블랙홀 특이점 정리 - beullaeghol teug-ijeom jeongli

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특이점 정리(singularity theorem)

특이점 정리

(singularity theorem)

 시공의 곡률이 무한대로 되는 점을 특이점이라고 한다.

스티븐 호킹, 펜 로즈는 일반상대성이론을 출발점으로 하여, 어떤 조건 하에는 반드시 특이점이 존재한다는 특이점 정리를 증명하였다.

그것에 의하면, 팽창하는 우주의 출발점이나, 항성의 원심력과 축퇴압력 대칭이 붕괴되어 발생하는 중력 붕괴의 종착점에는 항상 특이점이 존재하게 된다.

하지만 펜 로즈는 이 이론을 발표 할 당시는 특이점이란 용어를 사용하지 않았다.

특이점 정리와 블랙홀의 증발(소멸)

1968년에 스티븐 호킹을 비롯한 몇몇 과학자들은 우주에는 시간과 공간의 시작점인 특이점(singular point)이 존재한다는 특이점 정리(singularity theorem)를 발표했다. (특이점이란 것은 모든 물리법칙이 성립되지 않으며 인간의 이성으로 설명할 수 없는 영역을 의미한다.)

1.블랙홀이란?

1969년에 미국의 물리학자 휠러(J.Wheeler;1911~)는 아인슈타인의 이론에서 예언하는 새로운 천체를 `블랙홀(Black Hole)'이라고 불렀다. 그 천체는 표면이 없고, 어떤 영역의 내부로 떨어져 들어가면 강한 중력으로 아무것도 그 곳을 빠져 나갈 수가 없다. 그 영역은 빛조차도 탈출할 수 없기 때문에 암흑의 세계이다. 이것이 블랙홀이라는 이름이 생기게 된 유래이다. 그 명명이 절묘하여 블랙홀은 신비로운 천체로서 많은 사람들의 관심을 끌고 있다.블랙홀이란 과연 어떤 것이고, 정말로 존재하는 것일까.최첨단의 연구에 의해 밝혀져 가는 블랙홀의 정체에 대해 자세히 알아보자.아인슈타인(A.Einstein;1879~1955)이 `일반 상대성 이론'을 제창한 다음 해인 1917년에 독일의 수 학자 슈바르츠실트(K.Schwarzschild;1873~1916)는, 오늘날 블랙홀로서 알려져 있는 이 불가사의한 천체가 아인슈타인의 이론에 의해 예언된다는 것을 지적하였다.빛이 탈출할 수 없는 별 이야기는 18세기에 이미 프랑스의 수학자 라플라스(P.Laplace;1749~1827)와 영국의 물리학자 미첼(J.Mitchell) 에 의해 논의되고 있었다. 그들의 논의는 뉴턴(I.Newton;1642~1727) 의 `중력의 법칙'에 바탕을 둔 것이다. 그러나 블랙홀처럼 강한 중력을 가진 천체를 엄밀하게 따지려면, 아인슈타인의 상대성이론의 등장을 기다려야 했다.블랙홀은 밀도도 중력의 세기도 무한대인 `특이점(特異點, Singular point)'과, 그 주위의 `사상의 지 평면(事象-地平面, Event horizon)'으로 형성된다. 당시에는 사상의 지평면이 무엇을 의미하는 가를 알수없어서, 제 1선의 연구자 모두가 그 연구에 몰두하였다. 연구 결과 지금은 사상의 지평면 이, 거기서부터 안쪽으로 들어가면 모든 것이 탈출할 수 없게 되는 영역과의 경계면임을 알고 있다.아인슈타인의 이론에서는 빛보다 빨리 진행하는 물질은 없다. 가령 블랙홀의 중력이 엄청나게 강하 여 빛도 거기서 탈출할 수 없다면,다른 물질 역시 거기서 탈출할 수 없다. 블랙홀의 내부로 들어간 물질은 영구히 거기에 갇히게 된다. 그렇다면 모든 물질이 그 곳으로 들어가 버리는 특이점이란 과연 어떠한 곳인가? 그 곳은 어떤한 방정식도 의미가 없고, 어떠한 물리의 법칙도 전혀 통용되지 않는 세계이다.

특이점으로 들어가 버리면 어떻게 되는가? 그것은 현재 전혀 알지못하고 있다. 오늘날 블랙홀이 실 제로 존재하는 것은 틀림없는 사실인것 같다. 그러나 여기에 이르기까지는 몇가지의 중요한 연구와 발견이 있었다. 중성자 별과 펄서(Pilsar:맥동 전파원), 블랙홀의 후보인 X선 별의 발견, 영국의 물 리학자 펜로즈(R.Penrose)와 호킹(S.Hawking;1942~)에 의한 `특이점 정리'의 증명, 은하중심의 거대 한 블랙홀이나 우주에 있어서의 미니블랙홀 의 형성 가능성의 지적등이 그것이다.

2.블랙 홀의 증발(소멸)

블랙 홀 주위의 가스나 빛은 결국 블랙 홀로 흡수되어 버린다. 영국의 물리학자 호킹은, 양자론적인 진공 상태를 블랙 홀에 적용시켜 놀라운 결론을 얻었다. 양자론적으로 보면 진공상태란, 입자와 반입자의 쌍이 생겼다가 소멸하고, 다시 생기는 상태를 말한다. 입자와 반입자 쌍의, 한쪽은 양(+)의 에너지를, 다른 한쪽은 음(-)의 에너지를 갖고 있다. 블랙 홀은 그 중 음의 에너지를 가진 것을 빨아 들이고, 이 에너지에 상당하는 질량을 상실한다. 한편, 양의 에너지를 가진 것은 밖으로 뛰쳐 나간다. 그래서 블랙 홀은 마치 질량을 상실하면서 입자를 방출하고 있는 것처럼 보인다.
블랙 홀의 증발은 그 질량이 작을수록 심해진다. 그러나 태양 정도의 질량을 가진 블랙 홀에서도 모든 질량을 방출하는데 1066년이 걸린다. 현재의 우주 나이가 1010년 정도임을 생각한다면, 일방적으로 빨아들인다고 하는 블랙 홀의 고전적인 견해도 잘못은 아니다. 한편, 우주 초기에 생성된 미니 블랙 홀이라면 그 심한 증발 모습을 관측할 수도 있다고 본다.

화이트 홀과 웜 홀의 존재와 시간 여행

1) 화이트 홀과 웜홀
블랙 홀과 같이 모든 것을 흡수하는 세계가 있으면, 반드시 그 반대 세계가 존재한다는 것을 일반 상대성 이론은 유도하고 있다. 다시 말해 물질이 그 내부로는 절대로 들어갈 수 없는 모든 물체를 방출하는 세계가 있다는 것이다. 이것을 화이트 홀(White hale)이라고 한다. 그러나 화이트 홀이 어떻게 형성되는가 하는 메커니즘에 대해서는 전혀 아는 바가 없다.
블랙 홀의 명명자 휠러는, 블랙 홀과 화이트 홀의 사상의 지평선 내부를 잘라내고, 그 나머지를 연결하면 어떻게 되는가를 생각했다. 이렇게 하면, 블랙 홀에 흡입된 물질은 화이트 홀에서 방출된다. 이 때 블랙 홀의 흡입구가 있는 세계와 화이트 홀의 방출구가 있는 세계는 전혀 다른 세계이다. 이 두세계를 연결하는 통로를 웜홀(Warm hole, 슈바르츠실트의 목, 아인슈타인-로젠의 다리)이라고 명명하였다. 웜홀은 말 그대로 시공의 벌레 먹은 구멍이라는 뜻이다.
최근에는, 우주의 탄생을 기술하는 대통일 이론과 일반 상대성 이론을 연결함으로서 어미 우주에서 딸 우주로, 딸 우주에서 손자 우주가 탄생된다는 다중 우주 발생의 개념이 클로즈 업되고 있다. 그리고, 다중 우주가 발생한다면 이들 우주를 연결하는 빠져 나갈 통로로서 웜 홀이 자연적으로 형성된다는 것이 증명되었다.

2) 웜홀을 이용한 시간 여행
1988년 미국에서 캘리포니아 공과대학의 손 박사 팀이 웜홀을 사용하면, 과거로의 시간여행이 가능할지도 모른다는 충격적인 논문을 물리 학회지에 발표하였다. 웜 홀을 인공적으로 만들어 그것을 초 고속으로 운동시키면 된다는 것이다.
그들의 이론은 여러 가정을 전제로 세워진 것이기 때문에 그들 자신도 이 이론에는 여러 가지 문제점이 있다는 것을 지적하고 있다. 예컨데 웜 홀은 중력적으로 불안정하여 차츰 수축함으로써 특이점이 생기게 된다. 그들 연구 팀은 미지의 물질을 사용하여 웜 홀의 붕괴를 막을 수 있다는 가정에서 이론을 성립시키고 있다. 그러나 실제로 태어나는 웜 홀은 소립자보다도 작으므로 이것을 특수한 방법으로 로켓이 지나갈 만큼의 크기로까지 확장시켜야 한다는 등의 문제점이 있다. 시간 여행은 아직까지도 현대 물리학에서는 꿈의 이야기이다.

  스티븐 호킹

 Stephen William Hawking(1942.1.8 ~  )

옥스퍼드에서 태어났다. 1962년 옥스퍼드대학을 졸업하고 케임브리지대학 대학원에서 물리학을 전공했다. 대학원에서 박사학위 준비를 하고 있던 1963년, 몸속의 운동신경이 차례로 파괴되어 전신이 뒤틀리는 루게릭병(근위축증)에 걸렸다는 진단과 함께 1∼2년밖에 살지 못한다는 시한부인생을 선고받았다.

그러나 그의 학문 인생은 이때부터 시작, 우주물리학에 몰두하여 1973년 ‘블랙홀은 검은 것이 아니라 빛보다 빠른 속도의 입자를 방출하며 뜨거운 물체처럼 빛을 발한다’는 학설을 내놓아, 블랙홀은 강한 중력을 지녀 주위의 모든 물체를 삼켜버린다는 종래의 학설을 뒤집었다.

1974년 영국왕립학회 회원이 되고, 1979년 뉴턴·디랙에 이어 케임브리지대학 루카시언 석좌교수(碩座敎授)가 되었다. 1985년 폐렴으로 기관지 절개수술을 받아 가슴에 꽂은 파이프를 통해서 호흡을 하고 휠체어에 부착된 고성능 음성합성기를 통해서 대화를 하여야만 했다.

그는 이와 같은 삶의 연장과정에서 ‘특이점(特異點) 정리’ ‘블랙홀 증발’ ‘양자우주론(量子宇宙論)’ 등 현대물리학에 3개의 혁명적 이론을 제시하였고, 세계물리학계는 물리학의 계보를 갈릴레이, 뉴턴, 아인슈타인 다음으로 그를 꼽게 되었다.

그는 계속 미시(微視)의 세계를 지배하는 양자역학(量子力學)과 거시(巨視)의 세계인 상대성이론을 하나로 통일하는 통합이론인 ‘양자중력론’ 연구에 몰두하였다. 1990년 9월 휠체어에 탄 채 한국을 방문하여 서울대학 등에서 ‘블랙홀과 아기우주’라는 주제로 강연을 가졌다.