흥미돋 블랙홀, 화이트홀, 웜홀을 이용한 시간 여행

[shhyelow]

2011.6.20이후 적용 자세한사항은 공지확인하시라예

출처:  여성시대 shhyellow

오늘의 주제인 블랙홀도

아인슈타인의 '상대성 이론'에 의해 태어났어

(아인슈타인은 물리학 곳곳에 안 나오는 데가 없어

진짜 물리학계의 한 획을 제대로 그었지 ㅋㅋㅋㅋ)

아인슈타인이 일반 상대성 이론을 완성시킨 1916년,

독일의 수학자 카를 슈바르츠실트는 일반 상대성 이론을 사용해서

항성의 표면 가까이나 그 내부의 중력에 관해 계산하는 식을 만들었어

이 식을 슈바르츠실트의 해라고 불러

이 슈바르츠실트의 해에서 계산된 결론은 물리학자들을 크게 놀라게 했어

항성의 질량을 좁은 영역에 집중시키면

어떤 한계를 넘었을 때 그 내부에서 빛조차도 탈출할 수 없을 만큼

중력이 강해지는 영역이 생긴다는 거였지

빛은 파동이면서 동시에 입자의 성격도 가지고 있기 때문에

중력이 큰 곳에서는 중력을 벗어나지 못하고

그 공간에 머물게 돼

지구 중력의 탈출속도는

초속 11km야

나로호 등 로켓이 지구 중력을 벗어나려면

최소 초속 11km로 날아야만

우주로 나갈 수 있어

빛은 초속 30만 km니까

지구 중력을 벗어날 수 있지

하지만 블랙홀은 중력이 어마어마하기 때문에

빛조차 블랙홀의 중력을 거스르지 못하고

블랙홀 표면에 머무르게 되는 거야

빛조차 탈출할 수 없게 되는 영역의 경계를

사건의 지평선,

그 영역의 반지름을 슈바르츠실트 반지름이라고 해

상식적으로 빛도 탈출할 수 없는 공간이면

그 공간은 그냥 까맣겠지?

아인슈타인은 이론상으로는 블랙홀이 존재할 수 있지만

사실은 존재할 수 없다고 강력하게 주장했어

아인슈타인과 달리 블랙홀의 존재를 믿었던 과학자들은

블랙홀을 어떻게 발견할 것이냐로 고민을 시작해

그들은 블랙홀의 "중력"에 주목해

중력이 강하면 뭔가를 끌어당기겠지?

어떤 천체 주변에 있는 무언가가 굉장히 빠른 속도로 움직이고 있고

그 무언가를 중력이 끌어당긴다고 가정할 때

끌어당기는 힘이 크기에 비해 질량이 너무 크고

보이지 않으면 블랙홀이라고 확신할 수 있는 거지

과학자들은 이를 근거로

별이 어마어마한 속도로 빨려들어갈 때

속도 때문에 방출하는 에너지를 매의 눈으로 찾아내

블랙홀을 발견하고 있어

과학자들은 빛이 탈출할 수 없는 지점의 경계인

사건의 지평선까지를

블랙홀의 크기로 가정해

그리고 사건의 지평선 중심에는 중력과 밀도가 무한대인

특이점이 나타나

이 특이점에서는 모든 물리 법칙이 성립하지 않아

특이점은 크기가 0인데 질량은 무한해

때문에 밀도도 엄청 높지

이런 현상은 현재 물리 법칙으로는 설명할 수 없어

맨 처음 이 이론이 공개됐을 때

대부분 과학자들은 물론이고

상대성 이론을 만든 아인슈타인도

모든 물리 법칙이 적용되지 않는 특이점은 존재할 수 없다고 생각했지

크기가 무한히 작고(0에 수렴) 밀도가 무한히 큰 점은

상대성 이론으로 계산할 수 없거든

하지만 블랙홀 연구가 진행되면서

과학자들은 블랙홀의 존재를 확신하게 되었고

얼마 뒤인 1960년대 후반, 미국의 물리학자인 존 휠러에 의해

이 '빛조차도 빠져 나오지 못하는 검은 구멍'은

블랙홀이라는 이름을 갖게 돼

사실 존 휠러가 블랙홀이라는 이름을 지었다고 알려져 있는데

'블랙홀'이라는 이름을 지은 건 휠러가 아니야

휠러가 블랙홀에 대해 강연을 하던 중

어떤 청중 한 명이 블랙홀이라는 이름이 어떻냐고 제안을 했고

그럴싸한데? 싶었던 휠러가 블랙홀이라는 이름으로

physical review를 제출했지

이렇게 블랙홀이라는 이름은 대히트를 쳐

진짜 멋있는 이름이라고 생각하지 않아?

나만 그런가 ㅠㅠ

근데 처음에 "블랙홀"이라는 단어는 학계에서 거부당했어

너무 음란*-_-*하다는 이유로 ㅋ....

진짜 어이없는 이유지

뭐 눈에는 뭐만 보인다고 ㅋㅋㅋㅋ

이 이름부터 매력적인 블랙홀은 어떻게 생겨나는 걸까?

별은 수소 핵융합을 통해 에너지를 내면서

빛을 뿜으며 (태양을 생각하면 이해가 빠를 듯)

하루하루 살아가다가

내부에 존재하는 수소가 전부 타면 죽어가기 시작해

별은 죽어가면서 모양이 변해

내부는 수축하고 외부는 팽창하지

이렇게 적색거성이 되는 거야

박명수가 한때 자신을 거성이라고 칭했는데

거성은 죽어가는 별이라는 뜻이라는 거

또르르....

이렇게 잔뜩 몸집이 커진 별은

어느 순간 다시 수축을 시작해서

하얗고 작고 왜소한 별로 변해

그걸 백색왜성이라고 부르지

이게 대부분 별의 일생이야

그런데 몇몇 별들은

백색왜성에서 끝나지 않고 블랙홀로 변하지

이 이유는 간단히 설명할 수 있어

파울리의 베타 원리가 먹히지 않기 때문이야

파울리의 베타 원리를 백과사전에서 검색하면 이렇게 나와

1924년 W. 파울리에 의해 발견된 법칙으로

다수의 전자를 포함하는 계에서

2개 이상의 전자가 같은 양자상태를 취하지 않는다는 법칙으로

배타율이라고도 한다.

이 원리를 바탕으로 원자의 전자껍질구조 개념이 확립되었다.

Aㅏ....

간단히 말해 질량이 큰 물체가 뭉쳐 들어와도

계속 현재의 구조를 유지하려고 하는 것을

파울리의 배타원리라고 말해

소립자들이 자신의 형태를 유지하기 위해서

끊임없이 자신들을 밀고 들어오는 어떤 것에 반발력을 가지고

그것들을 밀어내는 거지

이걸 "축퇴"라고 말하는데

전자의 "축퇴"로 버티는 별이 백색왜성이야

하지만 모든 물질이 그렇듯이

얘네들이 무조건 형태를 유지하면서 끝까지 버틸 수 있는 게 아니야

백색왜성으로 변했을 때 별의 질량이 태양 질량의 1.4배가 넘어가면

이들은 더 이상 별로 버티지 못하고 폭발해

이걸 초신성이라고 불러

초신성이 끝난 후

별은 중성자의 "축퇴"로 다시 한 번 버티는데

이 별을 중성자성이라고 불러

중성자성으로도 버틸 수 없는 질량이 되면

블랙홀이 되는 거지

왜 블랙홀의 질량이 어마무시하게 높은지 이제 이해가 가지?

이해가 안 된다면....

이게 내 설명의 한계야....

미안....

다시 한 번 결론만 얘기하자면,

별은 팽창을 할 때마다 에너지를 잃어버리고

질량이 수축하거든?

근데 질량이 수축해도 원래 질량이 어마무시하게 높기 때문에

몇 번의 변신 끝에

질량이 어마무시한 블랙홀로 최종진화하는 거야

흔히들 블랙홀의 질량이 너무 높아서

근처에 블랙홀이 생기면

주변에 있는 모든 걸 다 빨아들인다고 생각하는데

전혀 그렇지 않아

태양의 반지름을 3km 이하로 만들면

태양은 블랙홀이 되거든?

그러면 지구에는 어떤 영향이 있을 것 같아?

아.무.런. 영향도 없어

태양빛을 더 이상 받을 수 없다는 것 정도?

지구의 궤도에도 아무런 영향을 주지 못해

사건의 지평선을 넘어가야만

블랙홀은 힘을 발휘할 수 있어

블랙홀의 질량이 커도

블랙홀 안에 미치는 자체 중력만 큰 거지

밖에 미치는 영향은 전혀 없거든

그러면 사건의 지평선을 넘어가면 어떻게 될까?

스파게티 현상이 일어나

중력이 좁은 영역에서 크게 발생하기 때문에

사람이 블랙홀로 다가가면

머리에 미치는 중력과 발에 미치는 중력이 달라서

몸이 스파게티 면처럼 길게 늘어나버려

별도 마찬가지로

스파게티 면처럼 늘어나버려

무섭 ㅠㅠ

(이런 현상은 블랙홀의 크기에 따라

사건의 지평선 바깥에서 일어날 수도 있어)

그럼 블랙홀도 죽을 수 있을까?

응, 당연히 죽을 수 있지!!

사건의 지평선 경계에는

양자요동에 의해

(아무것도 없는 진공상태에서 물질이 뿅하고 생겨나는 현상에 의해)

전자와 양전자가 쌍으로 생겨나

이 쌍입자 중 하나가

중력에 이끌려 블랙홀 안으로 빨려들어가면

반작용으로 다른 입자는 사건의 지평선을 빠져나오게 돼

나머지 하나가 튀어나오면서

블랙홀의 에너지를 뺏어오거든?

(지평선을 빠져나오려면 에너지가 필요하기 때문이야)

이걸 호킹 복사라고 해

호킹 복사로 에너지를 잃은 블랙홀은

그렇게 서서히 죽어가는 거지

물론 어마어마한 시간이 걸리겠지만!!

블랙홀에 대한 설명은 이 정도로 하고

화이트홀에 대한 설명을 해볼게

블랙홀과 화이트홀은 서로의 시간을 뒤집는 관계에 있어

한마디로 말해서

블랙홀은 누구도 그 내부에서 탈출할 수 없는 천체라면

화이트홀은 누구도 그 내부에서 머무를 수 없는 천체인 거지

화이트홀은 그 내부의 특이점에 집중해 있는 질량을 물질과 빛 등으로 계속 뱉어 내

블랙홀에 경계면이 있었던 것처럼 화이트홀에도 경계면이 있어

화이트홀의 경계면 안쪽에서는 바깥쪽으로 이동할 수 있지만,

바깥쪽에서 안쪽으로는 빛조차 들어갈 수가 없어

(블랙홀과 완전 반대야)

그렇다면 이런 천체가 현실의 우주에 정말로 존재할 수 있을까?

아직까지 관측된 적은 없지만

이론 상 화이트홀은 존재할 가능성이 크다고 해

상대성 이론 방정식 안에서

화이트홀, 웜홀을 모두 설명할 수 있어

물체가 블랙홀로 들어가

웜홀을 지나서 화이트홀로 빠져나오는

일련의 사건을 모두 수식으로 나타낼 수 있다는 거야

하지만 중력을 버티지 못하고

스파게티가 된다는 것이 문제지 ㅠㅠ

이걸 깨부술 정도로 어마무시한 우주선을 만들어야 하는데

현재 기술로는 불가능하니까 ㅠㅠㅠㅠ

그리고 화이트홀이 실재한다고 해도 이걸 관측할 수 없을지도 모른다는 문제가 있어

화이트홀은 내부에서 물질을 뱉어내는 천체야

화이트홀의 주위에는 내부에서 뱉어진 물질과

원래 주위에 있던 물질이 같이 공존하고 있어

이 물질들은 화이트홀에서 새로 분출하는 물질과 빛 등을 거느리면서

화이트홀로 끌려가

그러나 화이트홀의 성질 상

끌려든 물질이 화이트홀의 내부로 들어가는 것은 불가능해

결국 이 물질들은 화이트홀 표면에 쌓이게 되어

전체적으로 질량이 늘어나는 현상을 가져오게 되지

하지만 화이트홀에는 블랙홀과 같은 중력이 존재해

그만큼 무거운 화이트홀의 질량이 더욱 더 늘어난다면

전체적으로는 화이트홀보다도 질량이 큰 블랙홀이 생기게 되는 거야

결국 화이트홀이 존재한다고 해도

화이트홀의 경계면 바로 바깥쪽에 블랙홀이 생겨

화이트홀이 내부의 에너지를 바깥으로 내보내기 전에 블랙홀이 모든 에너지를 전부 흡수한다면

우리들은 블랙홀 안에 화이트홀이 있는지 판단하는 것이 불가능해

하지만 대신 블랙홀이 생기기 전,

화이트홀이 생긴 지 얼마 안됐을 경우라면,

우리는 화이트홀을 관측할 수 있는 가능성이 있어

이번에는 블랙홀과 화이트홀을 연결하는 웜홀에 대해 얘기해볼게

블랙홀은 말 그대로 공간에 존재하는 구멍이야

때문에 이 구멍을 통과하면 다른 차원으로 갈 수도 있지

이 웜홀 이론을 제안한 사람이 아인슈타인이야

뭔가 좀 웃기지?

아인슈타인은 죽을 때까지 블랙홀을 부정했는데

웜홀의 이론을 만든 사람은 아인슈타인임 ㅋ...

그래서 웜홀의 이름을

아인슈타인과 그의 동료 이름을 따서

아인슈타인-로젯브릿지 라고 부르기도 해

웜홀은 어떤 공간과 다른 공간을 이어 주는 조그만 통로 역할을 해

때문에 웜홀을 빠져 나가면 순식간에 다른 공간으로 이동하는 것이 가능해

(참고로 웜홀은 '벌레 먹은 구멍'이라는 뜻인데

웜홀의 통로 모습이 벌레 먹은 구멍과 비슷하기 때문에 붙여진 이름이야)

예를 들어서 사과에 살고 있는 벌레가 있다고 가정해 볼게

이 벌레에게는 사과의 표면이 인식할 수 있는 세계의 전부야

이 벌레가 사과의 반대편으로 건너가기 위해서는 사과의 표면을 따라서 기어가는 수밖에 없어

하지만 이 벌레가 사과에 구멍을 뚫는 것을 생각해 내서

반대쪽으로 통하는 터널을 만들었다고 가정해볼게

그러면 벌레는 표면을 기어서

돌아돌아 사과 반대쪽으로 갈 때보다

훨씬 더 빨리 사과의 반대쪽으로 이동할 수 있어

웜홀은 바로 이런 벌레 먹은 구멍과 같은 역할을 하는 거야

이론 상이지만 블랙홀과 화이트홀을 이어주는 웜홀이 존재할 가능성은 분명히 존재해

상대성 이론 방정식으로 전부 성립 가능하거든

이런 웜홀이 존재한다면 우리는 아주 먼 곳으로 순간이동을 했다가

다시 제자리로 돌아올 수 있어

뿐만 아니라 시간 여행도 가능해져

상대성 이론에 의하면,

이동하는 물체의 시간은 정지하고 있는 물체에서 보면 느려져

이 효과는 물체의 이동 속도가 광속에 가까울수록 뚜렷해져

(한마디로 빨리 움직이면 움직일수록 시간이 느리게 간다는 거야)

바야흐로 박근혜가 대통령이 아닌 2018년(참 멀다 ^^...),

지구의 곁에 웜홀의 출입구 양쪽이 모두 있다고 가정해볼게

(동그라미가 출입구, 화살표가 웜홀이야....)

두 출입구는 가까이 있어

웜홀 외부와 내부의 시간은 모두 2018년이야

그러면 이제 

오른쪽 출입구를 광속에 가까운 속도로 일단 멀리 보냈다가

바로 되돌렸다고 가정해볼게

빛의 속도로 출입구를 이동시킨다면

(지구 기준으로 한 5년 정도 걸린다고 가정할게)

지구는 2023년이지만

출입구는 시간이 느려져 2019년 정도가 돼

이동시킨 출입구를 되돌려볼게

원래 있던 곳으로 돌아갔을 때 지구는 원래 속도로 시간이 경과하고 있어서

10년이 지났어(2028년이 됐겠지?)

그러나 움직인 쪽의 출입구는 시간이 느려져서 2년밖에 지나지 않아

2020년이 되버리는 거야

(가는 데 1년 + 오는 데 1년)

여기에서 2020년의 출입구로 들어가면

2028년의 세계에 있는 사람이 2020년의 세계로 시간 여행을 할 수 있는 거지

하지만 이 방법은 큰 한계점이 존재해

웜홀이 존재한 시점보다 과거로 시간 여행을 하는 것이 불가능하다는 거야

즉 2018년보다 과거로는 돌아갈 수 없어

(돌아갈 생각도 없긴 하지만ㅋ)

이론적으로 웜홀은 성립 가능하지만

학자들 사이에서 웜홀의 성립 여부는

아직도 논란거리야

학자들은 웜홀이 만들어질 수 있다  vs 너무 불안정해서 만들어질 수 없다

두 파로 갈려서 지금도 싸우고 있어

또한 웜홀은 매우 불안정하기 때문에

웜홀을 통한 이동이 가능하다고 하더라도

웜홀을 지나갈 때 에너지의 요동이 증폭되기 때문에 웜홀이 찌그러질 가능성이 있어

블랙홀과 달리 웜홀은 불안정하고 유약한 아이거든

웜홀을 통해 여행하려면

웜홀이 여행하는 동안 계속 열려 있어야 하는데

구멍이 열리자마자 닫혀버린다면

만들어지는 의미가 없잖아?

그렇기 때문에 웜홀을 유지하기 위해서는

마이너스의 압력을 가진 물질이 필요해

마이너스의 압력을 가진 물질은

일반적인 물질(플러스 압력)과는 반대로 공간을 펼치려고 작용하는 성질이 있어

이 물질을 이용하면 불안정한 웜홀을 보완해주는 효과를 가져오게 돼

(일반적인 물질은 중력이 있어서 모든 것을 끌어들이는 성질이 있다면

마이너스 물질은 반중력 물질이라서

모든 것을 밀어내는 성질이 있어

마이너스 물질이 찌그러드는 웜홀 벽을 계속 밀게 되면

웜홀 벽이 찌그러지지 않을 수 있어)

이 물질을 특별한 물질(exotic matter)이라고 불러

하지만 이론 상의 존재이기 때문에

어떻게 만들어 낼지는 아직 미지수야

수식에서는 그냥 숫자 앞에 마이너스만 붙이면 되는데

안타까워 ㅠㅠ

[돼지야그만먹어라]

태양이 갑자기 블랙홀로 바뀌게되면 지구는 태양의 중력이 사라지니깐 튕겨나가게되는거아니야?아닌가?ㅎㅎㅎㅎㅋㅋㅋ 어렵다

[미카도흰곰]

오랜만에 정독하니까 이전보다 이해가 더 잘돼 ! 블랙홀도 끝이 있다니까 뭔가 신기하다 우주의 모든 탄생에는 끝이 존재하나봐. 지구 안의 생명에만 국한되는게 아니었어

[행복하고 돈 많이 벌 한여시]

근데 아이슈타인 이론에서 화이트홀과블랙홀이 쌍방으루 생긴다구 했잖아? 그런데 화이트홀 주변에서 블랙홀이 화이트홀이 내뱉는 질량때문에 생긴다면 또 그에따른 화이트홀이 생길건데... 그럼 이런 순환으로 화이트홀과 블랙홀이 어마무시하게 많아지는가 아니야????

[까만해바라기씨~~]

반중력물질 암흑물질 exotic물질이 다 다른건가?

[느개비빕스에서부가세안먹었다고비명]

하이이이잇 2018년에서 url이라는 웜홀을통해 2014년인 이글로왔음!!! 존잼탱ㅋㅋ