3.19 중력 굴절과 물질 내 굴절 — 배경 기하와 매질 응답의 경계

목차 ／ 제3장: 거시적 우주 (V5.05)

I. 핵심 요지(독자용 지도)

• 중력 굴절: ‘더 긴장된’ 배경에서는 빛이 기하학적으로 더 긴 경로를 탑니다. 거대 질량체 근처에서는 배경 장력이 높아지고 국소 전파 상한도 올라가며, 광선은 ‘더 긴장된 쪽’으로 휩니다. 경로가 늘어나므로 전체 비행 시간은 대개 길어집니다. 효과는 무색분산이며 광자와 중력파 등 여러 메신저에 공통입니다.
• 물질 내 굴절: 매질 내부에서 빛은 결합된 전하와 반복적으로 결합하여 유효 속도가 낮아지고 분산이 생깁니다. 색에 따라 굴절각이 달라지며, 흡수·산란과 펄스 확장이 동반됩니다. 경로 변화는 경계면과 물질 내부에서 주로 일어납니다.

II. 핵심 차이(네 가지 ‘분수령’ 카드)

1. 분산 존재 여부
   • 중력 굴절: 무색분산으로 모든 대역이 함께 굽고 함께 지연됩니다.
   • 물질 내 굴절: 분산이 강해 파란색과 빨간색의 굴절각이 다르고, 펄스 도착 순서가 벌어집니다.
2. 시간 증가의 근원
   • 중력 굴절: 국소 상한은 빨라져도 경로가 더 길고 더 굽기 때문에 총 소요 시간은 경로 길이가 지배합니다.
   • 물질 내 굴절: 정지–재방출 주기로 유효 전파가 느려지고 흡수·다중 산란이 추가 지연을 만듭니다.
3. 에너지와 코히어런스
   • 중력 굴절: 주로 기하 변형이며 에너지 손실은 무시할 수 있고, 코히어런스가 비교적 잘 유지됩니다.
   • 물질 내 굴절: 흡수·열잡음·데코히어런스로 펄스가 넓어지고 간섭무늬가 희미해집니다.
4. 작용 대상
   • 중력 굴절: 광자·중력파·중성미자 등에서 동일한 기하 법칙이 같은 방향으로 작동합니다.
   • 물질 내 굴절: 물질과 결합하는 전자기파에 주로 작용하며, 중력파는 유리도 거의 ‘무시’합니다.

III. 두 가지 단면 보기

1. 중력 굴절(배경 기하)
   • 장면: 은하·블랙홀·은하단 주변.
   • 외형: 광로가 ‘긴장된 쪽’으로 굽습니다. 강한 렌즈는 다중 영상과 아크를 만들고, 약한 렌즈는 시어와 수렴을 유도합니다.
   • 타이밍: 같은 원천의 다중 경로가 무색분산 지연을 만들며, 대역 전체가 ‘빠름–느림’을 함께 이동합니다.
   • 진단: 대역과 메신저를 가로질러 도착 지연과 굽힘 각을 비교합니다. 변위가 일치하고 비율이 안정적이면 기하 원인으로 판단합니다.
2. 물질 내 굴절(매질 응답)
   • 장면: 유리·물·플라즈마 구름·먼지층.
   • 외형: 굴절각이 파장에 따라 달라지고 반사·산란·흡수가 동반됩니다.
   • 타이밍: 펄스가 뚜렷이 넓어지고, 플라즈마에서는 저주파가 더 늦습니다. 선명한 분산 곡선이 나타납니다.
   • 진단: 알려진 물질 전경을 제거합니다. 잔여 분산이 남으면 미모델 매질을 추적하고, 분산이 사라졌지만 공통 시프트가 남으면 기하 설명으로 돌아갑니다.

IV. 관측 기준과 실무 체크리스트

• 멀티밴드 공동 검출: 같은 경로에서 광학–근적외–전파가 공통 굽힘 또는 공통 지연을 보이고 분산이 두드러지지 않으면 중력 굴절을 우선합니다.
• 멀티메신저 교차검증: 같은 사건의 광자와 중력파(또는 중성미자)가 같은 방향으로 비슷한 크기만큼 이동하면 매질 분산이 아니라 배경 기하가 원인입니다.
• 다중 영상 차분(강한 렌즈): 동일 원천 영상 간 광도 곡선을 상쇄하여 내재 변동을 제거합니다. 잔차가 무색분산이고 상관되면 경로 차이는 기하적입니다.
• 펄스 확장 곡선: 도착 시간이 주파수에 따라 체계적으로 벌어지고 코히어런스가 낮아지면 매질의 분산·흡수가 원인입니다.

V. 흔한 오해에 대한 짧은 답변

1. 거대 질량체 근처에서 빛이 느려집니까?
   • 국소적으로는 전파 상한이 높아집니다.
   • 멀리서 보면 경로가 더 길고 더 굽어 전체 시간은 자주 늘어납니다. 서로 다른 물리량이므로 모순이 아닙니다.
2. 물질 굴절이 중력 렌즈처럼 보일 수 있습니까?
   넓은 대역과 여러 메신저에 걸쳐 유지하기 어렵습니다. 매질은 분산과 데코히어런스를 유발하지만, 중력 렌즈는 무색분산이고 멀티메신저에 공통입니다.
3. 단일 대역만으로 구분할 수 있습니까?
   위험합니다. 멀티밴드 + 멀티메신저 + 다중 영상 차분의 3종 세트를 권합니다.

VI. 본서의 다른 장과의 연계

• §1.11 통계적 장력 중력(STG): 중력 굴절은 ‘기울기 유도’의 직관적 표출입니다.
• §1.12 장력 배경 잡음(TBN): 관측에서는 ‘먼저 잡음, 다음에 힘’이 자주 나타나며, 배경이 들린 뒤 기하 항이 깊어집니다.
• §8.4 적색편이(Redshift): 긴 경로에서 누적되는 무색분산의 주파수·타이밍 이동은 배경 기하와 그 진화의 ‘경로 항’입니다.
• §8.6 우주 마이크로파 배경(CMB): 초기의 ‘플레이트 + 현상’ 그림은 무색분산 배경 효과에 의존하며, 물질 전경은 체계적으로 벗겨내야 합니다.

VII. 요약하면

• 한 문장: 중력 굴절은 경로의 모양을 바꾸고, 물질 내 굴절은 매질 속 ‘발딛는 감각’을 바꿉니다.
• 점검 항목: 분산, 코히어런스, 다중 영상 차분, 멀티메신저 일관성.
• 방법: ‘공통 시프트’는 배경 기하로, ‘분산적 확장’은 매질 응답으로 귀속시키고, 둘을 동일한 배경 장력 지도 위에 정합합니다.