경복사 관측을 계기로 널리 인정받게 됐고, 이를 관측한 과학자들은 1978년에 노벨상 물리학상을 받았다. 우주 나이가 137억 년이라는 것도 우주배경복사 관측을 바탕으로 계산된 것이다. 


이렇듯 인류는 천문관측을 통해 137억 년 전의 정보까지도 입수했다. 가까운 과거의 정보는 더 방대하게 수집됐다. 관련 연구자들은 이러한 자료를 토대로 별과 은하, 우주의 형성과 진화를 연구하여, 현재나 10만 년 전이나 10억 년 전이나 별과 은하는 동일한 원리로 생성되고 소멸한다는 결론을 내렸다. 우주의 원리는 예나 지금이나 동일하다.



경이로운 자연원전


지질학의 근거도 풍부하다. 아프리카 가봉에 있는 우라늄 광산에서 발견된 오클라호 천연원자로는 자연법칙이 수십억 년 전에도 지금과 같았다는 근거를 제공한다. 발견된 천연원자로는 17억 년 전에 임계상태에 도달해 수십만 년 동안 핵반응을 지속했다. 여기서는 물을 감속재로 하여 우라늄 235의 핵분열 반응이 있었는데, 이는 현재 가장 널리 사용되는 원자로인 가압경수로에서 일어나는 핵반응의 형태와 정확히 같았다. 


과거의 자연법칙이 지금과 조금이라도 달랐다면, 핵반응 결과로 생성된 원소의 비율이 지금과 매우 달랐을 것이다. 또 다른 자연의 경이는 자연은 수십만 년 동안 원전을 가동하면서 단 한 번의 사고도 내지 않았고, 방사성 폐기물 또한 깊은 암반 속에 묻어 완벽히 처리했다는 것이다. 여담이지만 이런 이유로 핵공학자들은 천연원자로에 대해 상당한 호기심을 갖고 있다. 자연은 인류에게 참으로 많은 가르침과 교훈을 주는 것 같다.



에너지 보존과 대칭성


마지막으로 이론 물리학에서는 자연법칙의 대칭성을 근거로 든다. 자연의 대칭성을 논하는 것은 물리학의 가장 심오한 영역이고 신성하기까지 한 부분이다. 지면의 한계상 자세한 설명은 힘들지만, 현대 물리학에서는 에너지 보존법칙을 자연법칙의 시간 대칭성과 연관시킨다. 


자연법칙이 시간에 따라 대칭이라는 말은 자연법칙이 시간에 따라 불변한다는 말과 동일하고, 자연법칙이 시간에 따라 불변하기 때문에 에너지가 보존된다는 말이다. 


역으로 자연법칙이 시간에 따라 변하면, 에너지가 보존되지 않는다. 가령 중력의 세기가 오전과 오후에 다르다고 하자. 그러면 중력이 약할 때 펌프를 돌려 댐에 물을 채우고, 중력이 강할 때 발전기를 돌려 에너지 차익을 얻을 수 있지 않겠는가? 하지만 중력의 세기는 시간이 지나도 동일하기 때문에 에너지가 보존되는 것이다. 지금까지 과학자들은 에너지 보존법칙이 위반된 사례를 발견한 적이 없는데, 이 또한 자연법칙이 예나 지금이나 동일하다는 증거가 된다.


- 이미지: Bayron Octet (Wikimedia Commons)

우주를 구성하는 기본 입자의 일종인 쿼크의 대칭성을 나타내고 있다.

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