7. 블랙홀 초미래 도시

회전하고 있는 블랙홀을 이용하여 쓰레기 문제와 에너지 문제를 한번에 해결할 수 있다. 이 꿈과 같은 블랙홀 초미래 도시의 이야기는 사실 상대성 이론에 관한 교과서에 실려 있다. 미스너, 손, 휠러가 집필한 책은 세계에서 널리 사용되고 있는 유명한 교과서이다. 영국의 물리학자 펜로즈는 회전하는 블랙홀에서 에너지를 꺼내는 방법을 생각하였다. 회전하는 블랙홀의 에르고 영역에 물질을 던지고, 그것이 그 안에서 둘로 갈라져 하나는 에르고 영역 밖으로 뛰쳐 나가도록 한다.
그 때 뛰쳐 나오는 물질의 에너지는 처음 던졌을 때보다 커져 있는 것이다. 이 메커니즘을 `펜로즈 과정'이라고 한다.
 

 

8. 과거로의 시간 여행
시간의 방향에는 과거와 미래가 있다. 시간 여행(Time Travel)에서 미래로만 간다면 그리 머지않은 장래에 가능해질지도 모른다. 예를 들어 인공 동면(人 工冬眠)의 기술이 개발되면 가능해지는 것이다. 그러나 미래로 가는 것만이라면 그것은 타임 머신( Time Machine)이라고 할 수 없다. 미래로 갔다가 돌아옴으로써 아직 일어나 있지 않은 시간을 알 수 있다. 문제는 과거로의 시간 여행인 것이다. 캘리포니아 공과 대학의 손팀은 이와 같은 과거로의 타임 머신을 '윔홀(Wormhole)' 을 사용하여 해결할 수 있지 않을까 생각하고 있다.
윔홀이란 두 개의 블랙홀을 이은 것과 같은 시공간을 말한다. 단 양쪽의 입구에 사상의
지평면이 있으면 그 안에 들어가 버려 두 번 다시 밖으로 나올 수 없게 되므로, 양쪽의
지평면이 일치되어 하나의 지평면이 되도록 붙어 있어야 한다. 그것이 가능한지 어떤지는 아직 알 수 없다. 가령 그것이 가능하다면 타임 머신을 만들 수 있다고 한다. 그러나
윔홀을 사용한 타임머신이 실현 가능하다고는 단언할 수 없다. 인간이 빠져 나갈 수 있을 만큼의 큰 윔홀을 과연 만들 수 있는 것인지, 또 만들 수 있다고 해도 그것이 장기간 안정되게 존재할 수 있는지 등의 해결되지 않은 문제들이 많다. 현재 그에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 과거로의 시간 여행이 가능해지면, 이미 존재하고 있는 역사를 다시 고쳐 쓸 수 있는 것일까?
호킹은 '역사 연표 보존 가설'을 제창하여, 물리 법칙은 그와 같은 윔홀의 존재를 금지하고 있다고 주장한다.
 

9. 색을 띠는 블랙홀

“블랙홀은 어떤 색입니까?”라는 질문을 받게 되면 “블랙 (검다)”이라고 답하는 것이 보통일 것이다. 무엇이든지 빨아들이고 그 곳에서는 빛조차도 빠져 나올 수
없기때문이다. 물론 이 사실이 블랙홀이라는 이름이 붙게 된 유래이기도 하다. 어떠한 방법을 써서 블랙홀에 색을 입힐 수는 없을까? 이러한 생각이 블랙홀 연구자들 사이에서 화제가 되고 있다. 단 여기서 말하는 ‘색’이란 소립자의 기본 입자로서의 쿼크(Quark)를 분류할 때의 ‘색’이지, 빛으로 보이는 ‘색’과는 다르다.
이에 대한 최첨단의 연구를 소개하고자 한다. 블랙홀에는 '무모 가설(無毛假說)'이라는 것이 있는데 블랙홀의 종류는 하나라는 것이 그것의 정설이다. 여기서
'아니다.'라고 생각하는 사람도 많을 것이다. 이제까지 블랙홀에는 별의 마지막에 생기는 것과 은하 중심등에 있다고 생각되는 거대한 두 유형이 있다고
설명하거나, 회전하고 있는 블랙홀을 설명하거나 해왔기 때문이다. 그러나 이들의 물리적 성 질을 따진다면 결국 모두 같은 것이다. 최초로 슈바르츠실트가
발견한 특이점과 사상의 지평면만으로 이루어진 블랙홀이 '슈바르츠실트 블랙홀'이다. 거기에 '전하(電荷)'를 더한 것이 '라이너스-노르드슈트롬 블랙홀'이다.
대부분의 별은 회전 운동을 하고 있다. 블랙홀도 혹시 회전하고 있지 않을까 생각하여 뉴질랜드의 물리학자 커가 밝혀 낸 것이 '회전'하는 '커 블랙홀'이다 .
그리고 여기에 전하를 더한 것이 '커-뉴먼 블랙홀'이다. 모든 블랙홀은 커-뉴먼 블랙홀이 대표하고 있다고 한다.'회전','전하 '에 블랙홀의 '질량'을 더한 세 개의
양을 '털(毛)' 로 비유한다며, 그 세개의 '털'이외의 정보는 블랙홀이 될 때 모두 소멸해 버린다. 이것을 휠러는 “블랙홀에는 털이 없다.”고 말하였다.
블랙홀을 특징 있게 하는 것은 진짜 이 세개의 '털'만이고, 커-뉴먼 블랙홀이 유일한 블랙홀인지 아니면 또 다른 블랙홀이 있는지의 여부에 대한 연구는 현재
계속되고 있다. 그와 같은 연구의 한 성과로서 최근에 '색을 띠는 블랙홀'이라는 것이 발견되었다.
쿼크를 기술하는 '양자 크로모 역학(QuantumChromodynamics)'이라는 이론에 나오는 '게이지 장(Gauge Field)'을 생각하면,앞에서 기술한 커-뉴먼 블랙홀과는 다른 새로 운 유형의 블랙홀이 발견된 것이다. 이 블랙홀이 실제로 중력 붕괴에서 생기는가 어떤가를 컴퓨터로 모의 시험(시뮬레이션)한 사람이 있다.
이것에 따르면 유감스럽게도 마지막에 도달한 곳은, 색을 띠는 블랙홀이 아니라 검은 슈바르츠실트 블랙홀 (슈바 르츠는 독일어로 검다는 뜻이 있다.)이라는 것을 알게 되었다. 그 후 색을 띠는 블랙홀 이외에도 새로운 블랙홀이 몇이나 발견 되었다. 이 새로운 종류의 블랙홀에 대한 연구는 근간에 화제가 될 것 같다.
 

10.블랙홀 우주의 미래

 물체를 빨아들이기만 하는 천체 블랙홀이 우주에 있으면 우주의 모든 물질이 블랙홀에 흡수되어, 마침내 블랙홀만 남는 것이 아니냐는 의문이 생긴다.
여기서는 블랙홀이 존재하는 우주가 어떠한 운명을 맞게 되는가에 대하여 생각하기로 하자. 우리의 우주가 지금 팽창하고 있다는 것은 분명한 사실이다.
그 우주가 어떻게 진화 할 것인가는 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 알 수가 있다. 그것에 따르면 우주의 미래에는 두 가능성이 있는데,
그것을 결정하는 것은 우주 물질의 밀도이다. 물질 사이의 중력은 우주의 팽창을 되돌리려고 하므로, 현재의 물질 밀도가 높을수록 미래의 우주 팽창은 늦어진다. 특히 현재의 밀도가 어떤값(임계 밀도) 이상이 되면, 어느 시기에 우주는 팽창에서 수축으로 돌아서게 된다. 이 우주는 '닫힌 우주'라 불 리며 우주의 부피는
유한이다. 수축으로 돌아선 다음 그 우주는 유한 시간에서 붕괴되고 만다. 또 우주의 밀도가 이 임계 밀도 이하인 우주에서는 부피가 무한대인 열린 공간이 된다.
이것은 '열린 우주'라 불리며, 이 때 우주는 영원히 계속하여 팽창한다.
현재 우주의 밀도가 이 임계 밀도보다 높은지 아닌지에 대해서는 아직 분명히 알 수 없으므로 우주의 운명에 어떻게 영향을 미치는가를 생각해 보자.

 1) 닫힌 우주: 이 경우의 우주는 미래의 어떤시기에 팽창에서 수축으로 돌아선다. 블랙홀의 존재가 이 사실을 바꾸지는 못한다 .
블랙홀은 주위로부터 물질을 흡수하여 자꾸만 크게 성장하고, 또 두 블랙홀이 충돌하면 하나의 더욱 큰 블랙홀이 될 것이다.
호킹이 제시한 블랙홀의 정리에 따르면 블랙홀은 분열하지 않은 것으로 알려져 있다. 그렇게 생각하면 블랙홀은 자꾸만 합체하여 마지막에는 커다란 블랙홀이
우주에 하나 만 남게 될 것 같다. 그러나 닫힌 우주의 경우 우주의 나이는 유한이고, 우주는 수축하여 마침내 찌부러지고 만다.
그 때에 많은 블랙홀이 충돌하여 결국 하나로 합체하기에 앞서서, 우주는 찌부러지게 될 것이다. 그래서 우주가 끝날 때에는 많은 블랙홀이 그대로 존재하고,
마침내 종말을 맞게 될 것으로 생각된다.

 2) 열린 우주: 우주가 열려 있는 경우에는 어떻게 될 것인가? 이 경우의 우주는 영원히 팽창을 계속하므로 모든 블랙홀이 하나로 합체한다고 생각할 수 있지만,
정말은 우주의 팽창으로 블랙홀의 수와 밀도가 급속히 감소하여 블랙홀의 간격이 자꾸만 멀어지게 되므로 블랙홀끼리의 충돌 빈도가 줄어들기 때문이다.
그러는 사이에 블랙홀의 증발이 시작 되고, 결국 블랙홀은 없어지고 만다. 블랙홀이 증발, 소멸하는데 걸리는 시간은 질량의 세제곱에 비례하고, 태양의 질량
정도의 블랙홀에서는 우주나이의 10의 54승 배나 걸린다. 이것이 은하중심에 있는 것으로 여겨지는 더욱 무거운 블랙홀이라면 정신이 아찔 할 정도의 숫자가
나온다. 그와같은 경우 블랙홀의 증발등은 생각하지 않아도 무방할 것 같지만,우주는 무한히 계속하여 팽창하므로 시간은 얼마든지 있는 것이다.
블랙홀이 증발한 다음에는 블랙 홀에서 나온 질량이 0인 입자(중성 미자, 광자, 중력자 등)가 주로 존재한다.
더욱이 소립자의 '대통일 이론(GUT)'이 옳다면 양성자 등도 붕괴하여, 마지막에는 전자등 가장 가벼운 안정 입자만이 남는다.
모든 구조도 소멸되고, 거의 진공에 가까운 희박한 우주만이 팽창을 계속할 뿐이다. 우주의 운명은 빈 우주가 되어 버리든가, 아니면 유한의 생명을 가진
우주가 되어 버리든가 둘 중의 하나인 것이다
 

11. 증발하는 블랙홀

 블랙홀이 증발한다는 사실을 어디선가 들은 기억이 있는 사람이 많을지도 모른다. 무엇이든지 빨아들이는 블랙홀이 어째서 증발하는가? 그 결과는 어떻게 되는가? 이러한 일에 과한 이야기를 여기서 하기로 하자. 1976년, 호킹이 과학 잡지 <네이처 (Nature)>에 짧은 논문을 발표하였다. 블랙홀이 증발하고 마침내 소멸한다는 내용의 논문이었다. 그것은 당시의 물리학자들에게는 대단한 놀라움이었다. 지금에 와서는 그 이론이 물리학자만이 아니라 많은 천문학자 사이에서도 인정되고
있다. 증발의 마지막이 고에너지 전자기파인 감마선의 분출로서 관측되는 것이 아니냐는 논의도 있다. 보통 태양의 무게 정도의 블랙홀을 생각할 때에는 크기는

거시적(반지름 3㎞ 이상)이 고, 미시적 규모에서 필요한 양자론(量子論) 등은 생각하지 않아도 좋다. 그러나 블랙홀이 소립자 정도로 작다면 양자 효과는 무시할 수가 없다. 블랙홀의 크기는 질량에 비례하고, 가벼운 블랙홀일수록 양자 효과는 비중을 차지한다. 실제로 블랙홀의 질량이 1조㎏, 반지S름이 10조분의 1㎝ 이하가
되면 큰 영향이 나타난다. 호킹은 그와 같은 작은 블랙홀이 형성되었다고 가정하고, 양자론이 블랙홀에 미치는 영향을 생각하였다. 그 결과 블랙홀이 증발한다는
놀라운 사실을 알게 되었다. 증발로 입자가 방출되면 블랙홀은 당연히 에너지를 잃게 되므로 그 분량만큼 질량이 준다. 질량이 줄면 그것에 반비례하여 온도는
상승하므로 입자가 더욱 많이 나오게 된다. 따라서 블랙홀은 가속도적으로 그 질량 에너지(Mass Energy)를 잃고 마지막에는 소멸하고 만다. 이 마지막 순간은
증발이라는 식의 간단한 것이 아니고 폭발에 가깝다. 마지막 1000톤의 블랙홀은 1초라는 짧은 시간 동안에 소멸하고, 그 모든 것이 에너지로 변화되는 것이다.
그렇다면 블랙홀의 온도는 어느 정도일까? 태양의 무게 정도의 블랙홀에서는 100만 분의 1K(절대 온도)로서 매우 낮다. 그와 같은 블랙홀이 증발하고 소멸하려면 우주 나이(150억 년)의 10의 54승 배나 되는 시간이 걸리게 된다. 별 진화의 마지막에 생기는 블랙홀이나 은하 중심핵에 존재하는 것으로 여겨지는 거대한 블랙홀에서는 이 증발의 영향은 거의 무시할 수 있다. 실제로 증발의 영향이 중요 하게 되는 무게는 어느 정도일까? 무게가 꼭 1조㎏인 블 랙홀은 지금 막 증발하고, 소멸하려 하고 있을 것이다. 그 온도는 1조 ℃나 되고 고에너지 감마선을 방출한다. 그러나 현재 그 증거는 아직 발견되어 있지 않다. 그렇다면 이 블랙홀의 증발이라는 불가사의한 현상이 모두 해명된 것일까? 블랙홀의 무게가 0.01㎎ 이하가 된 마지막의 마지막(진짜 마지막)이 지금도 밝혀져 있지 않다. 크기로 따져서 반지름
10의 마이너스 33승㎝까지 작아진 블랙홀의 운명을 잘 알 수가 없는 것이다. 진짜 마지막을 해명하려면 '양자 중력 이론(量子重力理論;Quantu m GravityTheory)'
이라는 아직도 완성되지 않은 궁극의 이론을 알 필요가 있다. 금 세기 최대의 이론인 '양자론(量子論)'과 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 통일을 목표로 하는
양자 중력 이론은 현재까지 많은 과학자들이 그것을 완성하려고 도전1하려고 도전해 왔다. 최근에는 '초끈 이론(Super String Theory)'이 그 후보가 아닌가 하여
연구되고 있다. 그러나 현재 그것이 진짜로 성공할 것인지 아닌지는 알 수가 없다. 이러한 상황속에서 최근 블랙 홀의 증발을 2차원 시공간으로 생각하려는
프린스턴 대학의 캐런 박사 팀의 연구가 있었다. 2차원 중력 이론으로 문제를 생각 한 까닭에 복잡한 4차원으로는 알 수 없었던 블랙홀 증발의 마지막도 이해할 수 있는 것처럼 생각 되었다. 그런데 조사해 보니 그 경우에도 현대 물리학으로는 전혀 설명할 수 없는 `알몸의 특이점'이 나와서 이 문제는 단순한 것이 아님을 알게
되었다. 호킹도 이 이야기에 흥미를 가지고 많은 연구자와 함께 그 해명에 도전하고 있다.
이 연구는 궁극적 이론의 구축을 향하여 현재 가장 각광을 받고 있는 화제이다.
 

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