모르데하이 밀그롬

밀그롬이 수정된 뉴턴 역학(MOND)을 제안하게 된 직접적인 동기는 1970년대 후반부터 본격적으로 제기된 은하 회전 곡선 문제였다. 당시 관측 기술의 발전으로 은하 외곽에 있는 성간 가스와 별의 회전 속도를 측정할 수 있게 되었고, 그 결과는 뉴턴 역학과 만유인력의 법칙의 예측과는 크게 달랐다. 뉴턴 역학에 따르면, 은하 중심에서 멀리 떨어진 천체일수록 더 느린 속도로 회전해야 하지만, 실제 관측에서는 외곽 천체들의 속도가 예상보다 훨씬 빨랐고, 심지어 일정한 속도를 유지하는 것처럼 보였다. 이 문제를 설명하기 위해 대부분의 물리학자와 천문학자들은 보이지 않는 암흑물질의 존재를 가정하는 쪽으로 나아갔다.

그러나 밀그롬은 이 관측 데이터에 내재된 패턴에 주목했다. 그는 회전 속도의 이상이 단순히 무작위적인 것이 아니라, 은하 내부의 가속도 크기와 체계적으로 연관되어 있음을 발견했다. 구체적으로, 태양계와 같은 고가속도 환경에서는 뉴턴 역학이 완벽하게 성립하지만, 은하 외곽과 같이 극도로 낮은 가속도(대략 지구 표면 중력가속도의 1백억 분의 1 수준)가 지배하는 환경에서는 역학 법칙 자체가 달라질 수 있다고 생각했다. 따라서 그의 접근법은 '보이지 않는 물질'을 도입하는 대신, '보편적으로 받아들여지는 물리 법칙'을 수정하는 근본적인 대안을 모색하는 것이었다.

이러한 배경에서 1981년부터 구체화된 그의 아이디어는, 낮은 가속도 영역에서 뉴턴의 제2법칙(F=ma)이 변형되어야 한다는 것이었다. 그는 자연계에 존재하는 새로운 가속도 규모 a0를 도입하여, 이 임계값보다 훨씬 작은 가속도에서는 힘과 가속도의 관계가 비선형적으로 변한다고 제안했다. 이 간단한 수정만으로도, 추가적인 암흑물질 없이 은하의 평평한 회전 곡선을 정량적으로 설명할 수 있었다. 이 제안은 기존 표준 우주론과 일반 상대성 이론의 틀에 도전하는 것이었기 때문에, 당시 학계에서는 매우 이단적인 견해로 받아들여졌다.

밀그롬이 제안한 수정된 뉴턴 역학의 핵심은, 중력에 의한 가속도가 매우 작은 영역에서 뉴턴 역학이 수정되어야 한다는 것이다. 그는 1981년에 발표한 논문에서, 은하의 외곽과 같이 중력 가속도가 극도로 약한 환경에서는 뉴턴의 제2법칙(F=ma)이 더 이상 성립하지 않는다고 주장했다. 대신, 가속도(a)가 특정한 임계값(a_0)보다 작을 때, 작용하는 힘(F)은 가속도의 제곱에 비례하는 형태(F ∝ ma²/a_0)로 변한다고 제시했다. 이 임계 가속도 a_0는 약 10^{-10} m/s² 수준으로, 지구 표면 중력가속도의 약 1천억 분의 1에 해당하는 매우 작은 값이다.

이러한 수정의 결과, 은하 외곽에서의 별이나 성간 가스의 운동이 극적으로 변화한다. 표준 뉴턴 역학에 따르면 은하 중심에서 멀어질수록 천체의 궤도 속도는 감소해야 하지만, MOND 이론에서는 가속도가 a_0보다 작은 영역에서 속도가 거의 일정한 값에 수렴하게 된다. 이는 별도의 암흑물질 헤일로를 가정하지 않고도 관측된 은하 회전 곡선의 평탄화 현상을 자연스럽게 설명할 수 있는 이론적 틀을 제공한다. 밀그롬의 이론은 기존 중력 법칙의 보편성에 의문을 제기하며, 천체물리학과 기본 물리학에 새로운 패러다임을 제시했다.

수정된 뉴턴 역학(MOND)은 표준 뉴턴 역학과 근본적인 차이점을 가진다. 가장 핵심적인 차이는 중력의 작용 방식이 가속도의 크기에 따라 달라진다는 것이다. 표준 뉴턴 역학에서는 질량이 주는 중력 가속도가 거리의 제곱에 반비례하여 감소한다. 그러나 MOND는 매우 작은 가속도 영역, 즉 대략 제곱초당 1나노미터의 10분의 1 수준 이하에서는 중력의 법칙이 달라진다고 제안한다. 이 임계 가속도 값을 넘지 않는 약한 중력장에서는 가속도가 거리의 제곱이 아니라 거리에 반비례하게 되어, 예상보다 더 강한 중력 효과가 나타난다.

이 차이는 은하의 회전 곡선 문제를 설명하는 방식에서 극명하게 드러난다. 표준 뉴턴 역학에 따르면, 은하 중심에서 멀리 떨어진 별이나 성간 가스는 중심부의 가시적 질량이 제공하는 중력에 비해 훨씬 빠른 속도로 회전해야 하는 모순에 직면한다. 이 문제를 해결하기 위해 제안된 것이 보이지 않는 암흑물질의 존재이다. 반면, MOND는 새로운 입자를 도입하지 않고, 단지 약한 가속도 영역에서의 역학 법칙을 수정함으로써, 은하 외곽 천체들의 관측된 고속 회전을 자연스럽게 설명한다.

결과적으로 두 이론은 동일한 천문학적 관측 현상에 대해 상반된 해석을 제공한다. 암흑물질 가설은 뉴턴 역학과 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 그대로 유지한 채 보이지 않는 질량을 상정하는 반면, MOND는 근본적인 역학 법칙 자체를 수정해야 한다고 주장한다. 이는 중력에 대한 우리의 이해가 보편적이지 않을 수 있으며, 극미한 가속도 조건에서는 새로운 물리학이 필요할 수 있음을 시사한다.

밀그롬이 제안한 수정된 뉴턴 역학(MOND)은 은하 회전 곡선 문제를 설명하는 대안적 접근법이다. 표준 뉴턴 역학에 따르면, 은하 중심에서 멀리 떨어진 별들은 중심부의 가시적 질량에 의한 중력이 약해지므로 회전 속도가 감소해야 한다. 그러나 1970년대 후반의 관측은 은하 외곽의 성간 가스와 별들이 예상보다 훨씬 빠른 일정한 속도로 회전한다는 사실을 보여주었다. 이 관측과 이론의 불일치가 바로 은하 회전 곡선 문제이며, 기존 천체물리학계는 이를 설명하기 위해 보이지 않는 암흑물질의 존재를 가정했다.

밀그롬은 1981년부터 이 문제를 다른 시각에서 접근했다. 그는 문제의 핵심이 추가적인 질량이 아니라, 매우 낮은 가속도 영역에서 뉴턴의 운동 법칙 자체가 수정되어야 한다는 점에 있다고 보았다. 그의 이론에 따르면, 중력 가속도가 특정한 임계값(약 10^{-10} m/s^2)보다 낮아지면, 힘과 가속도의 관계가 기존의 선형 법칙(F=ma)에서 벗어난다. 이 수정된 관계에 따라 은하 외곽에서의 유효 중력이 표준 뉴턴 역학의 예측보다 강해져, 빠르게 회전하는 별들을 붙잡아 둘 수 있게 된다.

결과적으로 MOND는 추가적인 암흑물질의 존재 없이도 관측된 평탄한 은하 회전 곡선을 자연스럽게 재현할 수 있다. 이 이론은 다양한 나선은하의 회전 곡선 데이터를 성공적으로 설명하며, 암흑물질 가설에 대한 강력한 대안으로 자리 잡았다. 그러나 이 설명은 주로 고립된 은하와 같은 특정 천체계에 국한되어 있으며, 은하단의 역학이나 중력렌즈 현상과 같은 더 넓은 현상을 설명하는 데는 여전히 추가적인 검증이 필요한 상황이다.

밀그롬이 제안한 수정된 뉴턴 역학(MOND)에 대한 실험적 검증 시도는 주로 극히 낮은 가속도 환경에서 뉴턴 역학이 예측하는 것과 다른 중력적 효과를 포착하는 데 집중되어 왔다. 이러한 검증은 은하의 회전 곡선 문제를 넘어서, 우리 태양계 내부나 은하계 내의 특정 천체 시스템에서도 이루어지고 있다. 예를 들어, 태양계 외곽을 도는 명왕성이나 보이저 우주선의 궤도에서 미세한 이상 가속도가 관측되며, 이는 MOND의 가능성을 검토하는 단서가 되기도 했다.

최근에는 장주기 쌍성의 궤도 운동을 분석한 연구가 주목받았다. 세종대학교 채규현 교수팀의 연구에 따르면, 서로 매우 먼 거리에서 공전하는 쌍성계에서 두 별 사이의 중력 가속도가 극히 약해질 때, 그 궤도는 표준 뉴턴 역학이나 일반상대성이론의 예측보다 약 40% 정도 더 큰 중력적 인력을 보이는 것으로 나타났다. 이는 밀그롬이 40여 년 전에 MOND를 통해 예측했던 '중력 변칙' 현상과 정확히 일치하는 결과이다.

또 다른 중요한 검증 장은 충돌하는 은하단이다. 특히 '총알 성단'과 '아벨 520' 같은 은하단 충돌 사례에서는 약한 중력 렌즈 효과를 통해 중력장의 분포를 추정할 수 있다. 암흑물질 모델은 가시 물질과 분리된 중력원을 필요로 하는 반면, MOND는 이러한 관측 자체를 다른 방식으로 설명하려 시도한다. 현재까지의 관측 데이터는 두 이론 중 어느 하나를 명확히 지지하지 못하고 있으며, 이는 지속적인 논쟁과 더 정밀한 관측의 필요성을 보여준다.

밀그롬이 제안한 수정된 뉴턴 역학(MOND)은 암흑물질 가설에 대한 주요 대안으로, 현대 천체물리학과 우주론에서 지속적인 논쟁을 불러일으키고 있다. 암흑물질 가설은 관측되는 중력 효과를 설명하기 위해 보이지 않는 새로운 종류의 물질을 도입하는 반면, MOND는 중력 자체의 법칙이 극히 약한 가속도 영역에서 달라진다고 주장한다. 이 근본적인 접근법의 차이는 은하의 회전 곡선 문제를 비롯한 여러 천문학적 관측을 해석하는 방식에 있어 첨예한 대립을 만들어냈다.

MOND 지지자들은 이 이론이 암흑물질을 가정하지 않고도 개별 은하의 회전 곡선을 매우 정확하게 설명할 수 있다는 점을 강조한다. 특히, 은하 외곽에서 별들의 예상보다 빠른 회전 속도는 중력 가속도가 특정 임계값(a_0) 아래로 떨어질 때 뉴턴 역학이 수정되어야 함을 나타내는 증거로 해석된다. 이는 암흑물질의 분포를 복잡하게 모델링해야 하는 기존 접근법에 비해 더 간결하고 예측력이 있다고 주장된다.

그러나 암흑물질 가설의 지지자들은 MOND가 직면한 심각한 난제들을 지적한다. 가장 큰 도전은 은하단의 역학을 설명하는 것이다. 총알 성단과 같은 충돌하는 은하단의 관측은 중력 렌즈 효과를 통해 보이는 물질과 분리된 중력원의 존재를 보여주는데, 이는 암흑물질의 존재에 대한 강력한 간접 증거로 여겨진다. MOND는 이러한 대규모 구조의 관측을 설명하기 위해 추가적인 숨은 중성미자와 같은 일반 물질을 필요로 하여 그 우아함이 훼손된다는 비판을 받는다.

또한, MOND는 아인슈타인의 일반상대성이론과의 조화로운 통합이라는 근본적인 문제를 안고 있다. 암흑물질 가설은 기존의 중력 이론을 그대로 유지한 채 새로운 물질을 도입하는 반면, MOND는 중력 법칙 자체를 수정해야 하므로 보다 포괄적인 상대론적 이론(예: TeVeS)이 필요하다. 현재까지 이러한 이론들은 여러 관측적 검증을 완전히 통과하지 못했다. 이 논쟁의 해결은 앞으로의 정밀 관측, 예를 들어 제임스 웹 우주 망원경이나 새로운 중력파 관측소들의 데이터에 달려 있을 것이다.