블랙홀은 그다지 검지 않다(제7단락)ㅡ스티븐 호킹

블랙홀과 사건의 지평선

 

블랙홀의 경계를 형성하는 광선들이 결코  서로 가까워질 수 없다면,

사건 지평선의 넓이는 시간의 흐름에 따라서 동일하거나 늘어나지만 결코 줄어들 수는 없다.

그 넓이가 줄어든다는 것은 그 경계 속의 광선의 최소한 일부가 서로에 대해서 접근해야 함을 뜻하기 때문입니다.

실제로 물질과 복사(輻射)( 열이나 파동이 물체에서 매개질 없이 사방으로 방출되는 현상 )가 블랙홀 속으로

떨어져 들어갈 때마다 그 넓이는 늘어날 것이다.

 

또는 만약 두 개의 블랙홀이 충돌해서 하나로 합쳐져 단일한 블랙홀이 된다면, 최종적으로 생성된 블랙홀의

사건 지평선의 넓이는 원래 블랙홀들의 사건 지평선의 넓이의 합과 같거나 더 클 것이다.

열역학 제2법칙에 따르면 고립된 체계의 엔트로피(열은 높은곳에서 낮은곳으로 흘러간다)는 항상 증가하며,

두 체계가 하나로 결합했을 때에 결합된 체계의 엔트로피는

개별 체계들의 엔트로피의 합보다 크다고 합니다.

 

예를 들면, 상자 안에 기체분자들이 들어 있을때 그 분자들은 끊임없이 서로 충돌하고

상자의 벽에 부딪치는 작은 당구공들로 생각될 수 있습니다.

기체의 온도가 높아질수록 분자들은 더 빠르게 운동할 것이며, 더 빈번하고 강하게 상자의 벽에

충돌할 수록 그 분자들이 벽에 행사하는 압력은 더 커질 것이다. (무질서도가 높다 따라서 엔트로피가 증가했다고 말한다)

 

그런데 만약 주위에 블랙홀이 있다면, 기체가 들어있는 상자와 같이 엔트로피가 높은 어떤 물체들을

블랙홀 속으로 던질수만 있다면 상자의 밀도를 낮추고 벽에 행사하는 압력을 낮아질수 있게 할 수 있다는 말입니다.

그러나 특정한 온도를 가지는 물체는 일정한 비율로 복사(輻射)를 방출해야 합니다. 

 

낮은 온도 물체도 복사를 방출하는데 일반적으로 그 양이 아주 작기 때문에

우리가 알아차리지 못하는 것뿐이라고 합니다. 열역학 제 2법칙의 위배를 막으려면 이러한 복사가 필요하다는 것입니다.

그러나 블랙홀의 정의 자체에 의하면, 블랙홀은 아무것도 방출하지 않는 천체로 생각되고 있습니다.

 

1973년 9월 모스크바를 방문하고 있었을때 <야코프 젤도비치>와 <알렉산드르 스타로빈스키>와 함께

블랙홀에 대해서 토론할 기회가 있었을 당시 그들은, 양자역학의 <불확정성 원리>에 따르면

'자전하는 블랙홀'이 입자를 생성하고 방출해야 한다는 사실이 물리학적인 근거로 옳다는 사실을 주장합니다.

수학적 계산법은 별로지만 그들의 주장이 옳다는것을  받아들입니다.

 

블랙홀에서 방출된 입자의 스펙트럼이 뜨거운 물체에서 방출된 입자의 스펙트럼과 똑같다는 사실에 확신이

들어서 많은 계산을 여러가지 형식으로 무수히 되풀이합니다.

 

질량이 커질수록 온도는 낮아지는 식으로 오직 자신의 질량에 따라서만 온도가 달라지는 블랙홀이

뜨거운 물체와 똑같이 입자와 복사를 방출해야 한다는 사실을 확인합니다.

 

지구에서 약 6억 6500만 광년 떨어진 은하(2MASS J10065085+0141342)의 블랙홀에서 조석교란 현상이 발생했다. 조석교란이란 별이 블랙홀 '사건의 지평선'에 가까이 갔을 때 중력이 미치는 정도가 달라 별이 부서지는 현상이다.

 

사건 지평선에서는 아무것도 빠져나올 수 없다고 알려져 있는데도 불구하고,

블랙홀이 입자를 방출하는 것처럼 보이는것이 어떻게 가능할까요?

 

양자역학이 우리에게 주는 답은 입자들이 블랙홀 속에서 나오는 것이 아니라

블랙홀의 사각 지평선 바로 바깥쪽에 있는 "빈"공간에서 나온다는 것입니다!

 

우리가 비어 있다고 생각하는 곳도 완전히 비어 있지 않다는 것을 의미합니다.

완전히 비어있다는 말은 중력장이나 전자기장과 같은 모든 장들이 정확히 0 이어야 한다는 뜻이기 때문입니다.

그러나 어떤 장의 값 그리고 시간에 따른 변화율은 입자의 위치 및 속도와 흡사합니다.

 

불확정성의 원리는 우리가 이러한 양들 중 어느 하나를 더 정확하게 알수록 다른 양은 덜 정확해 진다는 것을 암시합니다.

따라서 빈 공간에서, 그 장은 정확히 0 으로 고정될 수 없다, 그렇다면 정확한 값(0)과 정확한 변화율(0)을 동시에 가지게

될 것이기 때문입니다.

 

장의 값에는 불확정성의 특정한 최소 양 또는 양자요동이 있어야 한다.

이러한 요동은 어느 때에 하나로 나타났다가 서로 멀어지고 그런 다음 다시 하나로 합쳐져서 쌍소멸하는

광자나 중력자의 쌍으로 생각할 수 있습니다.

 

그러나 원자 내의 전자 궤도의 에너지에 나타나는 작은 변화처럼 이들의 간접적인 효과는 측정이 가능하며,

이론적인 예측과 놀랄 만큼 정확하게 일치한다.즉 입자쌍 중 하나는 입자이고 다른 하나는 반입자일 것이다.

 

하나는 양의 에너지를 가지고 다른 하나는 음의 에너지를 가질 것이라는 겁니다.

음의 에너지를 가지는 쪽은 짧은 수명의 가상입자가 될 수 밖에 없다.

실제 입자는 정상적인 상황에서 항상 양의 에너지를 가지기 때문입니다, 

 

게다가 블랙홀의 질량이 작아질수록 그 온도는 높아집니다.

따라서 블랙홀이 질량을 잃을수록 그 온도와 방출속도는 높아집니다.

그렇기 때문에 질량은 더욱 빠른 속도로 상실됩니다.

 

블랙홀이 극도로 작아졌을 때에 어떤 일이 일어날지는 그리 확실치 않습니다.

그러나 가장 그럴듯한 추측은 수백만 개의 수소폭탄의 폭발과 맞먹는 엄청난 복사를 최후로 방출하면서

블랙홀이 완전히 사라지리라는 것입니다.

 

블랙홀이 복사를 방출한다는 개념은 본질적으로 20세기의 가장 위대한 두 이론인

일반 상대성 이론과 양자역학에 기초한 최초의 예견이었다.

어떻게 블랙홀이 무엇인가를 방출할 수 있단 말인가?

스티븐 호킹이 처음 발표했을때 한결같이 믿으려고 하지 않았다고 합니다.

 

그러나 결국 대부분의 사람들은 만약 일반 상대성 이론과 양자역학에 대한 다른 아이디어들이 옳다면,

블랙홀이 뜨거운 물체와 마찬가지로 복사를 방출해야 한다는 결론에 도달하게 됩니다.

아직까지 원시 블랙홀을 발견하지는 못했지만 만약 그것을 발견한다면, 그 블랙홀은 분명히 많은 감마선과

엑스 선을 방출할 것이라는 일반적인 합의가 이루어져 있습니다.

 

 

블랙홀 속으로 떨어지는 우주비행사는 중심에서 잡아 끌어당기는 힘에 의해 길게 늘어지는 스파게티화가 되고 맙니다.

 

만약 우주비행사가 블랙홀에 떨어지면 자유낙하해서 중심까지 잡아당기는 힘에 의해서 길다란

스타게티화가 일어나고 그다음은 갈갈이 찢어지는 순간이 코앞에 닥치게 됩니다.

 

'사건의 지평선'까지 초속 300,000km로 낙하
일단 인간은 빛보다 빨리 움직일 수 없기 때문에 블랙홀 바깥 경계인 '사건의 지평선(Event Horizon)'

안으로들어가면 다시 빠져나올 수 없습니다.

블랙홀은 이렇게 우리몸을 원자 상태로 분해해 특이점을 향해 끌어당깁니다.

당신은 블랙홀에서 영원히 빠져나오지 못하고 원자 상태로 떠돌게 됩니다. 

 

블랙홀은 몸을 잡아당길 뿐 아니라 수축시키기도 하는데요.

이 힘이 우리 몸을 구성하고 있는 물질들의

화학적 결합력을 넘어서면 조각난 몸의 분자들이 떨어져 나가게 됩니다.

 

블랙홀이 모든 걸 빨아들이면 어느 순간 에너지가 포화돼 일정 에너지를 토해내지 않을까요?

스티븐 호킹 박사는 빛조차 빠져나오지 못하는 블랙홀이라 해도

내부에서 '호킹 방사선'이 새어 나온다고 말했습니다.

 

호킹 방사선은 블랙홀이 완전히 증발할 때까지 계속 방출된다고 하는데요. 

따라서 수십억년 이후 어느 시점에서는 당신의 몸 일부가 

광자의 형태로 발산돼 사건의 지평선 밖으로 모습을 드러내게 될 수도 있다고 하네요. 

 

블랙홀은 빛을 흡수하기만 하지 내뿜지는 않는다고 알고 있었지만, 이 때문에 ‘검기만 하다’는 뜻으로

‘블랙홀’, 즉 ‘검은 구멍’이라는 이름이 붙어있습니다. 하지만 양자역학적 효과를 고려하면

“블랙홀은 그다지 검지 않다”는 얘기가 성립합니다.