사실 블랙홀은 검지않다? - 호킹복사이론

다들 아시다시피 블랙홀은 빛을 내지 않습니다. 왜냐하면 블랙홀의 중력이 너무 강해서 빛 조차도 빠져나오지 못하기 때문입니다. 그러다 보니  빛 조차도 빠져나오지 못하는 이 괴물 천체를 블랙홀이라고 이름 짓게 되었습니다. 특히 상대성이론의 표현을 빌리자면, 시공간이 너무나도 많이 휘어져서 빛조차도 빠져나오지 못하는 시점을 사건의 지평선이라고 부르는데, 그 이유는 우주에서 빛보다 빠른 물체가 없기 때문에 이 사건의 지평선부터는 내부에서 어떤 일이 일어나는지 알 방법이 없어서 그렇게 부르게 되었습니다. 그렇다면 이 사건의 지평선 바로 옆에서 내가 궤도를 돌면서 내 손만 그 지평성 안으로 넣게 되면 어떻게 될까요?? 놀랍게도 이렇게 빛 조차도 다 먹어치우는 블랙홀 또한 빛을 냅니다. 스티븐 호킹 박사는 '블랙홀은 완전히 검지 않다.'라고 이야기했습니다. 사실 이렇게 다 빨아먹는 블랙홀이 빛을 낼 수 있는 원리는 반물질에서 잠깐 설명한 양자 요동 덕분입니다. 우주는 아무것도 없는 진공에서 입자들이 생겨났다가 사라지는 현상을 부분적으로 허용하고 있습니다. 

 

 

 

그러니까 아무 이유없이 진공에서 입자가 생겼다가 사라지는 걸 허용한다는 것인데, 부분적으로 허용한다고 말하는 이유는 아주 짧은 시간 동안 입자와 반입자 쌍이 생겼다가 소멸하는 과정을 반복하기 때문입니다. 이렇게 되면 에너지 보존법칙이 깨지는 것으로 생각되지만, 실제로는 플랑크 시간이라고 하는 매우 짧은 시간 동안 일어나는 현상이며, 또한 이후에는 입자와 반입자 모두 소멸되기 때문에 실제 시간에서는 사실상 에너지 보존법칙이 깨지지 않습니다. 그렇다면 왜 이런 현상이 생기는 것일까요? 그것은 사실 현재로써 아무도 모릅니다. 양자역학의 기본개념이 물질은 관측을 당하기 전에는 어디에도 존재하지 않는다는 것이었습니다. 따라서 이런 양자역학의 이상한 현상들을 단지 인간의 관측기술의 한계라고 생각하는 입장에서는 양자 요동 또한 비슷한 관점으로 생각할지도 모릅니다. 그런데, 정말 관측기술의 한계일 뿐일까요..? 단지 인간의 기술적인 한계 때문이라면 호킹 복사 이론에 대해 설명할 수가 없다는 겁니다.

 

 

*호킹복사 이론이란?

호킹 복사의 의미는 결국 맨 처음 설명했던 블랙홀은 완전히 검지 않다는 이야기입니다. 말 그대로 호킹 박사가 예언하였고, 블랙홀에서 빛을 포함한 복사에너지가 나온다는 의미로 호킹 복사라는 명칭이 주어졌습니다. 그러니까 대체 양자 요동으로 왜 블랙홀이 빛을 낼수 있는지 설명하자면 아까 말한대로 입자와 반입자가 양자요동으로 생겨난다고 가정해봅시다. 입자와 반입자는 엄청 짧은 시간만에 다시 사라져야 할 텐데요, 문제는 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 입자와 반입자가 생겨나는 경우입니다. 만약 사건의 지평선 바로 근처에서 입자와 반입자가 생겨났다가 반입자만 블랙홀로 빨려 들어간다면 어떻게 될까요? 쌍소멸을 해야 하는데 반입자는 사건의 지평선 너머로 가버렸기 때문에, 반입자가 존재하는 공간은 우리 우주에서 우리가 관여할 수 없는 다른 공간으로 가버린 겁니다. 그렇다고 홀로 남은 입자 혼자 소멸해 버린다면 에너지 보존법칙에 위배되어버리겠죠? 그러니 이런 원리로 블랙홀 근처에서 양자 요동으로 인해 입자가 생겨나고 블랙홀은 반입자를 빨아들이기 때문에 엄청 느리겠지만 조금씩 질량이 감소한다는 겁니다. 이 호킹 복사를 관측하기 위해 많은 시도들이 이뤄졌으나, 학계에서 인정받은 데이터는 없습니다. 하지만 우리는 이런 호킹 복사가 실존한다는 것을 조심스럽게 유추할수 있는데요, 이유는 이전 CERN에서 빅뱅 실험을 할때, 엄청난 에너지를투입해서 입자를 광속에 가까운 속도로 가속시켜서 충돌을 시켰고, 이때 이론적으로는 초소형 블랙홀이 생겼어야 한다는겁니다.

 

 

*호킹복사 이론의 결론

만약 호킹 복사가 없다면 이 초소형 블랙홀은 지구 내핵까지 떨어지면서 지구의 물질을 흡수하기 시작하여 결국에는 지구전체가 블랙홀에 흡수 되어야합니다. 그러나, 그런일이 일어나지 않는것은 이 호킹복사가 수식으로 알아보면 결국 질량대비 표면적 비율이 클 수록 빨리 소멸한다는 겁니다. 쉽게 이야기하자면, 크기가 작을수록 빨리 소멸한다는 이야기입니다. 따라서 입자충돌 실험으로 블랙홀이 생겼다 하더라도 이론적으로는 찰나의 시간만에 호킹복사로 소멸해야 한다는 겁니다.  CERN의 입자 충돌실험이 블랙홀을 만들어서 지구로 멸망 시킨다는 이유로 입자가속 충돌실험을 반대하는 단체도 있었는데요, 아직까지 우리가 살아있는걸로 봐서는 호킹복사가 존재하는 거겠지요.