블랙홀에 대해 알아볼 텐데요. 먼저 블랙홀 뜻과 이론, 구조 등에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
블랙홀의 뜻
2차원 공간인 면에 평면과 곡면이 있듯이 우리가 사는 3차원 공간과 4차원 시공에도 똑바른 경우와 휘어진 경우가 있습니다. 질량을 갖는 물체에 의해 주위의 시공이 휘어지는 것이 바로 중력입니다. 예를 들어 사과의 낙하를 일반 상대성 이론으로 설명하면 다음과 같습니다. 지구가 존재하면 그 주위의 4차원 시공이 휘어집니다. 거기에 있는 사과는 4차원 시공의 휘어짐을 따라 다시 말해 비탈길을 구르듯이 지구를 향하게 됩니다.
우주에 존재하는 천체도 마찬가지입니다. 질량을 갖는 천체는 주위의 4차원 시공을 휘어지게 만듭니다. 그리고 무거운 천체일수록, 다시 말해 밀도가 큰 천체일수록 주위 시공의 휘어짐은 크게 됩니다.
예를 들어 태양과 같이 큰 질량을 가진 항성 주위는 공간이 크게 휘어집니다. 태양계의 행성들은 이처럼 공간이 휘어지는 영향을 받기 때문에 태양 둘레를 공전하는 것입니다.
이것은 안쪽이 깊게 파인 절구 속으로 유리구슬을 굴렸을 때 유리구슬이 경사면을 빙빙 도는 것과 비슷합니다. 절구 속을 도는 유리구슬은 마찰 때문에 약해져서 결국은 바닥으로 떨어지게 되지만 진공 속을 나아가는 행성은 가로막는 것이 없기 때문에 태양 주위를 계속 회전하게 됩니다.
태양보다 훨씬 무거운 항성이 일생을 마치면서 수축해, 밀도가 무한대인 천체가 생기면 주위의 시공은 극단적으로 휘어집니다. 이것이 바로 블랙홀입니다. 그곳에서는 시공의 휘어짐이 극해서 빛마저도 중력을 거슬러 탈출할 수 있습니다.
블랙홀 이론
알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 대해 한 번씩은 들어보셨을 것입니다. 특수 상대성 이론이란 '관측하는 사람의 입장에 따라 공간과 시간은 늘어나거나 줄어든다'라고 말하는 이론입니다. 특수 상대성 이론에 따르면 시간이 늘어나고 줄어들 때는 반드시 공간도 함께 늘어나고 줄어듭니다. 즉 공간과 시간은 끊을 수 없는 관계입니다.
그렇다면 빛조차 탈출할 수 없는 블랙홀에서는 시간이 어떻게 흐를까요?
블랙홀에 접근할수록 블랙홀의 인력은 강해집니다. 따라서 먼 곳에 있는 사람이 보는 바깥쪽으로 나오는 빛의 겉보기 속도는 점차 느려져, 먼 곳에 도달할 때까지 시간이 더 걸리게 됩니다. 그리고 블랙홀의 표면에서는 우주선이 바깥을 향하는 빛을 방출해도 먼 곳에 있는 사람에게는 블랙홀로 낙하하는 속도와 광속도가 상쇄되어 빛이 그 자리에 정지되어 있는 것처럼 보이게 됩니다. 결국 그곳에서 나온 빛은 먼 곳에 도달하지 않고 영원히 그곳에 달라붙게 됩니다. 이런 일이 블랙홀의 표면에서 일어납니다.
일반 상대성 이론에서도 광속도는 일정합니다. 따라서 먼 곳에 있는 사람이 보는 빛의 속도가 겉보기에 느려지면 그것은 먼 곳에 있는 사람에게 시간의 흐름이 늦어짐을 의미합니다. 빛이 달라붙은 블랙홀의 표면에서는 시간의 흐름이 완전히 정지하게 됩니다.
블랙홀로 낙하하는 우주선을 먼 곳에서 본다고 가정해 봅시다. 그 우주선은 천천히 블랙홀에 접근해 가지만 시간이 아무리 흘러도 블랙홀의 표면에는 도착하지 않는 것처럼 보입니다.
낙하하고 있는 본인은 순식간에 블랙홀로 떨어져 버리지만, 멀리서 보면 그 운동은 한없이 느리게 보일 뿐입니다. 블랙홀에 접근해 가면 시간은 천천히 흐르고 그 표면에서는 시간이 완전히 정지하게 됩니다.
블랙홀 구조
블랙홀 표면에서는 바깥쪽으로 나오는 빛조차 그 자리에 멈춘 것처럼 보입니다. 블랙홀 안에서는 중력이 더욱 강해져 빛을 바깥쪽으로 내보내려고 해도 안쪽으로 끌려들어 갑니다. 그리고 블랙홀 중심으로 떨어집니다.
빛보다 빠르게 운동하는 물체는 없기 때문에 빛뿐만 아니라 어떤 물체이든 일단 블랙홀에 들어가면 일정 장소에 머무르지 못한 채 블랙홀 안으로 떨어집니다. 이렇게 떨어진 모든 물체가 블랙홀 중심의 매우 좁은 영역에 갇히고 그곳에서 사라집니다. 이 영역을 '특이점'이라고 합니다.
특이점에서 실제로 물체가 어떻게 사라지는지 또는 우리가 전혀 알 수 없는 형태로 모습을 바꾸는지는 알 수가 없습니다. 또 특이점에서는 시간과 공간 그 자체도 존재하지 않는다고 생각됩니다. 시간과 공간, 물질은 특이점에서 사라져 버립니다.
블랙홀의 안팎에서는 시간 좌표와 공간 좌표가 전혀 달라집니다. 바깥쪽에서 블랙홀에 접근하기 위해서는 무한의 시간이 걸리기 때문에 블랙홀 밖에 있는 사람에게는 블랙홀 안의 시간과 바깥의 시간은 연결되지 않습니다.
한편, 블랙홀 안으로 떨어진 사람에게는 중심을 향한 운동밖에는 허락되지 않습니다. 그것은 마치 바깥의 사람에게 시간은 미래를 향해서만 나아가는 것과 같습니다. 이런 의미에서 블랙홀 안에서는 공간 좌표가 시간처럼 작용한다고 말할 수 있습니다.
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