우리가 알고 있던 화이트홀은 전부 잘못되었다! | 물리학자가 발견한 화이트홀의 진짜 정체?!

블랙홀은 우주의 가장 거대하고 어두운 비밀입니다 블랙홀 속에 들어가면 어떻게 될까 또 우주에서 가장 거대한 블랙홀은 얼마나 거대질량 관련해 가장 궁금해하는 이슈들이 그리고 항상 블랙홀 하면 또 빠지지 않고 등장하는 중요한 키워드가 있습니다 바로 화이트홀이 블랙홀 직역하면 검은 구멍입니다 그리고 정확하게 그 반대 개념인 하얀 구멍 바로 화이트홀이 있죠 흔히 블랙홀을 수영장 바닥에 뻥뚫린 배수구 생각합니다 무작정 주변에 있는 것들을 모두 빨아들이는 시공간에 뻥 뚫린 구멍처럼 생각하죠 그리고 자연스럽게 이런 질문이 따라옵니다 결국 블랙홀이 모든 걸 다 빨아들이는 존재라면 그 집어삼킨 것들은 대체 어디로 사라지는 걸까요 먹는 입이 있다면 나중에 다시 나오는 똥구멍이 듯이 블랙홀이 집어삼킨 물질도 결국 어딘가로 빠져나와 하는게 아닐까요 그렇게 많은 사람들은 블랙홀의 정반대 즉 모든 걸 빠 드리는게 아니라 모든 걸 토해내기만 하는 화이트홀이 개념을 상상합니다 블랙홀은 일찍이 그 존재가 예측되었고 그리고 이젠 그 실제 모습을 지구 저역에 전파 원경을 총 동원해서 확인까지 할 수 있습니다 블랙홀은 더 이상 상상 속의 존재가 아니죠 실제로 존재하고 우리님이 그 모습까지 확인했습니다 하지만 화이트홀은 다릅니다 지금까지 화이트홀의 실제 모습을 관측한 적은 없죠 심지어 꽤 많은 천문학자 물리학자들은 화이트홀의 존재 자체에 대해서 회의적이 합니다 만약 화이트홀이 우주에 정말 존재하고 있다면 단지 우리가 아직 그 모습을 발견하지 못했을 뿐이라면 우린 대체 어디를 찾아봐야 하는 걸까요 얼핏 생각하면 블랙홀과 정 반대로 모든 물질과 에너지를 토해내는 존재일 테니 막된 에너지를 사방으로 토해내고 있는 아주 밝은 곳을 보면 되지 않을까 생각할 수 있습니다 하지만 바로 그 부분이 우리가 화이트홀과 관련해 하고 있는 가장 큰 착각 중에 하나인데요 만약 화이트홀을 찾고 싶다면 그저 밝기 빛나고 있는 곳을 봐선 안 될지도 모릅니다 우주먼지 현자 타임즈 어쩌면 이미 우리 주변 어둠 속에 숨어 있을지 모르는 화이트홀의 놀라운 가능성에 대한 이야기를 소개합니다 이탈리아의 물리학자 카를로 로벨리의 대다수의 물리학자들이 생각하고 있던 블랙홀과 화이트홀 이미지가 사실 고정 관념에 갇힌 오해 수 있다고 지적합니다 우선 블랙홀의 특이점에 대해서 생각해 볼까요 보통 우주에서 가장 쉽게 볼 수 있는 일반적인 블랙홀은 태양보다 수십배 더 무거운 질량을 갖고 있던 별들이 진화를 마치고 한꺼번에 빠르게 붕괴할 때 만들어집니다 참고로 많은 사람들이이 과정에서도 흔히 하는 중요한 착각이 있는데요 별이 마지막 순간 초신성 폭발을 하고 나면 그 중심에 남는 찌꺼기가 블랙홀이 된다고 생각하는 경우가 많습니다 하지만 그렇지 않습니다 핵융합을 마친 별의 중심부가 붕괴되면 사방으로 빠르게 중성미자를 비롯한 고에너지 입자가 분출됩니다 이때 너무나 많은 양의 에너지가 사방으로 흩어지면 밖에서 안으로 함께 무너지고 있던 별의 껍질 과 부딪히게 되죠 결국 별의 외곽 물질들도 다시 바깥으로 반동하는 빠르게 튕겨 날아갑니다 이것이 우리가 보는 초신성 폭발이 보통 이런 초신성 폭발이 벌어지고 나면 중심엔 중성자 별 정도가 남습니다 그런데 만약 애초 붕괴한 별의 중심 질량이 너무나 무거웠다 men 안에서 빠져나오는 고에너지 입자들의 힘마저 짓누를 수 있죠 그리고 그 어떤 폭발도 하지 않고 별 전체가 순식간에 하나의 점으로 붕괴할 수 있습니다 이것이 바로 별이 죽을 때 남기는 블랙 이죠 즉 요약하자면 무거운 별의 죽음은 크게 두 가지의 방향으로 흘러간다고 볼 수 있습니다 초신성 폭발을 하면서 그 중심에 중성자별 정도를 남기는 경우 그리고 초신성 폭발조건 붕괴하면서 그저 블랙 홀만 남기는 경우 이렇게 정리할 수 있죠 초신성으로 아름답게 터질 것이냐 아니면 아무런 폭발 없이 그저 한꺼번에 블랙홀로 붕괴할 것이냐이 두 개 갈림길 중에서 하나를 따른다고 보면 좋습니다 이렇게 탄생한 블랙홀은 사실 상 거의 한 점에 붕괴된 별 전체 질량이 모여 있는 존재죠 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 시공간은 질량에 의해서 휘어지고 왜곡됩니다 질량이 더 무거울수록 시공간은 더 크게 왜곡되지 그리고 중력이 더 강한 곳에서 즉 공간이 더 크게 왜곡된 곳에선 시간이 느리게 흘러갑니다 블랙홀의 중력이 워낙 강하다 보니 아주 극단적인 상황까지 생각해 볼 수 있는데요 블랙홀에서 적당히 멀리 벗어난 지점에선 아직 시공간에 왜곡된 정도가 크지 않습니다 따라서 충분히 빠른 속도만 낼 수 있다면 블랙홀 쪽으로 계속 빨려 들어가지 않고 무사히 밖으로 도망갈 수 있지요 하지만 블랙홀 주변에 너무 지나치게 가까이 접근하면 위험할 수 있습니다 시공간이 너무 깊고 가파르게 휘어지지 그 가파른 시공간의 공유를 벗어나 바깥으로 탈출하기 위해선 빛보다도 더 빠른 속도가 필요합니다 다시 말해서 우주에서 가장 빠른 빛조차 블랙홀의 지나치게 강한 중력으로부터 벗어날 수 없게 되는 거죠 블랙홀 주변에 얼마나 가까이 접근해야 빛이 빠져나올 수 없기 시작하는지 블랙홀 곁에 가장 가까이 다가갈 수 있는이 경계를 사건의 지평선이 부릅니다 이미 일찍이 아인슈타인의 상대성이론은 이런 극한의 상황을 예견했습니다 하지만 정작 아인슈타인 본인은 처음엔 이런 개념이 불가능할 거라 생각했죠 아인슈타인도 수하게 보여주는 우주의 진리를 순수하게 받아들일 수 없었던 셈입니다 이제 블랙홀의 사건의 지평선을 넘어서 그 중심을 향해 빠져 들어가는 여행을 한다고 생각해 보겠습니다 우주선이 아주 튼튼해서 부서지지 않는다고 가정한다면 그 안에 타고 있는 우리들은 대체 어떤 변화를 느끼게 될까요 놀랍게도 아무런 변화를 느낄 수 없을 겁니다 블랙홀에서 멀리 벗어나서 평범한 우주 공간을 여행하든 또는 사건의 지평선 경계를 아슬아슬하게 맴돌던 심지어 사건의 지평선 넘어 그 속으로 들어가더라도 우리에게 우리의 시간은 계속 똑같이 흘러가죠 대신 사건의 지평선에 가까이 접근하고 있는 우리를 누군가 멀리서 지켜본다면 그에게는 전혀 다른 모습으로 보일 겁니다 그 사람이 봤을 땐 점점 우리의 시공간이 느려지다가 결국 사건의 지평선에 도달하는 그 순간 그대로 얼어붙어서 영원히 시간이 멈춘 것처럼 보이겠죠 이것이 바로 상대성 이론의 참 묘한 부분입니다 내가 무슨 짓을 하든 어디에 있든 내가 본 나 자신의 시간은 항상 문제없이 똑같이 흘러갑니다 단지 내가 아닌 다른 관찰자가 바라본 나의 시간만 다르게 보일 뿐이죠 이해를 돕기 위해서 3차원의 시공간을 2차원의 평면으로 한 단계 낮춰 보겠습니다 블랙홀은 그 2차원 시공간을 끝없이 깊 게 파고 들어가는 깊은 구덩이 아고 볼 수 있죠 시간이 지날수록 블랙홀은 계속해서이 시공간의 구덩이를 더 좁고 깊게 파고 들어갑니다 끝없이 무한하게 파이는 거 같지만 그렇다고 해서이 구동의 깊이가 정말 무한하게 어지는 건 또 아닙니다 시간이 흘러가면서 더 깊이 더 빠르게 내려갈 뿐이죠이 구동의 가장 아랫 부분엔 스스로 붕괴하면서 블랙홀을 만들었던 그 별이 여전히 존재합니다 그런데 분명 진화를 마친 별은 불과 몇 초 만에 순식간에 붕괴하면서 사라집니다 그렇다면 대체 어떻게 블랙홀은 이런 훨씬 긴 시간 동안 계속 존재할 수 있는 걸까요 바로 여기에서 상대성 이론의 시간의 마법이 또 펼쳐집니다 사건의 집 평선 바깥이 살고 있는 우리에게서나 아주 짧은 시간이 지났을뿐입니다 사건의 집 평선 넘어 그 깊은 곳에 살고 있는 블랙홀의 시간은 훨씬 더 오랫동안 길게 흘러가죠 즉 블랙홀의 특이점이라 건 블랙홀 한 가운데 중심이 있는 것이 아닙니다 지금보다 시간이 더 지난 시점 바로 미 미래에 존재한다고 볼 수 있지요 그렇다면 정말 붕괴된 별은 끝없이 영원히 붕괴할 그요 여기에서 물리학자 로벨리의 그렇지 않다는 모델을 제시합니다 결국 계속 작아지던 붕괴된 별은 그 스케일이 양자역학적으로 허용할 수 있는 가장 작은 스케일 소위 플랑크 스케일에 도달하게 되면서 붕괴를 멈출 수 있죠 무너지던 별이 갑자기 붕괴를 멈춘다면 또 그다음은 어떤 일이 펼쳐질까요 이건 마치 바닥에 떨어뜨린 공이 다시 위로 떠오르는 것과 같습니다 공이 다시 튀어오르는 것처럼 한개 도달했던 붕괴한 별은 다시 빠르게 튀어오를 수 있지요 이건 정확하게 아인슈타인의 일반 상대성 이론해 블랙홀이 만들어지는 과정에서 시간의 방향만 거꾸로 바꾼 것에 불과합니다 즉 블랙홀이 만들어지는 과정이 똑같이 시간의 흐름만 정 반대가 되어서 진행될 수 있다면 너무나 간편하게 화이트 홀도 가능할 수 있지요 그렇다면 플랑크 스킬까지 붕괴했다이 시공간의 구덩이 깊은 곳 별의 자네는 어떻게 순식간에 시간의 흐름을 거꾸로 돌려서 화이트 홀로 변 신할 수 있을까요 여기에서 로벨리의 양자 역학이 지배하는 미시 세계에서 너무나 잘 통용되고 있는 아주 간단한 현상을 활용합니다 바로 양자 터널링이 아주 작은 양자 역학적인 스케이 되면 모든 존재는 파동의 성질을 더 강하게 갔습니다 심지어 벽을 뚫고 그 반대편으로 통과까지 할 수 있죠 이러한 현상을 양자 터널링 효과라고 부릅니다 실제 태양과 같은 일반적인 별 내부에서도 서로 밀기만 하던 양성자들이 더 큰 덩어리로 충돌하고 결합하는 과정에서도 이 양자 터널링 효과가 두 입자 사이에 청력을 뚫고 융합할 수 있도록 도와주죠 비슷한 맥락에서 블랙홀의 구덩이 속에 붕괴된 별이 양자 터널링 효과를 겪게 된다면 순식간에 시간의 방향이 거꾸로 흘러가는 화이트홀의 형성으로 돌입할 수 있습니다 블랙홀의 사건의 지평선 너머로 빠져 들어가면 결국 끝없이 구덩이 속을 향해 추락하지 그 바깥으로 탈출하는 건 불가능합니다 반대로 화이트홀의 사건의 지평선 안쪽으로 들어갈 수 없죠 그렇다면 이러한 차이를 활용해서 블랙 홀과는 다른 화이트홀의 존재를 실제 관측으로 확인할 수도 있지 않을까요 즉 우리가 살고 있는이 바깥 우주에서 봤을 때 블랙홀의 겉모습과 화이트홀의 겉모습은 어떤 차이를 기대할 수 있을까요 당황스럽게도 차이가 없습니다 얼핏 생각하면 이상하게 들릴지 모르겠습니다 만약 여러분이 블랙홀과 화이트홀의 사건의 지평선 쪽으로 천천히 접근하고 있다고 생각해 보겠습니다 그리고 그 모습을 멀리서 누군가 지켜본다고 생각해 볼게요 여러분은 블랙홀의 사건의 지평선은 그대로 넘어서 쑥 들어갈 겁니다 그리고 그 속에 숨어 있는 블랙홀을 향해서 끝없는 추락을 하게 되겠죠 반대로 화이트홀의 경우 사건의 지평선 넘어 그 안쪽으로 넘어갈 수 없습니다 결국 여러분은 화이트홀의 사건의 지평선 그 경계에 그대로 멈춰 있게 되겠죠 그렇다면 결국 화이트홀과 블랙홀은 겉에서 봤을 때 뚜렷한 차이가 있어야 하는 거 아닐까요 하지만 바로 여기에서 아주 극도로 강한 중력 주변에서 시간이 느리게 흘러가는 아인슈타인의 상대성 이론의 마법이 또 다시 펼쳐집니다 블랙홀 주변 사건 사건의 지평선에 천천히 접근하게 되면 밖에서 봤을 땐 점점 시간이 느려지다가 결국 사건의 지평선 그 경계에서 영원히 멈추는 것처럼 보이겠죠 결국 블랙홀이 화이트홀이 사건의 지평선 경계에 도달한 여러분의 모습을 누군가 멀리서 바라본다면 똑같이 그 경계에 얼어붙은 채 영원히 멈춰 있는 모습으로 여러분을 보게 될 겁니다 아무런 차이를 확인할 수 없다는 거죠 이것이 바로 로벨리 이야기하는 화이트홀의 참으로 미묘한 점입니다 사건의 지평선 안에서 분명 블랙홀과 화이트홀에서 벌어지는 현상은 정 반대가 됩니다 하지만 그 둘의 차이는 사건의 지평선 안에서만 존재하죠 바깥 세계에서는 차이가 없습니다 그렇다면 한번 붕괴했다 다시 반등을 하면서 화이트 홀르 벤 실한이 존재는 영원이 사라지지 않고 우주가 망할 때까지 남아 있게 될까요 그렇진 않을 겁니다 블랙홀의 최후에 대해선 이미 물리학자 스티븐 호킹이 깔끔한 예측을 남겼죠 블랙홀의 사건의 지평선의 경계에서 음의 에너지는 블랙홀 쪽으로 흘러들어가고 결국 블랙홀은 마치 사방으로 입자를 방출하는 것처럼 보이는 블랙홀의 증발 과정 호킹 복사를 겪게 됩니다 이것은 정확하게 온도를 머금고 있는 물체가 열을 바깥으로 퍼트리는 열적 복사와 비슷하죠 그리고 바로 열의 흐름이라는 것은이 우주에서 시간이 결국 하나의 방향으로 흘러가고 있음을 알 수 있게 해주는 유일한 단서입니다 사건의 지평선 내부에서는 아인슈타인의 방정식 속에 시간이 반대로 흘러가는 화이트 홀도 가능하지만 결국 우주 바깥에서 해서 본다면 블랙홀도 천천히 증발하면서 질량이 가벼워지는 시간의 화살에 놓일 수밖에 없죠이 모든 과정은 사건의 지평선 바깥에 있는 우리가 봤을 땐 정말 오랜 세월이 걸리는 것처럼 보일 겁니다 하지만 사건의 지평선 안쪽에선 모두 순식간에 벌어지죠 별 전체가 붕괴하고 플랑크 스케를 거쳐 다시 화이트홀이 되기까지 아주 짧은 찰라 시간이 지나갑니다 하지만 그 사이 바깥의 우주는 수십억 년이 지날 수 있지요이 과정에 대해서 물리학자 로벨리의 이렇게 이야기하 있습니다 플랑크 별은 반등의 미래로 가는 지름길이다 바깥에선 영겁의 시간이 흘러가지만 잠시 안전하게 숨을 수 있는 길이다이 가설을 받아들일 수 있다면 우린 한 가지 더 놀라운 가능성도 생각해 볼 수 있습니다 아주 긴 시간이 지난 끝에 만들어진 화이트홀은 결국 어떤 모습이 될까요 결국 호킹 복사를 통해서 갖고 있던 에너지와 질량 대부분을 잃어버린이 플랑크 별은 밖에서 봤을 때 아주 미세한 에너지만 미미하게 방출하는 작은 덩어리에 불과할 겁니다 놀랍 게도 그 속에는 미래를 향해서 끝없이 이어지는 아주 광할한 세계가 있겠지만 최후에 도달한 화이트홀은 물리적으로 존재할 수 있는 가장 작은 질량 플랑크 질량 정도로 남게 되겠죠 사건의 지평선 크기가 플랑크 스케일보다 더 짧아질 수 없기 때문에 결국 화이트홀은이 정도 질량지수 수 있습니다 그리고 이건 거의 털 한올에 불과한 아주 작은 질량이 만약 빅뱅 직후 초기 후에서 한꺼번에 아주 많은 암흑물질 덩어리가 수축했다 수많은 원시 블랙홀이 만들어 었다면 어떨까요 그리고 그것들 대부분이 현재까지 서서히 질량을 줄여가면서 털 한 올 정도밖에 안 되는 작은 화이트 홀로 남게 되었다면 과연 우리가 그 존재를 찾을 수 있을까요 마치 제 방 한가득 제가 키우는 고양이의 털들이 공기 중에 둥둥 떠다니는 것처럼 0.1g 잔대는 작은 화이트홀 조각들이 우리 주변 우주 공간을 떠돌고 있을지도 모르겠습니다 비록 화이트홀 한 홀의 질량은 너무나 미미하겠지만 또 너무나 작아서 보이지 않겠지만 그 수가 만약 셀 수없이 많이 존재한다면 어쩌면 우주 전체 질량에 꽤 많은 부분을 찾아오고 있을지도 모릅니다 어쩌면 우리가 아직도 정확한 존재를 파악하고 있지 못한 암흑물질 다크매터의 진짜 정체가이 우주 공간을 가득 채우고 떠돌고 있는 수많은 화이트홀 조각 들인 것은 아닐까요 물리학자 로벨리 선사하는이 화이트 홀로 떠나는 긴하인 여정은 마치 연옥의 깊은 구덩이 속으로 여행을 떠났던 단태의 신곡을 떠올리게 합니다 지옥의 문턱에서 베르길리우스 따라 단태는 끝없는 연옥으로 빠져 들어갑니다 하지만 마치 블랙홀의 사건의 지평선 경계에서 아인슈타인의 상대성 이론이 양자 역학이라는 새로운 관문을지나 화이트홀이 향하는 미래의 시공간으로 빠져나가는 것처럼 단태 앞에는 다시 밝게 빛나는 베아트리체가 등장하지요 그리고 단태는 이제 베아트리체 인도를 받아 눈부신 태양을 향해 우주 너머로 벗어납니다 스티븐 호킹은 블랙홀의 특이점을 연구하면서 수학적으로 봤을 때 결국 블랙홀의 특이점이 빅뱅 직후의 높은 밀도로 뭉쳐 있 있던 우주의 상태나 별반 다르지 않다는 사실을 발견합니다 그리고 여기에서 영감을 받은 많은 물리학자들은 어쩌면 우주를 떠도는 수많은 블랙홀의 특이점 속에도 또 다른 거대한 우주가 존재하지 않을까 생각하기도 하죠 어쩌면 우리가 살고 있는이 우주도 또 다른 더 거대한 블랙홀 속 사건의 지평선 안에 갇혀 있는 세계일지도 모릅니다 블랙홀의 사건의 지평선 바깥으로 벗어날 수 없듯이 우리도 관측 가능한 우주 경계 너머로 벗어나지 못하죠 그리고 비슷한 맥락에서 또 다른 재밌는 이야기를 생각해 볼 수 있습니다 거대한 우주의 사건의 지평선 안에 갇힌 채 우주의 모든 물질이 한 점으로 모여드는 수축의 과정을 단지 시간의 방향만 거꾸로 돌려서 다시 역재생하면 그것은 곧 우주 시공간이 사방으로 빠르게 넓어지는 과정 빅뱅과 같습니다 어쩌면 우리가 살고 있는이 우주를 만들었던 그 빅뱅이라는 순간이 바로 진정한 화이트홀이 였을지도 모릅니다 3차원 4차원 그리고 더 높은 수학적인 차원의 우주를 이야기하는이 21세기 현대 천문학의 가장 미스터리한 존재가 가장 낮은 차원 바로 점 영 차원에 해당하는 블랙홀과 화이 홀이라는 것은 참으로 신비로운 미스터리가 아닐까 생각합니다 오늘은 여러분께 아주 따끈따끈한 과학 신간을 소개해드리고 싶은데요 블랙홀과 화이트홀을 연구하는 이탈리아의 물리학자 카로 로벨리 직접 들려주는이 우주의 가장 거대한 미스터리 화이트 홀에 대한 아주 디테일한 이야기가 담겨 있는 책입니다 제목부터 솔직하고 담백한 화이 홀리지 실제로 저도 저도이 책을 보면서 저도 미쳐 디테일하게 이해하지 못했던 화이 홀이라는 낯선 개념에 대해서 굉장히 쉽게 이해할 수 있었습니다 여러분도 지옥의 경계를 벗어나 더 깊은 연옥으로 빠져들었던 신곡의 단체처럼 그리고 로벨리 인도를 따라 블랙홀의 사건의 지평선 넘어 그 속에 숨어 있는 화이트홀의 비밀을 만나 보시길 바라겠습니다 우주먼지 현재 타임즈 오늘은 여기에서 마칩니다 구독과 좋아요도 부탁드릴게요 우주 먼저 여러분 감사합니다 안녕 [음악]