블랙홀이란?

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블랙홀과 미니 블랙홀

 별들의 무덤으로 불리는 블랙홀들이 반지 형태로 이루고 있는 장관이 포착됐다.

블랙홀(black hole)은 일반 상대성 이론으로부터 나오는 별의 중력 붕괴 때문에 일어나며, 별이 고밀도로 수축되면 그 질량에 비례하는 슈바르츠실트(Schwartzschild) 반경을 갖는다. 슈바르츠실트 반경은 블랙홀을 규정짓는 것으로서 사건의 지평선(event horizon)이라 불리며, 별이 중력 수축으로 계속하여 마지막으로 한 점으로 정착하게 되면 이 점은 밀도와 중력의 세기가 무한대인 특이점이 된다. 구면의 경우 수축하는 모든 것들이 중심의 한 점을 향하기 때문에 중력의 역 제곱 법칙으로 인하여 수학적인 특이점이 발생하는 것이다.

 그 후 펜로즈와 호킹은 일반 상대성 이론의 또 다른 해석으로서 사건의 지평선 안쪽에선 강한 중력 때문에 시공간이 구부러져 시공간의 특이점도 발생된다는 것을 밝혔다.

뉴턴역학에서는 시공간이 물질과 독립된 실체였지만 일반 상대성 이론에서는 물질과 시공간이 상호작용을 하기 때문에 시공간의 특이점도 필연적인 것이라 볼 수 있다. 그리고 호킹은 블랙홀은 무엇이든 빨아들이기만 한다는 사실로부터 사건의 지평선의 넓이는 줄어들지 않고 항상 늘어난다는 것을 보였고 여기에 영감을 얻은 베켄슈타인은 호킹의 사건의 지평선의 넓이(부피가 아닌 표면적)가 블랙홀이 가진 엔트로피의 척도가 된다는 제안을 했다.

이는 엔트로피를 가진 물체가 블랙홀로 떨어지면 사건의 지평선의 넓이는 항상 늘어나므로 이것은 마치 블랙홀이 열역학의 제2법칙인 엔트로피 증가법칙과 매우 유사한 법칙을 따른다는 것이다. 기존 이론에서 블랙홀을 특정 짓는 것은 질량, 전하, 각운동량뿐이었지만 베켄슈타인은 여기에다 엔트로피를 첨가하였다.

 블랙홀의 열역학적인 성질에 관한 최초의 탐구는 베켄슈타인에 의해 이루어졌지만, 이 제안은 호킹에 의해 반론을 받게 된다. 호킹은 만일 블랙홀이 엔트로피를 가진다면 이는 또 온도를 가져야 할 것인데, 온도를 가진 물체는 모두 열적인 복사를 방출하고 있으므로 블랙홀도 당연히 빛을 방출하고 있어야만 된다고 보았다. 그러나 정의에 의하면 블랙홀은 빛을 방출하지 않는 것으로 생각되고 있다.

그러므로 엔트로피 증가법칙과 사건의 지평선의 면적 사이에는 많은 유사점이 있으나 겉보기에 이런 난점이 있음을 호킹은 지적하였다. 그런데 반론을 제기했던 호킹은 묘하게도 베켄슈타인의 아이디어에 영감을 얻어 열복사는 사건의 지평선 내부에서가 아니라 사건의 지평선 바로 바깥인 양자 진공에서 입자-반입자의 쌍생 성이 일어나고 이중 반입자는 블랙홀 안으로 빨려 들어가고  입자는 블랙홀로부터 멀어지는 과정이 양자역학을 통해서 가능함을 보였다.

이는 양자역학적으로 블랙홀이 입자를 방출시키며 블랙홀의 질량이 작을수록 그 온도는 더욱 높아 파장이 매우 짧은 감마선과 같은 빛을 실제로 방출시킨다는 것이다.그래서 큰 질량을 가진 블랙홀은 온도가 낮고 또 그것을 찾기란 용이하지 않기 때문에 우주 초기의 미니 블랙홀로 알려진 고에너지의 감마선을 찾기 위한 탐사가 닐 포터(Neil porter)와  트레버 윅스(Trevor weekes)에 의해 실시되었지만 아직까지 찾지 못하고 있다.

위, 유투브(youtube)에 올라온 인공 블랙홀이 지구를 삼켜버리는 추측 장면 (동영상)

대형 강입자 충돌기(LHC)의 모습. 이곳에서 미니 블랙홀을 인공적으로 만들어 내려고 하고 있다.

그런데 최근에는 스위스와 프랑스의 국경지역에서 가동되고 있는 대형 강입자 충돌기(LHC)를 통해 미니 블랙홀이 만들어질 수 있다는 가능성을 제시하고 있다. 이 아이디어는 아카미-하메드, 디모폴러스, 드발리(Arkhame-hamed, Dimopoulos, Dvali: ADD)의 이론과, 뒤이어 나온 란달(Randall)과 썬 드럼(Sundrum)에 의한 여분 차원(extra dimension)에 기초를 두고 있는데 이 모형의 핵심은 다음과 같다. 

ADD 모형과 란달-썬드럼 이론에 의하면 우리의 세계는 시간이 포함된 4차원이 아니라 5차원 공간과 같은 여분 차원이 더 있고 이 여분 차원은 아주 작은 원으로 말려져 있어 우리에게 보이지 않는다는 주장이다. 이를테면 미니 블랙홀을 만들기 위해선 강력한 중력이 필요한데 원자핵을 이루는 양성자와 같은 입자의 중력은 전자기력보다 약 1040배 정도 작다. 왜 그럴까? 이 힘의 차이를 물리학의 통일장 이론으로 설명하려면 이상하게 된다.

통일장 이론에 따르면 우주초기에는 자연에 존재하는 네 가지의 힘인 전자기력, 약력, 핵력, 중력이 모두 하나의 힘으로 통일되어 있었다고 믿어진다. 그런데 현재 중력을 제외한 세 가지의 힘은 입자물리학의 표준모형에 따라 양성자 질량의 약 1천 배 정도에서 같아지는데 반하여, 중력은 이들 세 가지 힘보다 약 1040배 정도 작다는 사실이다.

이것을 물리학에서는 위계 문제(Hierchary problem)라고 하며, ADD 모형에서 영감을 얻은 란달과 썬드럼은 강력한 중력은 여분 차원으로 빠져나갔기 때문에 현재의 중력이 약해진 것이라는 놀라운 해석을 내렸다. 그러므로 란달-썬 드럼의 이론이 옳다면 뉴턴의 중력 법칙인 역 제곱의 법칙도 아주 짧은 거리에서는 수정되어야 한다는 것을 의미한다.

왜냐하면 뉴턴의 역제곱의 법칙은 시간이 포함된 4차원 공간에 적용되는 이론이고, 차원이 하나 늘어나서 5차원이 되면 아주 짧은 거리에서는 수학적으로 역세 제곱의 법칙이 적용되어야만 하기 때문이다.  

그리고 양성자와 같은 입자가 블랙홀이 되기 위해서는 이론적으로 그 에너지는 양성자 질량의 약 1019배 정도가 되는 플랑크 에너지가 되어야만 가능한데, 현실적으로 이러한 강력한 에너지를 가속기로 만드는 것은 불가능하다. 그러므로 미니 블랙홀을 만드는 것은 어쩌면 희망이 없는 것처럼 보인다.

그러나 ADD 모형과 란달-썬드럼의 이론처럼 여분 차원이 있다면 비교적 낮은 에너지에서도 블랙홀이 만들어질 가능성이 있게 된다. 즉 대형 강입자 충돌기에서 서로 반대 방향으로 날아오는 양성자를 거의 빛의 속도로 가속시켰다가 충돌시키면 그 소립자들 사이에 작용하는 중력이 아주 짧은 거리에서는 엄청나게 강해져서 미니 블랙홀이 생성될 수 있는 것이다. 

그 이유는 여분 차원이 존재한다면 중력은 본질적으로 고차원의 속성을 지니기 때문이다. 그렇다면 우리가 관측하는 중력은 란달-썬드럼의 이론처럼 전체의 중력이 아니라 여분 차원의 방향으로 빠져나가고 남은 약해진 중력일 뿐이라는 결론을 내릴 수 있다.

따라서 이번 대형강입자충돌기(LHC)실험에서 여분 차원에 숨겨져 있던 중력이 그 모습을 나타낸다면 블랙홀은 기존의 이론인 플랑크 에너지가 아닌 비교적 낮은 TeV 정도의 에너지에서도 미니 블랙홀이 만들어질 가능성이 있게 된다.

그런데 놀랍게도 인공 블랙홀이 실험실에서도 만들어질 수 있다는 소식이 외부에 알려지자 일부 사람들은 미니 블랙홀이 지구를 멸망시킬지도 모른다는 주장을 펼치고 있으며, 실제로 미국에서는 대형 강입자 충돌기(LHC)의 실험을 중단하라는 소송을 제기하기도 했다.

^(^

기후 변화와 전쟁 등으로 지구는 몸살을 앓고 있다.

누구나 경각심을 일깨울 때이다.

 

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