5차원 시공간과 우주의 구조 (2)-8 양자중력공간 이론 논문

7. 블랙홀의 이론적 관점

1916년 독일의 물리학자 칼 슈바르츠실드는 일반상대성이론을 이용하여 탈출 속도가 광속 이상이 되지 못하면 빛이 그 별 바깥으로 나갈 수 없게 되는 블랙홀의 반지름을 계산하였다. 이를 ‘슈바르츠실드 반지름’이라 부른다. 이는 ‘사상의 지평면의 반지름’을 뜻한다.[29]




 : 블랙홀의 질량
 : 슈바르츠실드의 반지름

그런데 사상의 지평면의 개념은 어떤 물체도 블랙홀 내부에서 광속 이상의 속도를 가지고 달리지 못함을 전재로 한다. 따라서 초광속을 허용하는 활동성 블랙홀의 경우에는 사상의 지평면은 그 의미를 상실하고 백열전구처럼 밝은 지평면을 형성하며 초광속을 허용하지 않는 비활동성 블랙홀의 경우에는 빛이 밖으로 방출되지 못함으로 어두운 지평면을 형성하는 것으로 추정된다.

지금까지 사상의 지평면을 관례적으로 블랙홀의 바깥 경계로 보아왔다. 따라서 이러한 관례를 그대로 이어받아, 활동성 블랙홀이든 비활동성 블랙홀이든 상관없이 사상의 지평면을 블랙홀의 바깥 경계로 보게 된다. 즉, 블랙홀이란 중앙에 이상적인 특이점을 가지고 사상의 지평면을 가장 바깥 경계로 가지는 공간 구조물이라 정의할 수 있게 된다(그림 37).

 

찬드라세카르는 태양 질량의 1.4배 이상인 죽은 별은 자체 중력을 지탱하지 못할 것이라 했고 오늘날에는 이 질량을 찬드라세카르 한계라고 부른다. 질량이 태양의 1.4배 이하인 별은 죽으면 백색왜성이 될 것으로 추정하며 백색왜성을 지탱시키는 것은 그 물질 속에 들어 있는 전자들 사이에서 작용하는 배타원리의 반발력으로 보고 있다. 질량이 태양 질량의 1.4배 이상이고 8배 이하인 별은 죽으면 폭발하여 초신성이 되며 초신성이 폭발한 자리에는 아무것도 남지 않게 될 것으로 추정하며, 질량이 태양 질량의 8배 이상이고 30배 이하인 별은 죽으면 초신성이 되어 별이 폭발한다하더라도 그 중심에는 중성자로 구성된 중성자성이 남게 될 것으로 추정한다.[30]

그러면 태양 질량의 30배 이상인 별이 죽으면 어떻게 될까? 만약 쿼크별이 있다면 질량의 어느 선까지는 쿼크별이 될 것으로 추정한다. 그 이상의 질량에서 과연 블랙홀이 탄생할 것인가?

에딩턴은 찬드라세카르의 이론이 가지고 있는 별이 무한 밀도로 붕괴될 수 있다는 함축적 의미에 충격을 받아서 찬드라세카르의 결론을 받아들이기를 거부했다. 에딩턴은 어떤 별이 하나의 점으로 붕괴한다는 것부터가 불가능하다고 생각했다. 그것은 당시 대부분의 과학자들의 생각이기도 했다. 아인슈타인 자신도 별들이 절대 0의 크기로 줄어들 수는 없다는 내용의 논문을 발표했다.[31]

‘블랙홀이나 빅뱅에는 반드시 밀도가 무한대가 되는 특이점이 존재한다.’는 ‘특이점 정리’를 스티븐 호킹과 더불어 발표한 영국 옥스퍼드 대학의 로저 펜로즈는 최근 뉴턴 사이언스와의 인터뷰에서 본인이 특이점에 관한 최초의 논문을 썼을 때 특이점이라는 말은 전혀 사용하지 않았으며 본인이 정말로 말하려고 했던 내용은 어디에서든 밀도가 엄청나게 높아진다면 양자 역학을 사용한 새로운 이론이 필요하다는 점이라 하였다. 또한 밀도가 현실에서 무한대가 되는 것은 아니라 하였다. 단지 특이점이라는 말을 사용하게 된 이유는 사람들로 하여금 깊은 인상을 심어주는데 있다 하였다. 즉, 로저 펜로즈는 ‘밀도 무한대의 점’은 실재하지 않는 것으로 말하였다.[32]

빛을 삼키는 사상의 지평면은 비록 밀도 무한대의 특이점을 형성하지 않더라도 어떤 유한의 질량을 가진 별이 슈바르츠실드 반지름 이하로 줄어들게 되면 형성된다. 따라서 태양 질량의 30배 이상 되는 별이 죽어 내파될 경우 이상적인 특이점을 가진 블랙홀은 형성되지 않더라도 사상의 지평면을 가진 천체는 될 것으로 추정된다. 현대천문학자들과 현대물리학자들이 현실적으로 다루는 블랙홀은 이러한 개념의 천체인 것으로 짐작된다. 그러나 본 논문에서 말하는 블랙홀은 절대 무한대의 밀도, 절대 0의 크기를 가지는 이상적인 특이점을 가지는 이상적인 블랙홀을 논하고 있음에 유의하기 바란다. 이상적인 특이점을 다루게 되면 더 이상 천체로서의 개념은 아닌 것으로 여겨진다. 오히려 공간 구조물이라 할 수 있다. 이러한 이상적인 특이점을 형성하게 되면 특이점은 웜홀로서 작동할 것으로 추정된다. 따라서 지금부터는 천체(天體)의 개념이 아닌 이상적인 특이점을 갖는 공간 구조물로서의 이상적인 블랙홀을 논하고자 한다.

 

블랙홀을 물리적 공간(평평한 시공간 패러다임)의 관점으로 보면 그림 38과 같이 사상의 지평면으로부터 특이점을 향해 진입할수록 시공간 밀도가 증가하며 결국 시공간 밀도가 절대 무한대인 특이점을 형성하는 구형의 공간 구조물이 된다. 이를 시간의 흐름의 관점에서 표현하면 사상의 지평면으로부터 특이점을 향해 진입할수록 시간의 흐름이 느려지며 결국 시간의 흐름이 정지한 특이점을 형성하는 구조라 할 수 있다.

이를 초공간(휘어진 시공간 패러다임)의 관점에서 2차원적인 면으로 살펴보면 그림39와 같다.

초공간(휘어진 시공간 패러다임)의 관점에서 별의 질량은 유지한 채 별의 부피가 줄어들게 되면 별의 밀도는 증가한다. 만약, 별의 부피가 절대 0으로 줄어들게 되면 별의 밀도는 절대 무한대( )가 된다. 별의 부피가 절대 0이 되므로 물질의 개념은 사라져 이제 더 이상 별로 불리울 수 없게 된다. 이는 블랙홀의 이상적인 단계이며 더 이상 천체의 개념은 가지지 않게 된다. 그림 39의 오른쪽 그림과 같은 시공간 팽창도에 의한 공간 구조물만 남게 된다. 즉 시간의 흐름이 정지한 특이점만 남게 되는 것이다.

비록 이러한 블랙홀에 해당하는 공간 구조물은 죽은 별의 잔해로서 생성된다 할 수는 없지만 우주 공간은 어떠한 이유에서 이러한 공간 구조물을 허용하여 활동성 은하의 핵을 형성하는 것으로 추정된다.

물리적 공간(평평한 시공간 패러다임)의 관점에서 블랙홀을 보면 그림37, 그림38 그리고 그림 40의 왼쪽과 같다. 자기 스스로 고유 관성등속 운동 상태에 있는 물체는 블랙홀의 특이점을 향해 가속 운동을 하는 것으로 관찰된다. 이럴 경우 특이점 가까이 가면서 조석중력을 받아 특이점에 가까운 쪽과 특이점에 먼 쪽이 서로 늘어나게 되며, 양 옆은 그림40의 왼쪽과 같이 특이점을 향해 쪼여들게 된다. 그러나 이와 같이 위아래의 늘어남과 양 옆의 조여듦은 해당 공간과 그 공간에 소속된 모든 만물과 모든 사건에 동일하게 적용되는 현상임으로 그 공간을 이동하는 내부 물체의 경우 평소와 별다른 점을 발견하지 못한 채 그림40의 오른쪽과 같은 이동을 경험하게 된다. 이는 TV 모니터의 모양이 사다리꼴로 한쪽으로 찌그러지게 만들더라도 TV 안에서 움직이는 주인공의 고유의 움직임에는 아무런 변화를 줄 수 없는 것과 마찬가지이다. 즉 고유 상태는 보존된다.

특이점은 시간의 흐름이 정지되어 있는 공간으로 시공간이 무한하게 팽창되어 있는 공간이다. 이는 물리적 공간(평평한 시공간 패러다임) 상에서는 폭 0인 통로를 형성한다. 폭이 0이기 때문에 눈에 보이는 통로는 없게 된다. 그러나 공간 내부에 소속된 관찰자의 눈에는 유한한 길이와 폭을 갖는 긴 통로로 인식된다. 따라서 특이점은 다른 공간과의 통로 즉, 웜홀의 역할을 할 것으로 추정된다.

물리적 공간(평평한 시공간 패러다임)의 관점에서 블랙홀을 보면 그림37, 그림38 그리고 그림 40의 왼쪽과 같다. 자기 스스로 고유 관성등속 운동 상태에 있는 물체는 블랙홀의 특이점을 향해 가속 운동을 하는 것으로 관찰된다. 이럴 경우 특이점 가까이 가면서 조석중력을 받아 특이점에 가까운 쪽과 특이점에 먼 쪽이 서로 늘어나게 되며, 양 옆은 그림40의 왼쪽과 같이 특이점을 향해 쪼여들게 된다. 그러나 이와 같이 위아래의 늘어남과 양 옆의 조여듦은 해당 공간과 그 공간에 소속된 모든 만물과 모든 사건에 동일하게 적용되는 현상임으로 그 공간을 이동하는 내부 물체의 경우 평소와 별다른 점을 발견하지 못한 채 그림40의 오른쪽과 같은 이동을 경험하게 된다. 이는 TV 모니터의 모양이 사다리꼴로 한쪽으로 찌그러지게 만들더라도 TV 안에서 움직이는 주인공의 고유의 움직임에는 아무런 변화를 줄 수 없는 것과 마찬가지이다. 즉 고유 상태는 보존된다.

특이점은 시간의 흐름이 정지되어 있는 공간으로 시공간이 무한하게 팽창되어 있는 공간이다. 이는 물리적 공간(평평한 시공간 패러다임) 상에서는 폭 0인 통로를 형성한다. 폭이 0이기 때문에 눈에 보이는 통로는 없게 된다. 그러나 공간 내부에 소속된 관찰자의 눈에는 유한한 길이와 폭을 갖는 긴 통로로 인식된다. 따라서 특이점은 다른 공간과의 통로 즉, 웜홀의 역할을 할 것으로 추정된다.


그림41과 같이 우리 우주 공간의 블랙홀과 다른 우주 공간의 블랙홀이 시간의 흐름이 정지된 공간으로 서로 연결될 경우 웜홀(wormhole)을 형성하게 된다. 이러한 웜홀을 지나 물체가 이동할 경우 고유 상태는 보존되어 아무런 변화 없이 통과하게 되리라 추정된다. 또한 그 통로의 거리가 유한한 범위 내에서 아무리 멀다 하여도 시간의 흐름이 멈추어 있음으로 아무런 시간도 걸리지 않는 채 순간 이동을 하게 되리라 추정된다.

블랙홀이 이러한 웜홀의 역할을 하게 됨으로 다른 우주 공간의 물체가 블랙홀을 통해 나올 수 있다. 그 결과 활동성 은하의 핵의 엔진으로 블랙홀이 그 역할을 담당한다고 하면 그러한 블랙홀을 통해 다른 우주 공간의 단단한 물체라도 방출되어 나올 수 있게 된다. 이러한 이유로 본 가설은 활동성 은하핵으로부터 방출되는 제트의 성분에 단단한 덩어리의 핵을 가지고 있는 것으로 추정되는 천문학적 관찰 결과를 잘 설명할 수 있게 된다.

활동성 은하핵으로부터 방출되는 제트의 근원이 웜홀을 통해 연결된 다른 우주 공간에 있다고 가정하고 다른 우주 공간의 시간의 흐름이 우리 우주 공간보다 상대적으로 느리다고 할 때 즉 다른 우주 공간의 시공간 팽창도가 우리 우주 공간보다 상대적으로 크다고 가정할 경우, 제트를 이루고 있는 물질의 시공간 팽창도 역시 우리 우주 공간의 시공간 팽창도보다 상대적으로 커지게 된다. 따라서 제트를 이루는 물질 자체가 광속 가까운 고유 속도로 움직일 경우 제트를 이루는 물질을 감싸고 있는 공간의 시공간 팽창도가 상대적으로 크므로 시공간 팽창도의 상대적 차이에 비례하여 속도는 증가되어 나타난다. 따라서 광속을 초월한 속도가 나타날 수 있게 된다. 반면 제트를 이루는 물질을 감싸는 시공간 팽창도가 상대적으로 큰 공간의 효과로 말미암아 제트를 이루는 물질 자체가 이동한 고유 거리 보다, 외부 관찰자의 관점에서는 시공간 팽창도에 비례하여 거리가 팽창되므로 보다 먼 거리를 이동하게 된다. 따라서 본 가설은 활동성 은하핵으로부터 방출되는 제트의 속도가 광속을 초월하고 있는 점과 가시적 은하 밖에까지 멀리 제트가 뻗어 나가고 있는 점을 잘 설명한다.


덧글

  • ㅁㄴㅇㄹ 2011/01/19 15:17 # 삭제 답글

    전반적인 내용 훑어보니

    무한대(infinite)와 영(zero)에 대한 정의를 지멋대로 해놓고 시작하는 관점에서

    바라보니 이딴 결과가 나오지..

    잘못된 근거에 두고 쌓아 올려진건 쓰레기일 뿐ㅇㅇ
  • pointer 2013/11/19 22:12 # 삭제 답글

    블랙홀을 시공간적 구조체라고 가정해놓고 시작한 시점에서 이런 해석도 존재한다는 수학적인 고찰일 뿐이라고 생각합니다만
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