등속도로 운동하는 관성계를 다룬 특수상대성이론은 모든 관성계에서는 동일한 물리법칙이 성립한다는 상대성 원리와 빛의 속도가 일정하다는 광속 불변의 원리를 바탕으로 하고 있다. 반면에 일반상대성이론은 모든 가속계에서도 같은 물리법칙이 성립한다는 확장된 상대성원리와 중력질량과 관성질량이 동등하다는 등가의 원리를 바탕으로 하고 있는 이론이다. 그 중에서도 중력질량과 관성질량이 동등하다는 등가원리는 일반상대성이론의 핵심이라고 할 수 있다.
중력 질량과 관성 질량이 동등하다, 모든 물체는 같은 속도로 떨어진다
갈릴레오 갈릴레이는 피사의 사탑에서 행한 낙하실험을 통해 무거운 물체와 가벼운 물체를 동시에 떨어뜨리면 같은 속도로 떨어진다는 것을 증명했다고 전해진다. 실제로 갈릴레이가 그런 실험을 했는지는 확실하지 않지만 사람들은 이 실험이 과학 발전에 큰 영향을 준 중요한 실험이라고 믿고 있다.
그러나 무거운 물체와 가벼운 물체가 같은 속도로 떨어진다는 사실에는 사람들이 미처 알아차리지 못했던 중요한 물리학적 의미가 포함되어 있었다. 물체가 지구 중심을 향해 떨어지는 것은 지구와 물체 사이에 작용하는 중력 때문이다. 어떤 물체에 작용하는 중력의 세기는 그 물체의 질량에 비례하여 증가한다. 중력의 크기를 결정하는 이런 질량을 중력질량(m)이라고 부른다.
한편 물체에 힘을 가며 가속도가 생기는데 이 때 가속도의 크기는 힘의 크기에 비례하고 물체의 질량에 반비례한다. 가속도의 크기를 결정하는 질량은 관성질량(m')이고 한다. 전기장의 작용으로 가속 운동하는 물체의 가속도를 구하기 위해서는 물체에 가해지는 전기력(qE)을 관성질량(m')으로 나누면 된다(a = qE/m'). 마찬가지로 중력장 안에서 운동하는 물체의 가속도를 구하기 위해서는 중력(mg)을 관성질량(m')로 나누면 된다(a = mg/m'). 무거운 물체와 가벼운 물체가 같은 가속도로 떨어진다는 것은 중력질량과 관성질량이 같다( m = m')는 것을 나타낸다. 과학자들은 정밀한 실험을 통해서도 이 두 질량이 같다는 것을 확인했다.
진공에서 사과와 깃털은 똑같이 떨어진다.
중력 질량과 관성질량, 이 두 질량이 같아야 할 이유는 어디에도 없다
중력 질량과 관성질량, 이 두 질량이 같아야 할 이유는 어디에도 없다. 그렇다면 이 두 가지 질량이 같은 것은 단지 우연의 일치였을까? 아인슈타인은 그렇지 않다고 생각했다. 이 두 가지 질량이 같은 것은 우리가 살아가고 있는 우주 공간의 근본적인 속성에 그 원인이 있다고 생각한 것이다. 아인슈타인의 생각을 따라가기 위해 우주 공간을 여행하고 있는 로켓을 가정해 보자. 로켓이 앞쪽으로 가속되고 있으면 로켓 안의 사람들은 뒤쪽으로 힘을 받게 된다. 이 때 로켓 안에서는 무슨 실험을 해도 뒤쪽으로 받는 힘이 로켓 뒤쪽에 있는 물체의 중력에 의한 것인지 아니면 로켓의 가속에 의한 것인지 구별할 수 없다. 다시 말해 중력과 가속에 의한 관성력이 같다는 것이다. 이것이 등가의 원리이다. 이것은 중력질량과 관성질량이 동등하다고 바꾸어 말할 수도 있다.
중력 질량과 관성질량이 같은것, ‘등가원리’가 우리가 사는 우주의 근본적인 속성이다
등가 원리를 적용하면 서로 다른 가속도로 운동하고 있는 가속계를 다른 중력장에서 운동하고 있는 계로 나타낼 수 있다. 가속계와 관계되었던 관성력이 사라지고 모두 중력장으로 나타낼 수 있게 된 것이다. 따라서 가속계에서의 모든 물리법칙은 이 계 안의 물체에 작용하는 중력장의 세기만 달라졌을 뿐 같은 형태로 성립하게 된다. 이것이 확장된 상대성 원리이다. 그렇게 되면 남은 것은 가속계가 경험하는 중력장을 어떻게 나타내느냐 하는 문제뿐이다. 아인슈타인은 중력장의 세기를 휘어진 시공간의 곡률로 설명했다. 평면이 휘어졌다는 것은 이해하기 쉽다. 그것은 우리가 3차원 공간에 살고 있기 때문이다. 그러나 우리가 살고 있는 4차원 시공간이 휘어졌다는 것을 이해하는 것은 쉬운 일이 아니다. 4차원 공간이 휘어지는 것을 보기 위해서는 4차원 이상의 차원으로 나가 보아야 하기 때문이다. 그러나 3차원 공간과 시간 차원만 인식할 수 있는 인간으로서는 그것은 가능한 이야기가 아니다. 그러나 다행히 수학에서는 그것을 할 수 있다.
중력은 휘어진 시공간이다
일반상대성이론은 중력을 시공간의 휘어짐으로 설명한다.
우리가 어릴 적부터 배워 온 유클리드 기하학은 곧은 공간, 다시 말해 휘어지지 않은 공간에서 성립하는 기하학이다. 2차원를 예로 든다면 평평한 평면에서만 적용되는 기하학이다. 그러나 모든 평면이 평평한 것은 아니다. 공 모양인 지구의 표면이나, 언덕과 골짜기를 포함하고 있는 산이나 들은 평평하지 않다. 이런 평평하지 않은 평면에서는 유클리드 기하학이 성립하지 않는다.
평행선이 서로 만날 수도 있고 삼각형의 내각의 합이 180도보다 크거나 작을 수도 있다. 평평하지 않은 평면이나 공간에 적용되는 기하학은 그것을 발전시킨 독일 수학자 리만(Georg Friedrich Bernhard Riemann, 1826~1866)의 이름을 따서 리만 기하학이라고 부른다.
아인슈타인은 중력장을 리만 기하학을 이용하여 휘어진 공간의 곡률로 설명했다. 중력이라는 힘을 시공간의 기하학적 성질로 바꿔버린 것이다. 예를 들어 지구가 태양 주위를 돌고 있는 것을 지구와 태양 사이의 작용하는 중력으로 설명하는 대신 태양의 질량에 의해 휘어진 공간 때문에 똑바로 진행하려는 지구의 운동이 영향을 받아 태양을 도는 운동을 하게 된다고 설명하는 것이다.
아인슈타인, 일반상대성이론이 “나의 인생에 가장 행복한 생각”
아인슈타인이 처음으로 일반상대성이론의 기초적인 아이디어를 생각해 낸 것은 1907년이라고 알려져 있다. 후에 그는 그것을 ‘나의 인생의 가장 행복한 생각’이었다고 말했다. 그러나 그 후에도 일반상대성이론을 완성할 때까지는 8년이라는 고통스런 시간을 더 견디어내야 했다. 이 당시 그는 친구에게 보낸 편지에서 다음과 같은 말을 했다. ‘나는 정말 중요한 일에 온 정신을 빼앗기고 있기 때문에 편지를 쓸 시간을 낼 수 없다. 나는 지난 2년 동안 중요한 문제들을 생각하느라고 밤낮으로 나의 두뇌를 괴롭혔다. 그것들은 전례 없이 물리학의 근본적인 문제들을 진전시키는 것들이었다.
뉴턴은 사과가 지구로 떨어지는 것은 지구와 사과 사이에 서로 잡아당기는 힘이 존재하기 때문이라고 설명했지만 아인슈타인은 지구가 만들어 놓은 시공간의 웅덩이 속으로 사과가 굴러 떨어지는 것이라고 설명한다. 일반상대성이론에 의하면 질량에 의해 휘어진 시공간은 빛의 경로에도 영향을 미친다. 빛은 똑바로 진행하려고 하지만 휘어진 공간 때문에 휘어가게 된다는 것이다. 만약 아인슈타인의 새로운 중력이론이 뉴턴의 중력 이론을 단지 다른 방법으로 설명한 것이라면 뉴턴의 중력 이론을 버리고 아인슈타인의 새로운 중력이론을 받아들일 이유가 없을 것이다. 중력의 세기가 그리 크지 않는 경우에 뉴턴의 중력이론과 아인슈타인의 중력 이론은 모두 정확하게 물체의 행동을 기술할 수 있다. 따라서 약한 중력장에서의 실험으로는 뉴턴의 이론과 아인슈타인의 이론 중 어느 이론이 우월한지를 가려낼 수 없다. 그러나 중력이 아주 큰 곳에서는 아인슈타인의 새로운 중력 이론과 뉴턴의 중력 이론은 서로 다른 결과를 나타낸다. 따라서 일반상대성이론이 옳다는 것을 증명하기 위해서는 중력이 강한 곳을 찾아내 실험을 해 보는 수밖에 없었다.
일반상대성 이론, 태양의 일식 관측으로 입증되다
일반상대성이론을 발표하기 전인 1912년 초에 아인슈타인은 프로인들리히(Erwin Finlay-Freundlich, 1885~1964)와 큰 질량 근처를 지나는 빛의 경로를 측정하여 자신의 이론을 증명하는 문제에 대해 의논했다. 처음에 그들은 태양계에서 가장 질량이 큰 행성인 목성의 중력이 먼 별에서 오는 빛을 굽어가게 하기에 충분할 만큼 크지 않을까 생각했다. 만약 목성의 중력이 빛의 경로를 휘게 한다면 목성이 없을 때의 별의 위치와 목성이 이 별들 앞을 지날 때 별들의 위치가 달라져 보일 것이다. 그러나 아인슈타인은 지구 질량의 318배 정도의 질량을 가지고 있는 목성은 빛의 경로에 관측이 가능할 만큼의 영향이 주지 않는다는 것을 알게 되었다. 아인슈타인은 계산을 통해 목성보다 천 배나 되는 질량을 가지고 있는 태양의 중력은 먼 별에서 오는 빛에 상당한 정도의 영향을 미칠 것이라는 것을 알게 되었다. 따라서 태양이 없는 밤하늘의 사진을 찍어 놓고, 태양이 이 별들 앞을 지나갈 때 이 별들의 사진을 찍어 비교해 보면 태양에 의해 빛이 얼마나 휘어졌는지를 알 수 있을 것이다.
아인슈타인과 프로인들리히는 일식 때 별들의 사진을 찍기 위한 준비를 했다. 프로인들리히는 아인슈타인의 도움을 받아 1914년 8월 21일에 크리미아에서 일어날 일식 때 태양 부근의 별들을 촬영하기 위한 관측여행을 준비했다. 그는 1914년 7월 19일에 크리미아로 출발했다. 그러나 프로인들리히가 일식을 관찰하기 전에 1차 세계대전이 발발했고 그는 간첩혐의로 러시아의 포로가 되었다. 포로교환을 통해 프로인들리히는 9월 2일에 독일로 돌아올 수 있었지만 관측 여행은 완전한 실패로 돌아갔다.
아서 에딩턴 경(Sir. Athur Eddington, 1882-1944)
프로인들리히가 시도했던 것과 똑같은 관측 여행을 시도한 사람은 영국의 아서 에딩턴(Sir Arthur Stanley Eddington)이었다. 케임브리지 천체연구소 소장이었던 에딩턴은 종교적인 이유로 군에 입대하기를 거부하여 양심적 병역 거부자로 수용소에 갈 수밖에 없는 입장이 되었다. 그러자 천문학자였던 프랭크 다이슨(Frank Watson Dyson, 1868~1939)이 에딩턴을 군에 보내는 대신 1919년 3월 29일에 있을 개기일식을 관측하는 임무를 맡기자고 정부에 제안하여 허락을 받았다.
1919년 3월 8일에 에딩턴과 그의 관측팀은 리버풀을 출발했다. 에딩턴은 만약에 대비하기 위해 관측팀을 두 그룹으로 나누어 한 그룹은 브라질의 소브랄로 향하게 했고 에딩턴이 이끄는 두 번째 그룹은 서부 아프리카의 적도 기아나 해변으로부터 조금 떨어져 있는 프린시페 섬으로 향했다. 일식이 있던 날 두 곳 모두의 날씨가 좋지 않았지만 구름이 없는 아주 짧은 순간에 태양 주위의 별들 사진 몇 장을 찍는데 성공했다.
아서 에딩턴이 찍은 일식 사진 원판
태양의 중력에 의한 별의 위치 변화
빛은 정말로 중력에 의해 휜다
일식 때 찍은 사진에 나타난 태양 주위의 별들은 태양이 없는 밤에 찍은 사진보다 태양으로부터 멀어져 있었다. 멀어진 정도는 오차의 한계 내에서 아인슈타인의 예상치와 일치했다. 에딩턴은 이 관측결과를 1919년 11월 6일 왕립천문학회와 왕립협회가 공동으로 주관한 학술회의에서 발표했다. 에딩턴은 이 발표에서 관측결과와 함께 이 관측결과가 가지는 놀라운 의미를 설명했다. 다음 날 타임지는 ‘과학의 혁명 - 우주에 관한 새로운 이론 - 뉴턴의 이론이 무너졌다.’라는 제목의 기사를 내보냈고, 며칠 후에는 뉴욕 타임즈가 ‘하늘에서 빛은 휘어진다 - 아인슈타인 이론의 승리’라는 기사를 다루었다. 그것은 아인슈타인의 새로운 중력 이론과 함께 새 시대가 시작되었음을 알리는 것이었고 아인슈타인이 과학자들의 스타에서 대중적 스타로 변신했다는 것을 알리는 것이었다.
네이버 지식백과 출처
한마디로 간단하게 사진한장으로 요약하자면
요약 : 중력은 공간을 휘는 힘이고, 각 천체와 빛은 휘어진 공간을 따라 운동 한다.
그러면 이제 웜홀이론에 핵심부인 블랙홀에 대해 나열해볼게
블랙홀(black hole)의 존재는 현대천문학과 물리학의 이론이 정확하다는 사실을 증명해준다고 볼 수 있다. 특히 현대천문학의 별 진화이론과 현대물리학의 일반상대성이론은 블랙홀과 밀접하게 관련돼 있다.
현대천문학과 물리학의 상징, 블랙홀.
인정받지 못한 ‘블랙홀’의 존재
질량이 있는 모든 물체 사이에는 서로 끌어당기는 만유인력이 작용한다. 특히 지구가 물체를 잡아당기는 힘을 중력이라고 하는데, 이 중력 때문에 인간은 공중에 떠다니지 않고 지표면에서 생활할 수 있다.
만일 지구에서 중력보다 더 큰 속도로 물체를 던지면 어떻게 될까? 초속 11.2km의 속도보다 빠르게 물체를 던지면 지구를 탈출할 수 있다. 따라서 초속 11.2km를 지구 탈출속도라고 부른다. 물론 지구보다 더 강한 표면중력을 갖는 목성의 탈출속도는 초속 59.5km이다. 여기서 중력이 이들보다 엄청나게 강한 천체가 있다고 가정한다면, 그 천체의 탈출속도는 어떻게 될까? 마침내 광속, 즉 초속 30만km를 넘어설 수 있을 것이다. 이렇게 광속보다 큰 탈출속도를 갖는 천체가 존재한다면, 빛조차 빠져나올 수 없을 것이다. 어떻게 보면 공상과 같은 이런 아이디어 하나에서 블랙홀이 탄생했다.
빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀.
1915년, 독일의 물리학자 알버트 아인슈타인(알베르트 아인슈타인, Albert Einstein)은 중력에 의해 공간이 휜다는 일반상대성이론을 발표했다. 상대성이론의 핵심인 중력장 방정식은 빛이 휘어야 성립되는 것이다. 하지만 당시 중력장 방정식은 물리학의 역사에서 가장 어려운 방정식 중 하나로 꼽히며, 이를 완전히 풀어낼 수 있는지 조차 알 수 없는 상황이었다.
그러나 예상보다 빠른 1916년에 독일의 천문학자이자 물리학자인 칼 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild)가 회전하지 않는 천체의 경우 해당되는 중력장방정식의 답을 구했다. 그 답에 따르면 태양 바로 주위에서는 중력 때문에 빛이 약 2″(1°= 60′= 3600″)의 각도만큼 휘어야 하는데, 사람들은 이 결과에 반신반의했다. 하지만 1919년, 영국의 천문학자 아서 에딩턴(Arthur Eddington)이 아프리카에서 일어난 개기일식을 이용해 빛이 휜다는 사실을 관측해내자 세계는 경악을 금치 못했다.
블랙홀, ‘미운 오리 새끼’ 에서 ‘백조’로 변신
천체망원경 제작 기술의 발달로 중성자별이 발견되면서, 마침내 블랙홀에 대한 천문학자와 물리학자들의 태도는 돌변하게 된다. 태양 정도의 질량을 갖는 중성자별의 크기는 대략 한국의 수도인 서울시만하다. 이런 중성자별이 실제로 존재한다는 것이 발견된 이상, 그 보다 조금 더 수축한 블랙홀의 존재를 의심할 이유가 없어진 것이다. 이를 계기로 블랙홀에 대한 연구가 1950년대~1960년대에 걸쳐 다시 불붙기 시작했고, 이로써 블랙홀의 존재는 ‘미운 오리 새끼’에서 ‘백조’로 화려한 변신을 하게 된다.
특히 뉴질랜드의 수학자 로이 커(Roy Kerr)가 1963년, 회전하는 구대칭의 천체에 적용되는 중력장 방정식의 답을 구해 블랙홀 연구의 전환점을 마련했다. 회전하지 않는 슈바르츠실트 풀이를 구한 지 약 50년이 지나서야 ‘커 풀이’가 나오게 된 것이다. 이로 인해 천문학에서 슈바르츠실트 블랙홀, 커 블랙홀이라는 용어가 생겼는데, 이 말은 각각 회전하지 않는 블랙홀, 회전하는 블랙홀을 의미했다.
여기서 재미있는 결과는, 같은 질량을 갖는다면 슈바르츠실트 블랙홀보다 커 블랙홀의 크기가 최고 절반으로 줄어든다는 사실이었다. 즉, 태양의 경우 블랙홀이 돼 최대한 빨리 자전하면 반지름이 1.5km가 된다는 뜻이다.
그로부터 5년 뒤, 영국의 벨(Bell)이 1968년 전파 관측 도중 매우 규칙적이고 주기가 약 1초에 불과한 전파의 박동을 발견했다. 그 당시까지 알려진 어떠한 천체도 이렇게 짧은 주기의 관측 자료를 줄 수는 없었기 때문에, 그 발견은 곧 천문학계의 비상한 관심을 모으게 됐다. 심지어 처음에는 외계의 문명에서 날아오는 것으로 여겨지기도 했었는데, 천문학자들은 이러한 전파원을 펄서(펄사, pulsar)라고 명명했다. 하지만 펄사의 정체는 곧 빨리 회전하는 중성자별로 밝혀졌다. 이를 통해 중성자별의 입지도 더욱 확고해졌다.
블랙홀 상상도.
비로소 ‘블랙홀’이라는 이름을 얻다
마침내 1969년, 미국의 조 휠러(John Archibald Wheeler)는 블랙홀이라는 이름을 지었다. 믿겨지지 않는 일이지만, 사실 이전에는 ‘블랙홀’이란 이름조차 없었다. 그 대신 ‘얼어붙은 별’, ‘붕괴한 별’ 등의 이상한 이름으로 불려온 것이다. 그리고 블랙홀은 ‘빛까지 빨아들이는 지옥’ 또는 ‘시공간의 무서운 구멍’ 등으로 불리며 모든 것을 남으로부터 빼앗기만 하는 ‘놀부’ 같은 이미지를 굳히게 됐다.
그런데 영국의 스티븐 호킹(Stephen William Hawking) 박사가 블랙홀에 대한 개념을 모조리 바꿔놓았다. 호킹은 블랙홀이 ‘흥부’처럼 남에게 베푸는 착한 성격도 지니고 있어서, 무궁한 에너지를 방출하는 탱크로 간주돼도 무방함을 증명했다. 호킹은 이를 ‘블랙홀은 그다지 검지 않다(Black holes ain't so black)’ 같이 표현했고 1973년, ‘블랙홀은 검은 것이 아니라 빛보다 빠른 속도의 입자를 방출하며 뜨거운 물체처럼 빛을 발한다‘는 학설을 내놓았다.
뿐만 아니다. 호킹이 주장한 이론에 따르면, 빅뱅 직후 현미경으로도 볼 수 없는 아주 작은 블랙홀이 무수히 태어나야만 한다. 이런 블랙홀을 ‘원시 블랙홀’이라고 부르는데, 원시 블랙홀의 질량은 10만 분의 1g보다 크면 된다. 연구결과에 따르면 원시 블랙홀의 최대 질량은 태양 질량 정도이므로, 크기는 대체로 아주 작다. 이러한 원시 블랙홀이 일반 천체와 같이 초속 수백km의 속도로 우주공간을 날아다니면, 웬만해서는 다른 천체들에게 중력으로 포획되지 않는다. 하지만 다른 천체와 충돌하면 이야기가 달라진다. 양성자만한 블랙홀이 지구에 충돌하면 혜성이나 소행성이 지구에 충돌하는 것과 거의 비슷한 피해를 줄 수 있다.
회전하지 않는 블랙홀과 회전하는 블랙홀.
블랙홀이 우리 생활에 미치는 영향
현대의 거대한 천체망원경들이 개발되면서 여러 은하 중심 부분에서 태양보다 수억 배 더 무거운 블랙홀들이 존재한다는 사실도 밝혀졌다. 실제로 이들은 크기가 태양계만하고, 태양과 같은 별 1천억 개정도가 낼 수 있는 에너지를 방출하고 있다. 이렇듯, 이제는 ‘과연 블랙홀은 존재 하는가’라고 물을 때가 아니라 ‘블랙홀은 몇 종류나 있는가’ 물을 때인 것이다.
또한, 블랙홀은 SF(과학소설, Science Fiction) 작가들에게 커다란 희망을 줬다. 오늘날 우주를 배경으로 한 SF소설이나 영화들 중에, 블랙홀을 통한 시공간 여행을 빌리지 않는 것은 거의 없다고 해도 과언이 아니다. 실제로 한 블랙홀이 다른 우주에 있는 블랙홀과 이어질 수만 있다면 우주여행을 하는데 지름길 노릇을 할 수 있다.
웜홀 우주선 상상도.
이것은 마치 사과 속의 벌레구멍과 같아서 사과의 한 쪽 표면에서 다른 쪽 표면으로 벌레가 가는데 시간을 절약하게 되는 것과 마찬가지이다. 이러한 이유에서 이어진 두 블랙홀을 실제로 ‘웜홀(worm hole, 벌레구멍)’이라고 부른다. 뉴턴이 떨어지는 사과를 얻어맞았다는 이야기 때문에 상대성이론을 전공하는 과학자들이 이제껏 사과를 많이 인용해 왔지만, 드디어 사과 속의 벌레가 만든 구멍까지 학술용어로 등장하게 된 것이다.
웜홀에 한 가지 문제가 있다면, 한쪽 블랙홀 속으로 들어가 어떻게든 살아남아서 다른 쪽 블랙홀에 도달한다고 하더라도 그 곳에서 빠져나갈 수 없다는 것이다. 왜냐하면 그 쪽 출구도 무엇이든지 다 집어삼키는 블랙홀이기 때문이다. 따라서 이번에는 무엇이든지 내놓기만 하는 ‘화이트홀(white hole)’이 출구에 있어야만 했다. 블랙홀과 화이트홀이 양쪽의 입구와 출구를 각각 맡는 웜홀은 이상적인 우주여행의 지름길이다. 화이트홀은 한동안 우리의 희망 사항으로 남아있을 듯 했다. 하지만 최근에 호킹이 제기한 작은 블랙홀은 화이트홀과 다름이 없다는 주장은 과학적인 입지를 차지하기 시작했다.
블랙홀은 앞으로도 21세기 천문학과 물리학의 상징적 위치를 누릴 것으로 보인다. 그 이유는 아직까지 인류가 블랙홀에 대해 아는 것보다 모르는 것이 더 많기 때문이다.
블랙홀
별이 극단적인 수축을 일으켜 밀도가 매우 증가하고 중력이 굉장히 커진 천체를 말한다. 일반상대성이론에 근거를 둔 것으로, 물질이 극단적으로 수축하면 그 안의 중력은 빛, 에너지, 물질, 입자의 어느 것도 탈출하지 못할 만큼 강해진다.
일반상대성이론
알버트 아인슈타인이 1915년에 발표한, 중력을 상대론적으로 다루는 물리 이론이다. 특수상대성이론이 ‘시간+공간’의 이론이라면 일반상대성이론은 ‘시간+공간+중력’에 관한 이론이다. 이 이론은 질량이 시공간을 휘게 해 중력장이 형성된다고 기술하는 중력장 방정식의 하나로 집약된다. 현재까지 알려진 중력을 다루는 이론 가운데 가장 정확하게 실험적으로 검증됐다.
중성자별
중성자만으로 구성된 별. 원자가 굉장한 압력을 받게 되면 전자가 양성자로 들어가 버리게 된다. 그렇게 되면 전기적으로 중성인 중성자가 된다. 중성자별이 그 고압의 중력에서 유지될 수 있는 이유는 중성자 간의 반발력인 ‘축퇴압’ 때문이다. 중성자별은 축퇴압이 중력과 균형 잡혀있는 초고밀도의 별이다. 중력이 축퇴압을 넘어 버리면 한없이 찌그러져 블랙홀이 된다.
스티븐 호킹의 학설
물체가 블랙홀에서 탈출하기 위해서는 빛보다 빠른 속도가 필요한데, 이런 일은 보통 물체에는 불가능하다. 스티븐 호킹은 이러한 종래의 학설을 뒤집어, 양자역학의 불확정성 이론에 따르면 블랙홀이 입자를 방출한다는 내용의 학설을 발표했다. 블랙홀의 사건 지평선 바로 바깥쪽 진공에서는 양자요동을 통해 입자와 반입자가 생성되는데, 이중 반입자는 블랙홀의 사건 지평선으로 떨어지고, 입자는 외부로 방출된다는 것이다. 이때 블랙홀로부터 방출되는 열복사를 호킹 복사라고 한다.
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이렇게 블랙홀 이론을 말해 보고 웜홀이론에 대해 마저 말해볼게
블랙홀 안으로 여행하는 것은 어떤 모습일까? 이에 대해 몇 번의 컴퓨터 모의실험이 이루어졌다. 1975년 미국 캘리포니아 공과대학의 커닝햄(C. T. Cunningham)이 슈바르츠실트 블랙홀에 대해 최초의 컴퓨터 모의실험을 했다. 그후 1990년 호주 모나시 대학의 윌리엄 메첸센(William Metzenthen)이 전하를 띤 블랙홀, 즉 커 블랙홀로 확장시킨 컴퓨터 모의실험을 했다. 메첸센은 블랙홀로 다가갈 때 길고 어두운 터널에 들어가는 광경처럼 보일 것이라는 점을 알아냈다. 먼 곳에는 여러 개의 고리가 보이는데, 사건 지평선을 가로지를 때 더 밝은 고리들이 생기고, 특이점으로 가까이 다가갈수록 고리들은 커지고 결국 하나로 합쳐질 것이라고 한다. 이 고리 특이점을 잘 지나면 웜홀에 도달할 수 있다.
블랙홀에 연결된 웜홀의 매력은 알맞게 위치한 웜홀이 짧은 시간에 매우 먼 거리를 여행하는 통로나, 심지어는 '다른 우주'로 여행하는 편리하고 빠른 방법을 제공할지 모른다는 점이다. 웜홀 자체는 제쳐놓더라도 여기서 다른 우주란 우리 자신의 영역에서 완전히 분리된 시·공간의 영역이다. 아마도 웜홀의 출구는 과거에 있을지 모르기 때문에 웜홀을 통하면 시간을 거슬러 여행할 수도 있을 것이다. 커 블랙홀의 경우 이론적으로는 이런 여행이 가능하다. SF 소설이나 SF 영화에 나올 법한 매우 근사한 얘기처럼 들린다.
하지만 웜홀을 찾으러 가기 위해 연구보조금을 신청하기 전에 알아야만 하는 사실이 몇 가지 있다. 무엇보다 먼저, 웜홀의 존재 가능성이 가장 큰 문제로 다가온다. 웜홀이 수학적으로 타당한 해(解)라고 해서 실제 우주에 존재한다는 것을 의미하지는 않기 때문이다. 특히 블랙홀은 평범한 물질의 붕괴에서 태어난다고 예측되지만, 웜홀은 그렇지 않다. 만일 당신이 아무 대책 없이 블랙홀 중 하나에 뛰어든다 해도 웜홀을 통해 다른 어떤 곳에 불쑥 나타날 것이라고 기대하기 힘들다는 말이다.
물론 웜홀의 존재 가능성이 0은 아니다. 우리가 통과할 수 있을 정도로 큰 규모의 웜홀을 만들려면 '양자 웜홀(quantum wormhole)'을 키워야 한다. 양자 웜홀은 30여 년 전 존 휠러가 주장한 것이다. 원자보다 엄청 작은 크기인 10-33㎝ 정도로 내려가면 플랑크 세계에 도달한다(이렇게 작은 길이는 플랑크 길이라고 부른다). 여기에서는 모든 물리법칙이 깨지고 시·공간이 뒤틀린다. 마치 광란의 춤이라도 추는 것처럼 보인다. 어떤 이는 이런 상황을 양자 요동이나 양자 거품이란 말을 동원해 설명한다. 플랑크 세계에서는 갖가지 형태의 양자 거품들이 부풀어 올랐다가 흔적도 없이 사라지는데, 양자 웜홀도 잠깐 동안 나타났다가 사라진다. 아무튼 양자 웜홀을 엄청나게 부풀릴 수 있다면 우리가 원하는 크기의 웜홀을 만들 수 있을지 모른다. 물론 이것이 어떻게 가능한지는 아직까지 알 수 없는 상태다.
실제로 우주공간에 어찌어찌 해서 웜홀이 형성됐다고 하더라도 그 웜홀은 불안정할 것이라고 과학자들은 예상한다. 약간의 동요(perturbation)가 발생한다 하더라도 웜홀은 붕괴될 것이다. 당신이 웜홀을 통해 우주여행을 하고자 하는 시도조차 이런 동요에 해당한다. 당신이 아무 조치 없이 웜홀을 통과하려면 웜홀은 붕괴되고 당신의 운명은 그것으로 끝이다.
만일 웜홀이 존재하고 안정적이라 할지라도 웜홀을 통해 여행하는 것은 그리 유쾌한 일이 못된다. 주변 별이나 우주배경에서 웜홀로 쏟아지는 빛은 매우 높은 주파수(진동수)로 청색이동(blueshift)한다. 즉, X선이나 감마선 같은 방사선이 웜홀에는 잔뜩 있다는 말이다. 당신이 웜홀을 통해 지나가려고 시도할 때, 당신의 몸은 이들 X선과 감마선으로 타버릴 것이다.
또 블랙홀에 다가감에 따라 당신의 몸에 미치는 기조력은 엄청나게 커진다. 머리와 다리에 미치는 힘의 차이가 너무 크기 때문에 당신의 몸은 스파게티처럼 늘어지다가 결국 갈가리 찢어지고 말 것이다.
끝으로 더 큰 문제는 웜홀이 일방통행만을 허용하고 출구가 없다는 점이다. 일방통행의 웜홀이란 웜홀을 통해 우주의 먼 곳으로 간다 할지라도 똑같은 웜홀을 통해 다시 돌아올 수 없다는 뜻이다. 출구가 없다는 것은 더 심각한 문제다. 블랙홀은 단지 물체를 집어삼키기만 할 뿐이다.
그렇지만 아주 희망이 없는 것은 아니다. 일반상대성이론을 표현하는 식들은 흥미로운 수학적 성질을 갖는다. 즉, 시간에 대해 대칭성을 갖는 것이다. 이 식들에 대한 어떤 해를 취한 다음, 시간이 앞으로 가는 대신 거꾸로 흘러간다고 상상할 수 있다는 의미다. 그러면 이 식들에 대한 또 하나의 타당한 해를 얻을 것이다.
만일 블랙홀을 기술하는 해에 이런 규칙을 적용한다면, 화이트홀(white hole)로 알려져 있는 또 다른 해를 얻게 된다. 블랙홀은 아무것도 빠져 나올 수 없는 공간의 영역이기 때문에 블랙홀의 시간 역전 버전은 아무것도 빠져 들어갈 수 없는 공간의 영역이다. 사실 블랙홀이 모든 것을 빨아들이기만 할 수 있듯이 화이트홀은 단지 모든 것을 내뿜을 수만 있다.
화이트홀은 일반상대성이론을 기술하는 식들에 대한 완벽히 타당한 해다. 수학적으로 잘 알려져 있지만, 이것이 실제로 우주에 존재한다는 의미는 아니다. 사실 화이트홀은 만들 수 있는 방법이 없기 때문에 거의 확실하게 존재하지 않는다고 많은 과학자들은 생각한다. 블랙홀과 화이트홀은 서로 시간 역전 관계에 있기 때문에 화이트홀을 만드는 것은 블랙홀을 파괴하는 것만큼이나 똑같은 정도로 불가능하다. 미국 예일 대학의 덕 이어들리(Doug Eardley)는 화이트홀이 초기 우주에 있었다고 해도 살아남지 못했을 것이라는 비관적인 사실을 알아내기도 했다.
그럼에도 불구하고 벌레구멍이라는 뜻의 웜홀은 이론상 블랙홀과 화이트홀의 결합을 가능하게 한다. 블랙홀로 빠져들어 가면 화이트홀에서 다시 튀어나올 수 있는 식으로 말이다. 사실 회전하거나 전하를 띠는 블랙홀의 내부는 상응하는 화이트홀과 연결될 수 있다. 특히 이런 블랙홀에 빠지더라도 특이점에 부딪치지 않을 수 있다. 웜홀로 연결된 화이트홀은 블랙홀과 매우 멀리 떨어진 어딘가에 있을지 모른다. 블랙홀은 우리우주에 존재한다는 점이 거의 확실하게 밝혀진 상태지만, 화이트홀에 대해선 실낱같은 단서 하나도 잡지 못한 상태다. 혹시 화이트홀은 우리가 모르는 다른 우주에 존재하는 것이 아닐까.
결론 - 블랙홀은 존재한다 명백히 하지만 웜홀은 발견안됫지만 없다고도 단정할수 없는 이론인것에는 분명하다 .
출처 - 네이버 캐스트 및 백과서전
아 복붙형식이라 미안 아무튼 잘 봐주길.. 난 개인적으로 웜홀을 믿고 있어. 꽤나 흥미롭잖아
(black hole)의 존재는 현대천문학과 물리학의 이론이 정확하다는 사실을 증명해준다고 볼 수 있다. 특히 현대천문학의 별 진화이론과 현대물리학의 일반상대성이론은 블랙홀과 밀접하게 관련돼 있다.
을 발표했다. 상대성이론의 핵심인 중력장 방정식은 빛이 휘어야 성립되는 것이다. 하지만 당시 중력장 방정식은 물리학의 역사에서 가장 어려운 방정식 중 하나로 꼽히며, 이를 완전히 풀어낼 수 있는지 조차 알 수 없는 상황이었다. 
이 발견되면서, 마침내 블랙홀에 대한 천문학자와 물리학자들의 태도는 돌변하게 된다. 태양 정도의 질량을 갖는 중성자별의 크기는 대략 한국의 수도인 서울시만하다. 이런 중성자별이 실제로 존재한다는 것이 발견된 이상, 그 보다 조금 더 수축한 블랙홀의 존재를 의심할 이유가 없어진 것이다. 이를 계기로 블랙홀에 대한 연구가 1950년대~1960년대에 걸쳐 다시 불붙기 시작했고, 이로써 블랙홀의 존재는 ‘미운 오리 새끼’에서 ‘백조’로 화려한 변신을 하게 된다.
을 내놓았다. 
종범이다
보라뚱이
보라뚱이
이런 내용들을 바탕으로 여러가지 공상이나 가설들을 생각하게 되긴 하는데 수학적-물리적 지식이 부족하니 그냥 공상일뿐임..
물론 이론물리학분야에서 해괴하고 기묘한 공상에서부터 시작되는 발견들이 많이 있다고는 하지만 그걸 증명하고
수식이나 새로운 패러다임으로 정리 할 지식이 없으면 말짱 꽝ㅠ
어떤 현상이나 과학적 예측에 있어서 정말 현재의 틀을 깨거나 지금껏 남들이 생가하지 못한 방향으로 명쾌한 설명을을 찾아내는 사람들은
사고력과 지식 양쪽 모두가 어디까지 도달해있는건지 일반인인 나는 도저히..;;;
x
메에롱
ㅇㅇ
ㅁㄴㅇ
일설의 주장대로 3차원계에 존재하는 완전한 2차원평면의 모습일까나
Buck
과하크자
섹서
되도않는드립
종범이다
되도않는드립
좀뭉개져서 불편하긴하군 ㅠㅠ
오천원
특히 생물이랑 화학은 경이로울정도임
종범이다
이과
이런 글 좋다.
한 글자도 안 빼고 전부 읽었음
나도 언젠간 학문을 연구하고 싶네
ㅇㅇ