[ANDRY]블랙홀에 관하여 (1)

1. 블랙홀

블랙홀이란, 막대한 질량과 무한대에 가까운 밀도를 가지고 주변 천체들을 빨아들이는 무시무시한 천체이다. 블랙홀은 일반적으로 질량이 어마어마하게 크고 부피가 거의 0에 가까워, 엄청나게 강력한 중력을 자랑한다. 그 어마무시한 중력은 우주에서 절대적으로 가장 빠른 빛조차 빠져나갈 수 없을 정도로 강력하다. 심지어 블랙홀의 크기를 나타내는 검은색의 표면인 '사건의 지평선' 내부에서는, 우리가 일반적으로 알고 있는 대부분의 물리 법칙이 적용되지 않는다. 그러한 이유들로 블랙홀은 우주에서 가장 미스터리한 천체중 하나로 손꼽힌다.

2. 이론상 있는데, 실제로는 없다?

알베르트 아인슈타인(1879~1955)

로저펜로즈(1931~)

"블랙홀이 존재하는가?"
당연한 질문이다. 블랙홀의 관측사진은 이미 여럿 공개되었으며, 심지어 블랙홀에서 나오는 전파를 소리로 변환시켜 듣는 정도이다.
그러나 20세기 초 아인슈타인이 상대성이론을 발표했을때, 그는 블랙홀이 존재하지 않는다고 주장했다. 아인슈타인의 장방정식을 푼 오팬하이머에 의하면 수학적으로는 블랙홀이 존재해야 했지만 아인슈타인은 블랙홀은 수학적으로나 가능할 뿐 실제로는 존재할 수 없다고 생각했다. 그러나 스티븐 호킹의 스승이었던 로저 팬로즈는 위상수학을 이용해 블랙홀의 존재와, 특이점의 존재를 밝혀냈다. 그의 논문에 의하면 핵융합을 마치고 수명을 다한 별이 자체 중력에 붕괴할때 모든 물질이 원자보다 작은 어떤 점으로 빨려들어가게 되고, 블랙홀이 탄생한다. 수십년간 뜨거웠던 물리학계의 논쟁은 이렇게 해결된다.

3. 부피가 0? 밀도가 무한대?

블랙홀은 막대한 중력에 의해서 중력 렌즈 현상으로 시공간을 과하게 왜곡시킬 정도로, 막대한 질량을 가진 천체이다. 물론 질량이 무한대는 아니지만 그에 필적할 정도로 어마어마한 질량을 가지고 있으며, 그 모든 질량이 부피가 0인 특이점이라는 점에 뭉쳐 있어 그 밀도는 무한대가 된다. 대체 이런일이 어떻게 가능한걸까?
중력
중력은 우주의 네 가지 힘(강력, 약력, 전자기력, 중력)중에서 가장 약하지만, 가장 특별한 힘이다. 빅뱅 전에는 우주에는 힘도, 시간도, 공간도, 에너지도 존재하지 않았다. 그러나 빅뱅이 일어나고 우주가 탄생하며 그 모든것들이 탄생했는데, 대통일 이론 시기라고 불리는 빅뱅 후 10^-35초에는 중력을 제외한 모든 힘들은 하나의 힘으로 있었으며, 이때 중력만이 독립된 상태로 존재했다. 또한 중력은 암흑물질, 암흑에너지와 상호작용 할 수 있는 거의 유일한 힘이자, 상위 차원과도 상호작용 할 수 있을것이라 여겨지고 있다. 중력은 시공간을 휘게한다. 중력 렌즈 현상 또한 이 때문에 발생한다. 그런데 이런 시공간의 휘어짐을 통해 상위차원과 상호작용 할 수 있을지도 모른다.

2차원에서 시공간의 휘어짐

3차원에서 시공간의 휘어짐

만약 우리의 시공간을 2차원의 평면으로 보고 그 위에 무거운 공을 올려놓으면 공의 무게에 의해 평면이 움푹 들어가 휜다. 그런데 휘는 방향이 어느방향일까? 가로축? 세로축? 아니다. ' 아래 ' 방향으로 휘게 된다. 아래라는것은 높이의 개념이다. 만약 이 평면이 우주라고 가정하면 그 휘어짐을 통해 3차원 공간과 상호작용 할 수 있게 되는것이다. 이걸 그대로 우리의 우주에 대입시켜보자. 막대한 중력을 가진 천체는 우리의 우주를 ' 휘게 ' 한다. 그렇다면 그 휘는 방향은 이론상 4차원의 새로운 어떤 축의 방향일 것이다. 그렇게 휘게된 공간을 ' 벌크(초공간) ' 라고 한다. 이를 통해 우리는 중력으로 4차원과 상호작용 할 수 있다.
그럼 다시 돌아와서, 어째서 블랙홀 안에서 우리 우주의 물리법칙이 성립하지 않는것일까? 블랙홀의 막대한 중력은 시공간을 과하게 휘게 만든다. 블랙홀의 공간은 벌크 안으로 들어가게 되고, 4차원의 공간에 있는 것처럼 보인다. 과연 다른 차원의 물리법칙과 우리 우주의 물리법칙이 일치할까? 그럴수 없다. 다른 차원이란건 자고로 물리법칙이 다르게 작용해야 마땅하다. 이러한 이유로 블랙홀에 대해서 우리의 물리법칙이 통할 필요가 없는것이다.(상대성이론은 통할 수 있는데, 이것에 대해선 필자가 추후에 업로드 해보겠다.)
물론 이 모든 것들은 "이론상"일 뿐이지만, 과학자들은 블랙홀의 이런 이상한 점에 대해서 이렇게 이해하고있다.



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