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미스터리 전체

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14. 블랙홀 미스터리 , 인류가 블랙홀을 만들 수 있는가 인류가 블랙홀을 만들 수 있는가 — 초미니 블랙홀과 여분 차원블랙홀을 만들려면 별 하나를 붕괴시켜야 한다. 적어도 태양 질량의 수 배에 달하는 별이 핵연료를 다 소진하고 자신의 무게를 버티지 못해 중력 붕괴를 일으킬 때 블랙홀이 생긴다. 이것이 표준적인 이해다. 실험실에서 블랙홀을 만든다는 발상은 공상과학 소설의 영역처럼 들린다.그런데 물리학의 한 이론은 그 가능성이 완전히 닫혀 있지 않다고 말한다. 우주에 우리가 경험하는 4차원 시공간 너머에 추가 차원이 존재한다면, 블랙홀 생성에 필요한 에너지 문턱이 현재 기술로 도달 가능한 수준으로 낮아질 수 있다. 인류가 블랙홀을 만들 수 있는가라는 질문은 이 이론을 통해 진지한 물리학의 대화로 진입한다. 1. 블랙홀 생성의 조건과 플랑크 에너지어떤 물체든 충분히..
13. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가 블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가 — M87와 Sgr A의 이면2019년 4월 10일, 인류는 처음으로 블랙홀의 사진을 손에 넣었다. 전 세계 언론이 일제히 같은 이미지를 실었다. 주황빛으로 타오르는 고리, 그 중심에 자리한 어둠. 반세기 넘게 수식과 이론 속에만 존재하던 블랙홀이 마침내 눈에 보이는 형태로 나타났다.그런데 우리가 실제로 본 것은 무엇이었을까. 블랙홀 자체였을까. 아니면 블랙홀이 존재한다는 증거였을까. 이 두 가지는 같은 말처럼 들리지만 물리학적으로 전혀 다른 이야기다. 블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가라는 질문은 그래서 성립한다. 그 사진이 보여준 것보다 보여주지 않은 것이 훨씬 많기 때문이다. 1. 사진에 찍힌 것은 블랙홀이 아니다엄밀히 말해 EHT(사건지평선망원경, Eve..
12. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀에서 에너지를 훔칠 수 있는가 블랙홀에서 에너지를 훔칠 수 있는가 — 펜로즈 과정과 초문명의 가능성블랙홀은 모든 것을 집어삼킨다. 빛도, 물질도, 어떤 신호도 사건의 지평선을 넘으면 돌아오지 않는다. 이것이 블랙홀에 대한 일반적인 이해다. 그런데 물리학은 전혀 다른 이야기를 하나 숨기고 있다. 회전하는 블랙홀에서는 에너지를 빼낼 수 있다.1969년 로저 펜로즈는 회전하는 블랙홀의 에너지를 추출할 수 있는 이론적 메커니즘을 발표했다. 펜로즈 과정(Penrose process)이다. 사건의 지평선 바깥에 존재하는 특수한 영역을 이용하면, 블랙홀의 회전 에너지를 꺼내 우주로 방출시킬 수 있다. 이론적으로 블랙홀 회전 에너지의 최대 29퍼센트까지 추출 가능하다. 수소 핵융합의 에너지 효율이 질량의 약 0.7퍼센트인 것을 감안하면, 블랙홀은 ..
11. 블랙홀 미스터리 , 사건의 지평선 없는 블랙홀 — 나체 특이점은 존재하는가 사건의 지평선 없는 블랙홀 — 나체 특이점은 존재하는가블랙홀에서 가장 두려운 것은 사건의 지평선이 아니다. 그 안에 있는 특이점이다. 특이점이란 밀도가 무한대가 되고 시공간의 모든 법칙이 붕괴하는 지점이다. 물리학이 더 이상 작동하지 않는 곳이다.그런데 사건의 지평선은 이 특이점을 우주로부터 차단한다. 특이점은 지평선 안에 숨겨져 있고, 외부 우주는 그 존재를 알면서도 직접적인 영향을 받지 않는다. 블랙홀이 아무리 위험해도, 적어도 외부 우주의 인과율은 유지된다.그렇다면 사건의 지평선 없이 특이점만 존재한다면 어떻게 될까. 물리 법칙이 붕괴하는 지점이 우주에 그대로 노출된다면. 이것을 나체 특이점(naked singularity)이라고 한다. 로저 펜로즈(Roger Penrose)는 1969년 이것이 불..
10. 블랙홀 미스터리 , 웜홀과 양자 얽힘은 같은 것인가 웜홀과 양자 얽힘은 같은 것인가 — ER=EPR 가설우주 반대편에 있는 두 입자가 서로 연결되어 있다. 한쪽을 측정하는 순간, 아무리 멀리 떨어져 있어도 다른 쪽의 상태가 즉각적으로 결정된다. 이것을 양자 얽힘(quantum entanglement)이라고 한다. 아인슈타인은 이 현상을 두고 "유령 같은 원거리 작용"이라며 못마땅해했다. 어떤 정보도 빛보다 빠르게 전달될 수 없다는 상대성 이론과 충돌하는 것처럼 보였기 때문이다.그런데 2013년, 물리학자 후안 말다세나(Juan Maldacena)와 레너드 서스킨드(Leonard Susskind)가 하나의 논문을 발표했다. 제목은 단순했다. ER=EPR. 여기서 ER은 아인슈타인-로젠 다리, 즉 웜홀을 뜻하고, EPR은 아인슈타인-포돌스키-로젠 역설, 즉 ..
09. 블랙홀 미스터리 , 회전하는 블랙홀의 중심을 통과하면 어디로 가는가 회전하는 블랙홀의 중심을 통과하면 어디로 가는가블랙홀의 중심에는 특이점이 있다. 특이점이란 밀도가 무한대가 되고 시공간의 곡률이 무한히 커지는 지점으로, 현재 물리학이 기술할 수 없는 영역이다. 일반적인 블랙홀에서 이 특이점은 점의 형태를 갖는다. 그리고 블랙홀 안으로 떨어진 모든 것은 결국 이 점으로 빨려 들어가 소멸한다. 끝이다.그런데 회전하는 블랙홀은 다르다. 우주의 블랙홀 대부분은 회전한다. 별이 붕괴할 때 회전 운동량이 보존되기 때문이다. 회전하는 블랙홀을 커 블랙홀(Kerr black hole)이라고 하는데, 1963년 수학자 로이 커(Roy Kerr)가 아인슈타인 방정식의 해로 발견했다. 커 블랙홀의 특이점은 점이 아니다. 링, 즉 고리 형태다. 그리고 이 링 특이점은 이론적으로 통과가 가능..
08. 블랙홀 미스터리 , 우리 우주는 블랙홀 안에서 태어났는가 우리 우주는 블랙홀 안에서 태어났는가우주는 어디에서 왔는가. 이 질문에 물리학은 빅뱅이라는 답을 내놓는다. 약 138억 년 전, 극도로 뜨겁고 밀도가 높은 한 점에서 우주가 팽창하기 시작했다. 그런데 빅뱅 이전에는 무엇이 있었는가. 그 한 점은 어디에서 왔는가. 여기서 물리학은 말을 잃는다.1992년 물리학자 리 스몰린(Lee Smolin)은 이 침묵에 하나의 가설을 밀어 넣었다. 블랙홀의 특이점에서 새로운 우주가 탄생한다. 블랙홀이 물질을 압축하고 압축하다 특이점에 이르면, 그 극한의 밀도가 새로운 빅뱅의 조건을 만들어낸다. 우리가 사는 이 우주도 어딘가의 블랙홀 안에서 태어난 것일 수 있다. 우주는 블랙홀을 통해 자손을 낳고, 그 자손이 또 블랙홀을 만들어 다음 우주를 낳는다. 스몰린은 이것을 우주 ..
07. 블랙홀 미스터리 , 원시 블랙홀이 암흑물질의 정체일 수 있는가 원시 블랙홀이 암흑물질의 정체일 수 있는가우주 전체 질량의 약 27퍼센트를 차지하는 물질이 있다. 빛을 내지도, 반사하지도, 흡수하지도 않는다. 전자기파로는 어떤 방식으로도 감지되지 않는다. 그러나 중력은 행사한다. 은하가 흩어지지 않고 구조를 유지하는 것, 은하단이 예상보다 훨씬 강하게 결합되어 있는 것, 우주 전체의 대규모 구조가 지금과 같은 형태를 갖추게 된 것 — 이 모든 것의 배후에 이 물질이 있다. 물리학자들은 그것을 암흑물질(dark matter)이라고 부른다.문제는 그것이 무엇인지 아무도 모른다는 것이다. 수십 년간 가장 유력한 후보였던 WIMP(약하게 상호작용하는 거대 입자)는 대형 지하 검출기에서 반복적으로 탐색됐지만 아직 직접 검출된 적이 없다. 이 상황에서 전혀 다른 방향의 가설이 ..

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