[지식보관소] 호킹복사가 이런 거였어? 호킹복사에 대한 이야기

 

 

 

지금까지 제 채널 양자 역학 시리즈에서 제가 설명한 내용들이

단지 인간의 기술적인 한계라면

이제부터 제가 설명할 호킹복사를 설명할 수가 없다는 겁니다.

 

 

--

다들 아시다시피 블랙홀은 빛을 내지 않습니다.

왜냐하면 블랙홀의 중력이 너무나 강해서

빛조차도 빠져나오지 못하기 때문인데요

그러다 보니 빛조차도 빠져나오지 못하는 이 괴물 천체를

‘블랙홀’이라고 이름 짓게 되었습니다.

 

특히 상대성이론의 표현을 빌리자면

시공간이 너무나도 많이 휘어져서

빛조차도 빠져나오지 못하기 시작하는 지점을

'사건의 지평선'이라고 부르는데

그 이유는 우주에서 빛보다 빠른 물체가 없기 때문에

이 '사건의 지평선'부터는

내부에서 어떤 일이 일어나는지 알 방법이 없기 때문에

그렇게 부르게 되었습니다.

 

그렇다면 이 히오스

아니 이 '사건의 지평선' 바로 옆에서

내가 궤도를 돌면서

내 손만 살짝 '사건의 지평선' 내부로 넣으면 어떻게 될까요?

아마 그 순간 내 손은 더 이상 내 손이 아니게 될 겁니다.

 

하지만 놀랍게도 이렇게 빛조차도 다 먹어 치우는 블랙홀도 빛을 내는데요

아니, 모든 빛을 다 흡수하는데 어떻게 빛을 내는 거지? 라고 생각할 수 있겠지만

저명한 물리학 박사 스티븐 호킹 박사는

‘블랙홀은 완전히 검지 않다’라고 표현을 했습니다.

 

참고로 이 얘기를 듣고

‘마, 당연하지

저번에 블랙홀 관측 사진 공개된 거 내가 봤다니까’ 라고 말할 수 있는데

그 사진은 블랙홀에서 나오는 빛을 찍은 게 아니라

블랙홀 주변에서 휘어지는 빛과

블랙홀로 빨려 들어가는 가스들을 촬영한 것이라

이 내용과는 별개입니다.

 

사실 이렇게 다 빨아먹는 히오스, 아니 블랙홀이

빛을 낼 수 있는 원리는

제 채널에서 반물질 편에서 잠깐 설명한 양자요동 덕분입니다.

 

믿어지지 않겠지만

우주는 아무것도 없는 진공에서 입자들이 생겨났다가 사라지는 현상을

부분적으로 허용하고 있습니다.

 

그러니까 아무 이유 없이

진공에서 입자들이 생겼다가 사라진다는 걸 허용한다는 건데

제가 부분적으로 허용한다고 말한 이유는

아주 짧은 시간 동안 입자와 반입자 쌍이 생겼다가 소멸하는 과정을

반복하는 것이 허용된다는 것입니다.

 

이렇게 되면 에너지 보존 법칙이 깨지는 것으로 생각되지만

실제로는 플랑크 시간이라고 하는 매우 짧은 시간 동안 일어나는 현상이며

또한 이후에는 입자와 반입자 모두 소멸이 되기 때문에

실제 시간에서는 사실상 에너지 보존 법칙이 깨지지 않습니다.

 

아니, 근데 대체 이런 일이 생기는 원인이 무엇일까요?

정답부터 말하자면

현재로서는 아무도 정확하게 모른다입니다.

 

사실 양자요동의 원인에 대해서

개인적으로 하고 싶은 말들이 있긴 하지만

이 이상 말하면 그냥 제 뇌피셜이 되기 때문에 여기서 멈추도록 하고

아무튼 양자역학 시리즈를 정독하신 분들은 아시겠지만

양자역학의 기본 개념이

물질은 관측을 당하기 전에는 그 어디에도 존재하지 않는다는 것인데요.

 

따라서 이런 양자역학의 이런 이상한 현상들을

단지 인간의 관측기술의 한계라고 생각하는 입장에서는

뭐 이런 양자 요동도 비슷한 관점으로 생각할 수 있었습니다.

 

그런데 정말 단지 관측기술의 한계일 뿐일까요?

이제부터 소름 돋는 내용이 될 텐데

만약 양자요동을 포함한

지금까지 제 채널 양자역학 시리즈에서 제가 설명한 내용들이

단지 인간의 기술적인 한계라면

이제부터 제가 설명할 호킹복사를 설명할 수가 없다는 겁니다.

 

호킹복사의 의미는

결국 맨 처음 설명했던 블랙홀은 완전히 검지 않다라는 얘기인데요.

말 그대로 호킹형님이 예언하였고,

블랙홀에서 빛을 포함한 복사 에너지가 나온다는 의미로

호킹복사라는 명칭이 붙여졌습니다.

 

그러니까 대체 양자요동으로

왜 블랙홀이 빛을 낼 수 있는지 설명하자면

아까 말한 대로 입자와 반입자가 양자요동으로 생겨난다고 가정해 보겠습니다.

 

얘네 둘은 엄청나게 짧은 시간 만에 다시 사라져야 할 텐데요.

문제는 블랙홀의 '사건의 지평선' 근처에서

입자와 반입자가 생겨나는 경우입니다.

 

아까 '사건의 지평선'에 손을 넣으면

그 손은 이미 내 손이 아니게 된다는 걸 설명했는데요

만약 '사건의 지평선' 바로 근처에서

입자와 반입자가 생겨났다가

만약 반입자만 블랙홀로 빨려 들어가게 된다면 어떻게 될까요?

 

네, 쌍소멸을 해야 되는데

반입자는 '사건의 지평선'으로 넘어가 버렸기 때문에

반입자가 존재하는 공간은 우리 우주에서

우리가 관여할 수 없는 다른 공간으로 가버린 겁니다.

 

그렇다고 홀로 남은 입자 혼자 소멸해 버린다면

이건 또 에너지 보존 법칙에 위배되겠죠.

 

그러니까 이런 원리로

블랙홀 근처에서 양자요동으로 인해 입자가 생겨나게 되고,

블랙홀은 반입자를 빨아들이기 때문에

물론 엄청 느리지만 조금씩 질량이 감소한다는 겁니다.

 

사실 이 호킹복사를 관측하기 위해 많은 시도들이 이루어졌으나

학계에서 인정받는 데이터가 나온 건 없습니다.

 

하지만 우리는 이런 호킹복사가 실존한다는 걸 조심스럽게 유추할 수 있는데요.

이유는 이전에 CERN에서 빅뱅 실험을 할 때

엄청난 에너지를 투입해서 입자를 광속에 가까운 속도로 가속시켜서 충돌을 시켰고

이때 이론적으로는 초소형 블랙홀들이 생겼어야 한다는 겁니다.

 

만약 호킹복사가 없다면, 이 초소형 블랙홀은

지구 내핵까지 떨어지면서

지구의 물질들을 흡수하기 시작할 것이고

지구는 결국에는 전체가 이 블랙홀에 흡수돼야 합니다.

 

그러나 그런 일이 일어나지 않은 건

이 호킹복사가 수식으로 알아보면

결국 질량 대비 표면적 비율이 클수록 빨리 소멸한다는 건데요.

그러니까 쉽게 말하면 크기가 작을수록 빨리 소멸한다는 얘기예요.

 

따라서 입자 충돌 실험으로 블랙홀이 생겼다고 하더라도

이론적으로는 찰나의 시간 만에 호킹복사로 소멸해야 한다는 겁니다.

 

하여간 이런 CERN의 입자 충돌 실험이 블랙홀을 만들어서

지구를 멸망시킨다는 이유로

입자가속 충돌 실험을 반대하는 단체도 있었는데요

아직까지 제가 살아있는 걸로 봐서는 호킹복사가 존재하는 거겠죠?