화이트홀의 정의

우주 물리학에서 화이트홀 이란 블랙홀을 시간적으로 뒤집은 것이다. 화이트홀은 아인슈타인 방정식으로 Schwarzschild 웜홀을 설명하는 과정에서 나왔으며, 블랙홀과 달리 사건의 지평선으로부터 물질을 방출한다. 화이트홀은 수학적으로 존재하지만, 실제로 천체로서 존재할지는 불명하다. 최근에 스티븐 호킹 박사가 블랙홀에서 물질이 방출 될 수 있다는 이론을 발표 하면서, 화이트홀과 블랙홀은 같은 것 이라는 논쟁이 있다.

웜홀의 정의

웜홀은 화이트홀과 블랙홀을 연결하는 통로이다. 웜홀은 블랙홀이 회전할 때 만들어 지며, 그 속도가 빠를수록 만들기 쉬워진다. (물론 이론적으로 예상해 봤을때 말이다.) 블랙홀로 들어가는 물질은 파괴되기 때문에 웜홀을 통한 여행은 수학적으로만 가능하다. 웜홀의 존재를 가정하기 시작하면 이 문제는 3차원 영역을 넘어서 4차원적인 영역으로 넘어가게 된다. 웜홀의 개념은 아래 그림을 보면 좀 더 이해하기 쉬워진다.

블랙홀을 통과 하는 것은 가능할까?

블랙홀을 통과하는 물질은 그 압력으로 파괴된다. 이때 가해지는 압력을 상상해 보면 이렇게 될 것 같다.

블랙홀의 크기는 사건의 지평선의 크기로 측정 되는데, 사건의 지평선은 주위를 지나가는 빛이 블랙홀로 끌려가는 경계선을 나타낸다. 지구의 중력 가속도는 9.8m/sec 이다. 이것을 1G의 압력이라고 하고, 블랙홀의 크기(사건의 지평선의 지름)가 40만 킬로미터라고 가정하고, 물체가 블랙홀의 중심까지 끌려가는 시간을 1초라고 가정 했을때 블랙홀 근처에서의 압력은 2천만G가 넘게 된다. 인간이 만든 물건 중에 이런 압력을 견딜 수 있는 것은 아직 없는 듯 하다. 아마  블랙홀의  중력가속도는 이보다 클 가능성도 높을 것이다.

그렇다면 광속에 가까운 속도로 블랙홀에 접근하면 어떻게 될까? 상대성 이론에 의하면 물체가 광속에 가까워 지면 다른물체에 대한 상대적인 질량이 늘어나게 된다. 광속에 아주 가까운 속도가 될 수록 상대적인 질량은 무한대로 늘어나게 된다. 광속에 가까운 속도로 갈수록, 블랙홀과 비슷하게 되는 것이다. 그래서 물체는 광속보다 빠른 속도를 가질 수 없다. 그렇다면 광속에 가까운 물체가 블랙홀에 접근 한다면, 이런저런 이유로 속도는 더 이상 늘어날 수 없을 것이다. 그렇다면 가속력도 없지 않을까? 그럼 블랙홀의 엄청난 압력을 받지 않게 되는 걸까? 그럼 블랙홀을 통과해서 웜홀로 들어가는 것은 가능할까?

결론이 좀 허무하기는 하지만, 현재로서는 웜홀이 존재하는지, 또는 웜홀이 다른 장소로 연결되어 있는지 아무도 모른다. 그리고 블랙홀을 통과하는 방법이 있는지도 아무도 모른다. 하나 확실한 것은 수많은 별들이 직접 몸이 부서져가며 보여 주듯이, 블랙홀 근처에 그냥 다가서면 물체는 파괴되어 버린다. 광속에 가까운 속도로 접근하면 가능성이 있을까? 하는 상상을 하는 것이 고작이다. (그런점에서 블랙홀을 무슨 깔대기처럼 생긴 동굴이나 되는듯이 기어들어가는 만화나 영화들은 웃겨 보인다. ^^)

상대성 원리에 의하면 블랙홀을 그냥 통과하는 것은 불가능(물체는 빛의 속도보다 빠른 속도를 가질 수 없다, 블랙홀은 빛의 속도로도 탈출 하지 못하는 곳이다)하다. 블랙홀을 통과 한다면, 그 곳은 아마 다른 곳일 거라고 상상 하는 것은 그리 허황된 것 만은 아닌 것 같다.

우주전쟁 시리즈에 이어서 이번에는 광속여행에 대해서 궁금해 졌습니다. 글이 조금 길기 때문에 한번에 쓰지는 못하고 역시 시리즈로 쓸 생각 입니다. 이번 글에서 찾아보는 내용은 초광속 비행 중에 웜홀(블랙홀,화이트홀,웜홀)을 이용한 여행에 관한 것과, 광속보다 빠른 입자에 관한 내용입니다. :)

블랙홀의 정의

어지간한 초등학생 이상이라면 알고 있을 만한 '블랙홀'이라는 말은 천체의 한 종류를 가르키는 말이다. '블랙홀'도 별의 일종이라는 말이다. 일반적인 항성은 빛을 내보내지만, 블랙홀은 오히려 빛을 빨아들인다. 그래서 검은 구멍처럼 보이기 때문에 블랙홀 이라고 부른다.

블랙홀이 빛(뿐만 아니고 주위의 모든 물질)을 빨아들이는 이유는, 중력이 매우 높기 때문이다. 천체의 표면에서 물체를 던졌을때 그 물체가 천체의 중력을 이기고 우주로 나갈 수 있는 속도를 '탈출속도'라고 한다. 중력이 매우 높아서 탈출속도가 빛의속도(초속 30만 킬로미터)를 넘어서면 빛 조차도 빠져나올 수가 없게 되는데, 이게 블랙홀 이다. 사실 '탈출속도'는 질량과 크기에 상관이 있는데, 태양이 현재 질량을 유지한체 반지름 3킬로미터의 크기로 줄어들게 되면 블랙홀이 된다.

태양보다 30배 이상 질량이 큰 별은 '별의 진화'과정의 마지막에 블랙홀이 되어 생을 마감할 수 밖에 없다고 한다. 우주에는 이렇게 초신성이 폭팔 하면서 만들어진 블랙홀이 무수히 많다. 반면에 태양보다 수백만배 더 큰 질량의 블랙홀의 경우는 아직  정확한 실체를 모르고 있다.

출처: en.wikipedia.org created by NASA.

블랙홀의 성질

블랙홀의 주위를 지나는 빛이 빨려들어가는 경계를 '사건의 지평선'(이 현상은 상대성이론으로 설명이 된다)이라고 부르는데, 블랙홀의 크기는 '사건의 지평선'의 크기로 판단한다. (그 안에 실제 천체가 몇백 킬로미터 인지 콩알보다 더 작은지는 모른다)

영국의 물리학자 스티븐 호킹 박사는 최근 블랙홀이 주위의 모든 물질을 빨아들이면서 물리량이 영원히 사라져 버린다는 기존의 주장을 뒤집는 발표를 하였다. - 2004년 "제17차 일반상대론 및 중력에 대한 국제학회"

호킹 박사는 21일(현지시간) 아일랜드 더블린에서 열린 ‘제17차 일반상대론 및 중력에 대한 국제학회’에 참가해 블랙홀이 빨아들인 모든 것을 파괴시킨다는 지금까지 자신의 믿음은 틀렸다고 밝혔다.

이번 학회에서 그는 블랙홀로 빨려들어간 물질의 정보(물리량)가 ‘뭉개진 형태로’ 다시 나올 수 있다는 사실을 암시하는 새로운 계산 결과를 제시했다.

호킹 박사는 “당신이 블랙홀로 뛰어든다면 당신의 질량 에너지는 우리 우주로 되돌아올 것”이라며 “물론 당신에 대한 정보를 담고 있는 뭉개진 형태로 돌아올 것”이라고 설명했다.

그동안 호킹 박사는 블랙홀로 빨려들어간 물질의 정보, 예를 들어 물질을 구성하는 양성자나 중성자의 수와 같은 물리량이 영원히 사라져 버릴 것이라고 주장해 왔다.

그는 1975년 뭐든지 빨아들이기만 한다고 알려진 블랙홀이 오랜 시간이 지나면 빛을 내놓고 결국 증발해 버린다는 연구 결과를 발표했다. 이 빛은 ‘호킹 복사(Hawking radiation)’라 불린다. 그러나 이때도 블랙홀에서 빨아들였던 물질의 정보는 나오지 않고 단순한 빛만 사방으로 퍼져 나온다고 주장했다.

하지만 미시세계를 지배하는 양자역학에 따르면 정보가 완전히 소멸하는 현상은 불가능하다는 의견이 제기돼 왔다. 이런 입장에 섰던 대표적 과학자가 미국 캘리포니아공대의 존 프레스킬 교수. 이는 ‘블랙홀 정보 패러독스(역설)’라고 불린다.

이번 발표는 호킹 박사가 자신의 견해를 뒤집으면서 이 패러독스를 어느 정도 해결한 것이라는 평가를 받고 있다. 블랙홀도 양자역학의 지배를 받는다는 점을 인정한 셈이다.

원문 : (동아일보)호킹박사 “내 블랙홀 이론 틀렸다”…패배 인정에서 일부 인용

그리고 좀 더...

블랙홀에 빨려들어간 물질은 '뭉개진 형태로' 다시 우리우주로 되돌아 올 수 있다고 한다. 그럼 완전히 사라지지는 않는다는 말이다. 그럼 블랙홀을 통과한 '뭉개진 정보' 형태를 조합하여  다시 복원 하는 것도 가능할까? 이런 형식의 물질을 조합하는 장치가 만들어 진다면, 차라리 물질의 정보를 빛에 싫어 보내면 안정적인 광속여행이 가능하지 않을까? 이 방법이 훨씬 더 매력적으로 느껴진다. 물론 처음에 물질 전송장치를 그 장소까지 이동시키는 것은 우주선으로 옮겨야 할 것 같다. :)