지역별 뉴스를 확인하세요.

많이 본 뉴스

광고닫기

[박종진의 과학 이야기] 특이점

우리는 무엇인가 일반적이거나 정상적이지 않을 때 특이하다고 말하는데 물리학에서 특이점(特異點 singularity)이란 그런 정상적이지 않은 곳을 의미하며 예를 들어 블랙홀의 중심이 그 좋은 예다. 블랙홀이란 우리 태양보다 큰 별이 수명을 다하며 자기 중력을 이기지 못하고 붕괴하여 생긴 천체를 말하는데 현재 우리가 일궈놓은 물리학으로 설명할 수 없다. 쉽게 얘기해서 부피는 없는데 그 밀도가 무한대인 천체를 말하는데 아직은 공상과학 소설이나 영화의 단골 소재다.   아인슈타인과 같은 시기에 활동했던 독일의 물리학자 슈바르츠실트는 질량을 가진 물체가 작아지는 속도가 어느 순간 그 표면을 떠난 빛의 속도와 같아지게 되는 가정을 했다. 태양과 같은 별은 핵융합 반응으로 빛을 내는 동안 터지려는 복사압과 별 내부에서 중력이 끌어당기는 힘이 평형을 이루어 안정된 기간을 갖지만, 재료인 수소가 고갈되면 중력에 의해서 수축한다. 바로 슈바르츠실트가 생각했던 천체의 마지막 모습, 즉 블랙홀이 된다. 그래서 슈바르츠실트는 블랙홀의 선구자라고 불린다.     나중에 존 휠러라는 물리학자가 '중력적으로 완전히 붕괴한 물체'라는 조금 긴 표현을 썼다가 어느 강연 회장에서 한 청중이 차라리 간단히 Black Hole이라고 하면 어떻겠냐고 건의해서 그렇게 이름 지어졌다. 그런데 말하기 좋아하는 사람들이 Black이라면 왠지 저속한 성적 표현 같아 보인다며 우려했지만, 휠러는 고지식하고 근엄한 유대인 과학자였기 때문에 Black Hole이란 정식 이름을 갖게 되었다. 휠러는 웜홀(wormhole)이란 단어를 최초로 사용했던 과학자이기도 하다.   블랙홀은 자체의 질량에 따라서 그 반지름이 정해지는데 이를 슈바르츠실트 반지름이라고 부른다. 블랙홀의 특이점에 이르면 중력이 거의 무한대에 가까우므로 빛조차도 다시 돌아올 수 없다. 그래서 그 경계선을 사건의 지평선(Event Horizon)이라고 부른다. 138억 년 전에 빅뱅으로 시작한 빅뱅 우주도 처음에 그런 특이점에서 시작했다고 가정하는 것이 현대 물리학이다.     뉴턴에서 아인슈타인에 이르는 고전물리학을 지나고 양자역학까지 섭렵한 인류지만 아직 우리의 물리학으로 블랙홀의 특이점을 설명할 수 없다. 현재까지의 관찰에 의하면 블랙홀의 주위는 매우 빠르게 회전한다. 그래도 우주의 법칙상 그 회전 속도가 빛의 속도를 능가할 수는 없다. 중심이 빛에 버금가는 속도로 회전하다 보니 공간에 구멍이 생기게 되고 그래서 보이지 않는 구멍이란 의미에서 블랙홀이란 이름이 붙었다. 구멍의 가장자리가 바로 사건의 지평선이고 그 경계를 지나면 빛을 포함하여 아무것도 돌아올 수가 없다. 바로 특이점이다.     현대 우주론의 대세는 빅뱅우주론이다. 138억 년 전 시간도 공간도 없던 시절 시작한 우주는 지수함수적인 팽창을 하여 지금에 이르고 있다. 그곳이 바로 특이점이다. 우리는 무엇인가 알 수 없는 것에 x(X-선 촬영, 방정식에서의 x항), 암흑(암흑물질, 암흑에너지) 그리고 블랙(블랙홀)이란 접두사를 붙였다. 과학의 발달로 점차 윤곽이 드러나는 블랙홀도 조만간 그 특이점을 설명할 수 있는 공식이 나올 것이다.     지금은 전기 에너지의 시대다. 그러나 고작 300년 전만 하더라도 인류는 전기를 동력원으로 사용할 것이라는 사실을 꿈도 꾸지 못했다. 마찬가지로 특이점의 비밀이 풀리는 그날도 곧 올 것이다. (작가)     박종진박종진의 과학 이야기 특이점 특이점 singularity 물리학자 슈바르츠실트 회전 속도

2024-10-18

[박종진의 과학 이야기] 블랙홀 물리학

우주를 이루는 가장 기본단위는 별이다. 밤하늘에 반짝이는 무수히 많은 별 중에는 북극성도 있지만, 우리가 사는 지구가 속한 별인 태양도 사실 그 중 하나다. 태양과 같은 별이 수천억 개가 모여서 은하를 이루고 그런 은하가 또 수천억 개가 모여서 비로소 우주가 된다.     슈퍼컴퓨터를 시뮬레이션 하면 은하들이 마치 거미줄처럼 퍼져 있는 우주거대구조를 볼 수 있는데 그 모양은 놀랍게도 우리의 뇌와 생김새가 흡사하다. 은하끼리 연결된 모양이 마치 뉴런(신경세포)과 시냅스(신경세포접합부)로 이루어진 사람의 뇌처럼 생겼다. 작은 것들이 모여서 큰 것으로 진화할 때 그런 모양으로 되는 것이 가장 효율적이기 때문이라고 한다.     어쨌거나 우리는 빅뱅으로부터 시작하여 팽창하는 우주 끝을 가늠하는 지경에 이르렀다. 최근에 모든 은하마다 그 중심부에 초거대질량 블랙홀이 있다는 사실도 알게 되었다. 어쩌면 아주 머나먼 미래에 온 우주를 평정한 극초대형블랙홀의 특이점이 폭발하면서 새 우주가 시작할지도 모른다.   천체물리학의 약점은 실험해볼 수 없다는 것이다. 과학이란 관찰과 실험을 통해 증명할 수 있어야 하는데 그럴 수 없다면 그것은 오히려 철학의 범주에 든다. 백 년쯤 전 아인슈타인이 한창 뜨던 시절에 양자역학이란 기상천외한 물리학이 등장해서 지금까지 많은 사람의 골칫거리가 되고 있다. 거시세계에서는 잘 들어맞았던 물리학이 아원자의 세계에서는 통하지 않는 일이 생겼다.     곱셈의 답은 곱하는 것의 순서와 관계가 없어야 한다. 3 곱하기 5가 15라면, 당연히 5 곱하기 3도 15여야 한다는 말이다. 그런데 곱할 것의 순서를 바꾸니 답이 다르게 나오는 행렬역학이 등장한 것도 이 무렵이다. 아인슈타인이 길고도 어려운 수학 계산으로 추측했던 블랙홀이 그 실체를 드러내자 그나마 연명하던 물리학에 문제가 생겼다. 블랙홀 사건의 지평선까지는 멀쩡하다가도 거기만 넘어서면 건전한 물리학은 더는 정상 기능을 하지 못했다. 블랙홀을 다룰 수 있는 정도의 물리학이 있어야 빅뱅을 설명하고, 급팽창과 가속팽창 하는 우주를 이해할 수 있을 텐데 우리는 아직 그 단계에 다가서지 못했다.   오래 전에 세균의 존재를 몰랐을 때는 병이 전염되는 이유를 알 수 없었다. 그런 어느 날 현미경으로만 보이는 세균이란 것이 병을 옮긴다는 사실을 알았다. 처음 라듐이 발견되었을 때, 그 신기한 것이 무조건 좋은 것인 줄 알고 치약에도 넣고 화장품에도 첨가했다. 접촉하면 생길 방사성 물질 피폭 위험을 몰랐다.     인수분해와 근의 공식을 깨우친 중학생에게 고등학교 미적분을 내놓으면 같은 수학인데도 전혀 이해하지 못한다. 아직 그 수준이 되지 못해서다. 지금 우리의 물리학은 고전물리학을 지나 막 양자역학을 이해하려는 단계에 와 있다. 블랙홀의 특이점을 이해하기는 아직 갈 길이 먼 형편이다.   138억 년 전 우주의 모든 것이 한 점에 모여 있었다. 부피는 없지만, 질량이 무한대인 블랙홀 특이점 같은 것이 한계를 견디지 못하고 폭발하여 생긴 것이 우주인지 모른다. 중력, 전자기력, 약한 핵력, 그리고 강한 핵력 등 우주의 모든 힘을 모두 아우를 수 있는 더욱 고차원적인 블랙홀 물리학이 기대된다. (작가)       박종진박종진의 과학 이야기 블랙홀 물리학 블랙홀 물리학 블랙홀 특이점 초거대질량 블랙홀

2023-07-07

많이 본 뉴스




실시간 뉴스