우주론(블랙홀)

[신동]

우주론(블랙홀)
[참고문헌]이하의 내용은 우주론 관련 전문서적으로부터 발췌하여 요약하였음
(그림은 주로 과학동아와 뉴우튼잡지에서 발췌하였음)

1. 과학에서 말하는 우주론 (우주탄생이론)


1-1. 우주탄생 시나리오

1) 우주탄생
: 우주는 무에서 태어났다고 생각되며 양자론에 근거하면 무도 요동하고 있었다고 한다. 즉, 우주는 무의 요동에서 태어났다고 한다.
이같은 관점에서 우주 진화론이 실재로는 창조론이 내재된 모습으로 보기도 한다.


2) 허수시간의 우주
: 우주가 무에서 탄생했을 때 허수시간이 흘렀으며 10-44 초후에 그 크기가 10-34cm 정도인 것으로 보고있다. 현재 물리적 시스템으로는 10-44초전에 무슨 일이 있었는지 알 수 없다고 한다.

3) 급팽창(인플레이션)
: 그 후 우주는 순식간에 초기우주의 10의 30승배로 급팽창한다. 이 시나리오는 초기 빅뱅이론을 수정하면서 제시된 가설이다. 알렌 구스, 안드레이 린데, 파울 스타인하트가 제안하였다.


4) 우주대폭발(빅뱅)
: 인플레이션을 거쳐 우주는 물질과 에너지로 가득찬 초고온, 고밀도의 우주가 되었다고 한다. 현재 이 이론은 우주팽창에 근거하여 제시된 이론으로 주류의 우주론으로 보고있다. 다만 초기 빅뱅이론은 많이 수정되고 있는 모습이다.

5) 우주가 맑게 갠다.
: 우주탄생 후 약 30만년 후 우주의 온도는 3000K까지 떨어지고 원자핵과 전자가 결합하여 원자가 생겼으며 전자의 산란과 함께 빛이 직진하면서 우주가 맑게 개인다.

6) 전체의 탄생, 은하계 탄생 등

http://www.manminresearch.org/kor_images/UniverseScenario1.JPEG

1-2. 우주론의 종류

1) 빅뱅우주론
: 우주팽창-> 빅뱅우주론을 착안
폭발시점의 복사존재예측 (1948 앨퍼와 하먼 , 5K)
1965년 펜지아스와 윌슨, 2.7K 우주배경복사선 검출 => 노벨상 수상
-> 우주론자 대부분이 빅뱅이론을 받아들이는 계기

* 문제점 발생
<1>우주지평선 : 우주배경복사 10-5의 균일값을 갖음
<2>우주의 평탄성 : 초기우주가 임계 값에 가까운 우주, 초기우주의 엄청난 정밀도 조율이 필요. 우주평균밀도 설명이 불능
<3>자기단극자문제 : 단극자가 발견되지 않음

2) 급팽창가설(인플레이션)
: 기 표현된 바와 같이 빅뱅우주론 문제점을 극복하기 위해 제시되었다.

3) 최신 막 우주론
: M이론을 우주에 응용
근본은 끈 이론(string theory)에서 나옴 => 우주의 기본은 점이 아니라 끈이라는 것(끈의 길이 10-33 cm끈 이론에 따르면 우주는 4차원 시공간이 아니라 10차원.
90년대 중반 5가지 끈 이론과 초중력 이론들 사이에 이중성이 성립하여 모두11차원 M이론으로 통합 => 이제 그 근본은 1차원 끈이 아니라 2차원 면 또는 막이다

다음과 같은 그림으로 묘사된다.
http://www.manminresearch.org/kor_images/Mtheory.jpg

위 그림은 근접한 곳에 또 다른 우주가 있음을 암시하고 있다.

[논의] 과학에서 말하는 우주론의 주요 골격을 살펴보았다. 창세기 강해 중 "빅뱅이 아니다."라고 언급한 부분에서는 위와 같이 빅뱅이론은 많이 수정되고 있는 모습이며 초기 빅뱅이론은 부정된 것으로 보기에 타당하다고 본다.

최신의 우주론인 막 우주론은 우리세계 근접한 곳에 또 다른 우주가 있음을 암시하고 있으며 이는 창세기 강해 말씀 중 5편(다른 하늘, 둘째, 셋째 하늘), 16편 (차원), 37편(차원이 다른 공간), 43편(서로 겹쳐져 있는 다른 차원의 공간) 설교 내용과 내용상 일치성이 보인다.



2. 블랙홀
: 별이 구모양을 하고 있는 것은 중력과 주변압력이 균형을 이루고 있기 때문이다. 그런데 여기서 중력이 매우 강해지게 되면 힘의 균형이 깨져 중력붕괴를 일으키고 수축하여 마침내는 한 점으로 집중하게 된다. 이 점은 밀도나 중력의 세기가 무한대인 '특이점' 이다. 이 중력붕괴의 과정에서 강한 중력때문에 공간의 변형을 유발하게 되며 시간의 흐름이 늦어진다. 또 별표면에서 방출되는 빛의 파장은 길어져서 적색으로 변화되며 별의 반지름이 슈바르츠실트의 반지름에 도달하게 되면 빛의 파장은 무한대로 접근하여 결국 관측이 불가능하게된다고 한다.
http://www.manminresearch.org/kor_images/Blackhole_X1.JPEG
연성계(쌍성)의 실제 블랙홀 모습(블랙홀은 주변의 가스원반의 관측으로 위치를 추적한다)


2-1. 블랙홀의 종류

[시공간 구조에 대한 그림과 수학적으로 도식화된 그림(penrose diagram)은 생략하였다.]

블랙홀은 질량, 각운동량, 전하의 세가지 물질밖에는 갖지 않는다. 그 조합으로 4종류의 블랙홀을 생각할 수 있다.

1) 슈바르츠실트 블랙홀(Schwarzchild black hole, 질량만 존재 )
: 블랙홀 내부에서 출발한 빛은 모두 특이점으로 향하고 사상의 지평선 내부에서는 빛마저 통과할 수 없는 특징을 갖는다.

2) 커 블랙홀(Kerr black hole, 질량과 각운동량이 존재 ) or 회전 블랙홀 (Rotating black hole)
: 위의 블랙홀은 링 모양의 특이점과 두개의 사상의 지평선을 갖는다. 이 블랙홀은 각 운동량을 가지기 때문에 완전한 구대칭을 가지지 못하다.
위의 블랙홀은 중력이 인력이 아닌 반중력의 우주를 예를 볼 수 있으나 현재 이런 반중력의 우주는 현 우주에 없다고 보고있다.


3) 노르드슈트롬 블랙홀(Nordstrom black hole, 질량과 전하가 존재 )
: 전하들 때문에 생기는 Maxwell tensor는 아인시타인의 중력장 방정식의 energy momentum tensor에 영향을 주어 기본 metric이 바뀐다. 이와 같이 구한 방정식의 시공간 간격을 Reissner-Nordstrom solution 이라고 한다.

http://www.manminresearch.org/kor_images/RNsolution.gif

위의 해(solution)를 도식화된 그림(penrose diagram)으로 내용을 살펴보면 한 영역에서 다른영역으로 빨려들어가는 방향이 결정되는데 한 특정 지역을 통과하면 다시 되돌아오는 상황을 맞을 수있게 된다. 단, 처음 출발했던 우주로 돌아온다는 보 장은 없으나 다시 되돌아 오게 된다면 블랙홀을 통한 시공간의 여행을 말할 수 있다. 비록 다른 우주라하더라도 블랙홀을 통한 또 다른 우주로의 연결-즉 웜 홀(worm hole)-가능성을 볼 수 있게된다는 것이다.

4) 커-뉴먼 블랙홀(질량과 각운동량 그리고 전하 모두가 존재 )
: 위 블랙홀 들의 특징을 모두 볼 수 있는 블랙홀이다.

이외에도 흑체복사에 근거한 양자블랙홀과 끈이론에 근거한 D-brane 블랙홀이 있다.

질량 M인 슈바르츠실트 블랙홀에서 빛의 속도인 곳에 사상의 지평면이 존재(event horizon)하며 커 블랙홀에 있어서 사상의 지평성 밖에 정상한계면이라는 것이 있으며 이 두 면사이의 영역을 에르고 영역(ergosphere)이라 한다.
http://www.manminresearch.org/kor_images/kerrblackhole.jpg
사상의 지평면 내부는 모든 물리법칙이 깨진다고 알려져 있다. 즉, 현재 규명되지 못한 미지의 세계인 것이다.

2-2. 웜 홀(Worm hole)

: 블랙홀의 명명자 휠러(Wheeler)는 블랙홀과 화이트홀의 사상의 지평면 내부를 잘라내고 그 나머지를 연결하면 과연 무슨 일이 일어날까를 생각했다. 이 때는 블랙홀로 들어온 물질이 화이트 홀로 빠져나가게 된다. 이 두세계를 연결하는 통로는 웜홀(슈바르츠실트의 목 또는 아인시타인-로젠의 다리)라고 한다.
웜 홀의 그림
http://www.manminresearch.org/kor_images/wormhole.jpg

http://www.manminresearch.org/kor_images/wormholealpha.jpg
[논의] 블랙홀의 주요내용을 살펴보았다. 창세기 5편(영계로 통하는 문) 은 웜홀과 유사한 측면이 있고 "구름생성소멸시의 회전하며 들어가고 나오는 현상"을 설명한 것에 대해 회전하는 블랙홀인 커 블랙홀과 다른 세계로의 전환을 의미하는 노르드슈트롬 블랙홀이 그 특성을 보인다는 관점에서 일치성을 보인다.

물론 영적인 세계로의 접근이라 물리적인 해석인 블랙홀의 이론이 적용될 수 있을지는 모르겠으나 물리적으로도 일치되는 특성이 있으니 이에 소개하였다.

중요한 것은 위의 내용들이 실제과학에서 논의되고 있다는 것이다.