블랙홀에 관한 스티븐 호킹의 아이디어

블랙홀에 관한 스티븐 호킹의 아이디어

세상을 떠난 스티븐 호킹 박사는 오랜 물리학 경력을 쌓았습니다. 이 우주론자는 블랙홀, 즉 거의 아무것도 탈출할 수 없는 무한히 밀도가 높은 물질의 끝없는 덩어리를 오랜 시간 다뤘습니다. 이 매혹적인 우주 진공청소기는 우주가 어떤 모습이어야 하는지에 대한 수많은 개념을 무시하는 것처럼 보였으며, 호킹의 연구는 이 기괴한 천체에 대한 우리의 이해를 개선하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 호킹은 "블랙홀이 실제로 검은색이 아니다"라는 주장부터 "블랙홀에서 나올 수 있는 털"에 이르기까지 블랙홀과 관련된 이상한 아이디어들을 다수 제시했습니다.

 

블랙홀에 털이 있다

호킹은 말년에도 계속해서 자신의 블랙홀 이론을 발전시켰습니다. 많은 과학자들은 '블랙홀은 대머리'라는 가설을 믿어왔습니다. 이 가설에 따르면 블랙홀 가장자리에는 복잡한 세부 사항이 없으며 질량, 각운동량 및 회전을 제외하고 모두 동일합니다. 그러나 지난 2016년 호킹과 하버드 대학의 물리학자 앤드류 스트로밍거는 "블랙홀이 사건의 지평선에서 나오는 긴 가닥의 제로 에너지 입자 형태로 호화로운 털을 자랑한다"라고 주장했습니다. 이 이론에 따르면 블랙홀에 의해 흡수되는 정보 중 일부는 실제로 이러한 털에 저장될 수도 있습니다.

 

어지러워진 블랙홀의 폭발

당초 과학자들은 "블랙홀에서 벗어날 수 있는 것은 전혀 없다"라고 생각했습니다. 이는 사건의 지평선을 통과하는 모든 것은 찢기고, 삼켜지고, 결코 이득을 볼 수 없으며, 반면 블랙홀은 점점 더 커진다는 뜻입니다. 그러나 호킹은 1970년대에 호킹 복사 개념을 개발했습니다. 이 개념을 통해 호킹은 "시간이 지남에 따라 블랙홀이 팽창하는 대신 결국 용해될 수 있음을 의미한다"라고 말했습니다.

 

이 아이디어는 두 가지 이상한 현상, 양자 변동과 자발적으로 존재하게 되는 아원자 입자의 기괴한 능력, 그리고 입자가 본질적으로 뚫을 수 없는 장벽을 뚫고 들어갈 수 있게 하는 양자 터널링에 의존합니다. 예를 들어 물질과 반물질 입자가 갑자기 아무것도 없는 무에서 튀어나와 서로를 소멸시키는 경우도 있는데, 이러한 일이 블랙홀의 경계에서 일어난다면 블랙홀 바깥 가장자리에서는 입자가 튀어나와 우주로 축소합니다.

 

결국 반물질 파트너는 그것을 전멸시킬 기회를 갖지 못하고 대신 블랙홀 중심으로 빨려 들어가게 되는데 이는 시간이 지남에 따라 블랙홀이 누출되고 결국 크기가 감소한다는 의미입니다. 탈출하기 위해서는 입자가 블랙홀 크기만큼 극도로 커야 하며 이는 가장 거대한 블랙홀에서 매우 낮은 에너지의 빛만 누출될 수 있음을 뜻합니다. 지금까지 호킹 복사를 직접 측정한 사람은 없지만 대부분의 물리학자들은 그것이 존재한다는 확신을 이어가고 있습니다.

 

특이점에서 시작된 우주

물리학에 대한 호킹의 초기 공헌 중 하나는 1966년 케임브리지 대학에서 쓴 박사 학위 논문입니다. 이 논문에서 호킹은 "우주가 무한히 작고 그 자체로 말려 있는 무한히 밀도가 높은 물질의 반점에서 시작되었다"라는 가정을 세웠습니다. 이후 해당 원시 얼룩은 특이점이며 블랙홀도 특이점이지만, 우주의 기원에 있는 원시 물질은 블랙홀이 아닌 것으로 밝혀졌습니다.

 

물질은 그것을 빠져나갈 수 있기 때문, 리버사이드에 있는 캘리포니아 대학의 수학자 존 바에즈는 "이를 개념화하는 또 다른 가능한 방법은 문제가 있다"라면서 블랙홀의 시간 역전 버전인 화이트홀을 거론했습니다. 바에즈는 "빅뱅이 화이트홀에서 시작된 것은 아니지만, 이를 알아내기 위해서는 우주가 끝날 때까지 기다려야 한다"라고 설명했습니다.

 

우주에 전력을 공급하는 미니 블랙홀

우주에서 가장 큰 블랙홀은 은하의 중심에 있으며 태양보다 질량이 수십억 배 더 큰 초거대 블랙홀로 여겨집니다. 태양 질량의 약 10배에 달하는 블랙홀도 우주 곳곳에 존재하는데 과학자들은 여기에서 지구의 산 크기인 더 작은 사촌을 제안했습니다. 호킹 복사는 입자들이 블랙홀 크기와 비슷한 파장을 가질 때만 입자들이 탈출할 수 있도록 허용하는데 이는 그것들이 너무 작기 때문입니다.

 

호킹의 주장에 따르면 이 미니 블랙홀은 더 높은 에너지 입자를 분출할 수 있으며, 이는 전력원으로 사용될 수 있습니다. 호킹은 앞선 2016년 진행된 강연에서 "산 크기의 블랙홀은 약 1천만 메가와트의 속도로 엑스선과 감마선을 방출할 것이며, 이는 전 세계의 전력 공급에 충분한 전력을 공급할 것"이라고 예측했습니다. 그러면서도 그는 "그러나 미니 블랙홀을 활용하는 것은 쉽지 않을 것"이라며, "바닥을 뚫고 떨어져 지구 중심에 도달하게 되기 때문에 블랙홀을 발전소에 보관할 수는 없다"라고 지적했습니다.

 

블랙홀에는 경계가 없다

2014년 호킹은 블랙홀의 기본 개념 중 하나인 사건의 지평선에 의문을 제기했습니다. 사건의 지평선은 그 너머로는 아무것도 탈출할 수 없는 개념을 품고 있습니다. 논문에서 호킹은 "사건의 지평선이 고정된 경계가 아니라 블랙홀 내부의 아원자 입자의 활동에 따라 크게 이동한다"라는 제안을 내놨습니다. 변동하는 블랙홀의 경계 개념은 방화벽 역설로 알려진 문제를 해결하기 위해 개발되었으며 이는 블랙홀 속으로 표류하는 우주비행사가 사건의 지평선을 넘어도 아무런 이상한 점도 눈치채지 못할 것이라는 사실에서 비롯됩니다.

 

과학자들은 "이 우주비행사는 자유낙하를 할 것이고 어떤 힘도 경험하지 않을 것이기 때문"이라고 설명했습니다. 그러나 호킹 방사선은 "사건의 지평선 바로 안쪽에 지옥의 고리가 있어야 하며, 우주비행사가 블랙홀에 의해 뭉개지기 전에 그를 태워버릴 것"이라고 해석했습니다. 고정된 사건 지평선이 없다는 것은 이 두 개념을 조화시키려는 시도였지만, 당시 물리학자들은 "호킹의 설명은 그렇지 않다"라고 반박했습니다.