[비센의 재미있는 과학 이야기] 블랙 홀의 비밀
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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일14-11-27 19:31 조회2,584회 댓글0건관련링크
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석준영 비센학원장인간이 알지 못하는 우주의 신비, 아직도 많아
어마어마한 중력으로 인해 모든 것을 중심으로 끌어당길 뿐 아니라 빛 마저도 밖으로 빠져 나올 수 없어 직접적으로는 관측할 수 없는 우주 공간상의 빈 구멍. 아마도 일반인들이 생각하는 가장 상식적인 블랙홀의 의미는 이정도가 아닐까 생각합니다.
최근 우주 여행을 줄거리로 한 영화 ‘인터스텔라(Interstella)’라는 영화로 인해 일반인들에게 많이 회자되기 시작한 블랙홀. 현재 가장 권위있는 천체물리학자중 한사람인 캘리포니아공과대학의 킵 손(Kip Steven Thorne)교수가 이 영화의 물리학적 자문을 맡으며서부터 화제가 되었을 뿐 아니라, 그 덕분에 영화상의 스토리나 블랙홀의 표현 등이 현재의 물리학적 이론에 매우 근접했다고 해서 나날이 화제가 되고 관심의 대상이 되고 있습니다.
덕분에 영화상에서 보여지고 있는 내용들과 괴기하게 표현된 블랙홀의 이미지가 어떤 과학적 근거에 의해서 만들어진 것들에 대해 설명해 주는 엄청난 양의 과학기사들과 칼럼들을 접할 수 있습니다. 하지만, 그런 글들을 읽으면서도 명확하게 이해되지 않는 질문이 있는데, 그건 바로 “그렇게 블랙홀의 중심으로 빨려들어가는 많은 것들은 그럼 어떻게 되는거지?”
“그렇게 많은 것들이 안으로 빨려들어간다면 블랙홀은 풍선이 불어나듯 점점 커져서 궁극에는 터져버리게 되는건가?” 등의 질문들 입니다. 하지만, 안타깝게도 이런 질문들에 시원하게 답해주는 글을 찾아보기란 쉽지 않으셨을 겁니다.
이런 당연한 질문에 대해 그 수많은 글들이 답을 주지 못하는 이유는 다름이 아니라 아직 정확히 모르기 때문입니다. 많은 과학자들이 연구를 통해 지금도 답을 찾기 위해 노력을 하고 있고, 그 선두에 앞서 언급한 킵 손 교수와 루게릭병을 극복한 물리학자로 더 유명한 영국 캠브리지 대학의 스티븐 호킹(Steven Hawking)교수가 있습니다.
워낙에 많은 글들이 이미 블랙홀과 아인슈타인의 일반 상대성이론, 중력장에 의한 시공간의 휨현상 등을 ‘인터스텔라’라는 영화와 함께 설명을 하고 있기에 저는 이번 칼럼에서 그런 부분들은 생략하고, 블랙홀에 빨려들어가는 정보들은 그 이후에 어떻게 되는 것인가에 대한 연구들이 어떻게 진행되어가고 있는가에 초점을 맞춰서 설명을 드리고자 합니다.
1780년대에 처음 예견되었던 블랙홀의 존재는 1915년 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표하면서 천체물리학계의 핫 이슈로 급부상합니다. 아인슈타인이 일반 상대성 의한 중력장을 설명하기 위해 도입한 아인슈타인 방정식을 독일의 천문학자인 카를 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild, 1873-1916)가 그 해를 구했고, 그로부터 충분하게 무거운 별의 주변에 강한 중력장으로 인해 공간의 왜곡현상이 일어나고 빛도 중력장밖으로 탈출하지 못하는 한계선, 즉 사건 지평선(event horizon)이 생길 수 있다는 것이 알려지게 된 것입니다.
오랜 연구끝에 1971년 드디어 X-선을 이용하여 백조자리 X-1이 발견되었고, 1974년 스티븐 호킹이 호킹복사(Hawking Radiation)을 이론적으로 증명해 내면서 블랙홀의 베일은 벗겨지는 듯 했습니다. 호킹 복사란 블랙홀이 스스로 에너지를 방출한다는 것인데, 모든 것을 빨아드리는 블랙홀이 어떻게 에너지를 방출해내며 유한한 온도와 무질서도(entropy)를 갖을 수 있는 지를 설명한 이론입니다.
블랙홀의 사건 지평선(event horizon)근처에는 엄청난 중력장의 차이로 인해 아무 것도 존재하지 않는 진공(vacuum)상태가 형성되는데, 이를 양자적 진공(quantum vacuum)상태라고 부릅니다.
이러한 진공상태는 말 그대로 아무것도 없는 것이 아니라 입자(particle)와 반입자(anti-particle)가 함께 생성되었다가 소멸되기를 반복하고 있는 공간을 말합니다. 이렇듯 사건 지평선 근처에 형성된 진공지역에서는 아주 작은 위치 변화로도 엄청나게 큰 중력의 변화를 겪에 되는데, 이곳에서 두 입자가 생성되는 순간, 두 입자중 하나는 블랙홀의 중력에 의해 끌려들어가지만, 나머지 한 입자는 블랙홀을 벗어나 밖으로 튕겨져 나올 수 있다는 것입니다.
이때 블랙홀로부터 발산되는 입자와 에너지를 바로 호킹복사라고 합니다. 이 과정에서 블랙홀은 입자와 반입자의 연결고리를 끊는데 많은 에너지를 소모하게 되고, 밖으로 나가는 입자, 또는 반입자,의 질량만큼 블랙홀의 질량도 줄어들기 때문에 블랙홀은 사건 지평선 안쪽의 것들을 중심으로 끌어당김에 의해 폭발하는 것이 아니라 일정 에너지와 질량을 유지할 수 있고, 오랜 시간이 지나면 안으로 끌려들어가는 것은 더이상 없지만, 진공지역에서의 호킹복사는 계속되기 때문에 결국에는 블랙홀이 스스로 우주 공간으로 증발해 버린다는 것입니다.
하지만, 이 역시 그동안 블랙홀로 빨려들어간 정보들의 최후에 대해서는 명확한 답을 주지 못하는데, 이에 대해 1983년 샌프란시스코에서 열린 학회에서 호킹이 ‘블랙홀이 증발하는 과정에서 흡수된 정보들이 사라진다’라고 말을 함으로써, 이때부터 블랙홀에 대한 전쟁이 시작됩니다. 호킹박사의 호킹복사이론은 일반 상대성 이론에 양자역학적 개념을 접목시켜 만들어진 천재적인 발상이라 할 수 있는데, 정보가 사라진다는 그의 말은 미시세계에서의 양자역학적 변환은 절대 정보를 잃어버리지 않는다는 양자역학의 기본틀에 정면으로 반하는 이야기가 되기 때문입니다.
호킹의 정보손실에 관해 반대의견을 펼친 과학자로 미국 스탠포드 대학의 레너스 서스킨드(Leonard Susskind)박사를 들 수 있습니다. 그는 ‘블랙홀 전쟁’이라는 자신의 저서를 통해 호킹의 ‘정보손실론’을 반박하였고, 오랜 기간의 학문적 논쟁 끝에 2007년 드디어 스티븐 호킹이 ‘정보를 손실하는 호킹복사’대신 ‘정보를 보존하는 호킹복사’가 맞다고 자신의 패배를 인정하면서 일단락되었습니다.
그럼 정보가 손실되지 않는다면 이를 어떻게 해석해야하는 가라는 문제는 아직까지도 진행중인 물음이며, 올해 1월에 스티븐 호킹은 이에 대한 새로운 답을 제시하면서 블랙홀에 대한 연구는 또다른 국면을 맞이하기 시작했습니다. 올해 1월 스티븐 호킹은 빛이 무한히 탈출 할 수 없는 사건지평선(event horizon)은 없고, 그 대신 그렇게 보일 뿐인 겉보기 지평선(apparent horizon)이 있을 뿐이라고 말했는데, 그 말은 블랙홀에서 아무것도 나올 수 없다는 것은 틀린 말이며, 양자역학적으로 블랙홀로부터의 탈출은 가능하다라는 완전히 새로운 이론을 내놓은 것입니다.
이렇듯 블랙홀은 아직 인간의 알아내지 못한 우주 공간의 많은 미스터리중에 하나입니다. 앞서 말씀드린 영화에서도 다뤄지지만, 웜홀(wormhole)이라는 것 역시 블랙홀에 들어간 정보들에 대해 설명하기 위해 만들어진 이론중 하나입니다. 블랙홀이 입구라면 그 반대편에 화이트홀이라는 출구가 있고, 이들사이의 웜홀이라는 통로가 존재한다는 이이기입니다. 이런 웜홀의 존재에 가장 많은 연구를 한 과학자가 바로 킵 손교수라 할 수 있지만, 블랙홀과 달리 아직 관측된 웜홀은 존재하지 않으며, 또한 화이트홀의 존재의 가능성이 점점 희박하다고 계산되면서 웜홀이 실제하는지에 대해서는 긍정적으로 생각되지는 못하고 있는 추세입니다. 하지만, 이역시 현재의 과학의 한계내에서 내리고 있는 결론들일 뿐, 그 어느 것도 확실한 진실이라고 또는 절대 있을 수 없는 일이라 이야기할 수 없는 것입니다.
석준영
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