1.5 장력이 빛의 속도를 결정합니다

목차 ／ 제1장: 에너지 필라멘트 이론

빛은 ‘에너지의 바다’를 따라 진행하는 섭동의 묶음입니다. 그 최대 속도는 우주 어디서나 동일한 하나의 수가 아니라, 각 시공간의 매질이 가진 국소 장력으로 정해집니다. 장력이 높을수록 국소 전파 상한은 높아지고, 장력이 낮을수록 상한은 낮아집니다. 경로를 따라 분포한 장력에 의해 빛의 전체 비행 시간은 달라집니다.

실험실에서 국소 자(尺)와 시계로 측정하면, 그 기준기 자체가 주변 환경과 함께 동조·공변합니다. 따라서 읽히는 값은 거의 일정하며, 이것을 측정된 빛의 속도라고 합니다.

두 설명은 양립합니다. 국소 빛의 속도 상한은 장력에 따라 달라질 수 있지만, 충분히 작은 영역에서의 측정값은 일정합니다.

직관을 돕는 비유

• 같은 북의 가죽이라도 더 팽팽할수록 울림은 더 빨리 퍼집니다.
• 같은 줄이라도 더 세게 당길수록 파도의 마루가 더 빠르게 전진합니다.
• 더 ‘단단한’ 매질에서는 소리가 더 빠르게 전파됩니다.

요지는 간단합니다. 더 강한 장력과 더 재빠른 복원 작용이 있으면, 전파는 빨라집니다.

I. 왜 장력이 높을수록 더 빨라지는가(직관의 세 가지)

• 깔끔한 바통 터치가 일어납니다. 장력이 높으면 매질이 곧고 팽팽해집니다. 섭동 이후 복원력이 강하고 머뭇거림이 적어, 변위가 다음 미소 요소로 더 빨리 넘어가며 파면이 신속히 전진합니다.
• 가로로 새는 변형을 억제합니다. 장력이 낮으면 섭동이 부풀고 주름지며 옆으로 새기 쉽습니다. 높은 장력은 이런 우회를 눌러 에너지를 진행 방향으로 모아 주고 효율을 높입니다.
• 복원 대 지연의 비가 커집니다. ‘재료량’이 같다면 장력이 높을수록 복원 작용이 커지고 질질 끌림이 줄어듭니다. 집단적 결과는 속도의 상승입니다.

한 줄 요약: 높은 장력 = 더 강한 복원 + 더 적은 지연 + 더 적은 옆샘 ⇒ 더 빠른 전파.

II. 국소 불변, 영역 간 가변(상대성과의 정합)

• 국소 일치가 성립합니다. 충분히 작은 근방에서는 누구나 국소 자와 시계로 같은 값 c를 읽습니다. 기준이 환경과 같은 방식으로 스케일되기 때문입니다.
• 경로 의존의 변화가 가능합니다. 서로 다른 장력의 구역을 가로지르면, 국소 상한은 환경에 따라 완만히 변할 수 있습니다. 신호가 어디서도 그 상한에 도달하거나 넘지 않도록 요구하며, 변하는 것은 ‘상한 자체’이지 신호가 상한을 ‘추월’하는 것이 아닙니다.
• 강한 중력 근방의 지연이 양수인 이유입니다. 거대 질량 천체 가까이에서는 장력이 높아 국소 상한이 커지지만, 광로가 더 크게 굽고 길어집니다. 길어진 경로로 인한 지연이 상한 상승의 가속보다 커서 총 비행 시간은 늘어납니다. 관측되는 중력 지연과 일치합니다.

III. 실험실에서 항상 같은 c가 나오는 이유

• 자와 시계는 ‘바깥’에 있지 않습니다. 둘 다 국소 물질로 이루어져 있습니다. 환경 장력이 바뀌면 원자 에너지 준위, 고유 진동수, 재료 응답이 함께 재스케일됩니다.
• 동조된 도구로 측정합니다. 이런 기준을 쓰면 같은 국소 상한이 언제나 같은 숫자로 읽힙니다.
• 결론입니다. 물리적 상한은 국소적으로 달라질 수 있어도, 측정값은 일정할 수 있습니다. 전자는 물리적 ‘천장’, 후자는 국소의 ‘읽기 값’입니다.

IV. 초기 우주의 빠른 균질화

핵심 생각은 이렇습니다. 우주의 맨 처음에는 장력이 극도로 높아 ‘에너지의 바다’가 비정상적으로 팽팽했습니다. 국소 전파 상한이 매우 컸기 때문에, 정보와 에너지 섭동이 아주 짧은 시간에 매우 먼 거리를 오갈 수 있었고, 온도와 퍼텐셜의 차이를 빠르게 고르게 만들어 오늘의 대규모 균질성이 형성되었습니다.

• ‘공간 급팽창’을 가정하지 않아도 됩니다. 표준 가설은 멀리 떨어진 영역들이 접촉했음을 설명하기 위해 공간 자체가 급격히 커졌다고 봅니다. 여기서는 물질적 메커니즘으로 설명합니다. 높은 장력 ⇒ 높은 상한 ⇒ 섭동의 빠른 상호 통행으로, 별도의 인플레이션 단계를 두지 않아도 됩니다(8.3절 참조).
• 이후의 ‘음향 현상’과는 구분됩니다. 조금 뒤의 플라즈마 시기에도 배경 장력은 비교적 높았지만, 강한 결합과 반복 산란 때문에 집단적 음파의 유효 순항 속도는 국소 상한보다 낮았습니다. 이 시기는 구조에 ‘선호 간격’을 새겼지만, ‘인플레이션 없이도 균질화가 가능하다’는 결론은 유지됩니다.

V. 관측적 손잡이와 비교(일반 독자용)

• 먼저 무차원 비를 보십시오. 멀리 떨어진 영역을 비교할 때는, 같은 기원의 스펙트럼선 주파수 비, 광도 곡선의 형태 비, 강한 중력렌즈 다중 영상 사이의 지연 비처럼 무차원 지표를 우선 사용하십시오. 기준과 대상이 함께 떠내려가는 효과를 상수 변화로 오독하는 일을 피할 수 있습니다.
• ‘공통 오프셋 + 안정적인 비’를 찾으십시오. 강한 렌즈나 극단 시선에서, 영상·메신저 간 지연의 비는 거의 그대로인데 절대 시간이 한꺼번에 치우친다면, ‘장력이 정한 국소 상한 + 경로 기하’의 결합 신호일 가능성이 큽니다. 원천 지연이나 주파수 의존 분산만으로 설명하는 것보다 자연스럽습니다.
• 경로가 길수록 민감합니다. 지구 주변처럼 장력이 거의 균일한 곳에서는 반복 측정이 같은 값을 줍니다. 아주 먼 거리를 지나거나 극한 환경을 통과하는 경로일수록 차이가 드러나기 쉽습니다.

VI. 요약하면

• 국소 천장은 장력이 정합니다. 더 팽팽하면 빠르고, 느슨하면 느립니다. 측정값은 국소 도구가 정합니다. 충분히 작은 영역에서는 언제나 c입니다.
• 천장은 퍼텐셜이, 시계는 기하가 정합니다. 상한은 국소 장력에서, 총 시간은 장력 분포와 경로 형상에서 나옵니다.
• 상대성과 모순되지 않습니다. 충분히 국소적인 패치에서는 상한이 관측자와 무관하게 같고, 차이는 영역을 건너며 누적됩니다.
• 초기 우주에서는 매우 높은 장력이 섭동의 거의 즉각적인 상호 통행을 가능하게 해, 별도의 인플레이션 없이도 빠른 균질화를 이끌 수 있었습니다(8.3절 참조).