2020 노벨 물리학상 수상의 영광 / 블랙홀 과학자들

2020년 올해의 노벨 물리학상 수상자 - 블랙홀에 대한 이론적, 관찰적 증거를 개발하는데 핵심적인 역할을 한 3명의 연구자

 

4년 만에 두 번째로 블랙홀 연구가 노벨 물리학상을 거머쥐었습니다. 이번에 발표된 2020년 수상자는 물리학자인 로저 펜로즈(영국 옥스퍼드대학)와 천문학자인 라인하르트 겐젤(독일 맥스플랑크대 외계물리학연구소), 안드레아 게즈(로스앤젤레스 캘리포니아대학) 등 블랙홀의 존재를 확인할 수 있는 연구에 큰 기여를 한 공로를 인정받아 결정되었습니다.

 

펜로즈는 1000만 크로노의 절반에 해당하는 상금을 받게 되며, 겐젤과 게즈는 나머지 절반을 똑같이 나눠 받게 됩니다. 이 세명의 과학자들은 힘을 합쳐 함께 블랙홀에 대한 우리의 지식에 혁명적 변화에 도움을 주었습니다.

 

저항은 부질없다

 

오늘날 우리는 블랙홀이 알버트 아인슈타인의 상대성 이론에서 피할 수 없는 결과라는 것을 알고 있습니다. 이 체제에서는 중력은 기하학적입니다. 질량은 틈틈이 곡선을 그리고, 간격 시간의 곡선은 질량에게 움직이는 방법을 알려줍니다. 블랙홀은 질량의 곡선이 틈틈이 있어서 빛조차 빠져나갈 수 없는 곳입니다.

 

기술적으로 빛조차 빠져나갈 수 없는 밀도가 높은 물체의 개념은 아인슈타인의 상대성이 이론을 앞서고 있습니다. 1700년대 후반 영국의 사제 겸 과학자 존 미첼과 프랑스의 유명학 학자 피에르 시몬 라플레이스는 독자적으로 이 아이디어를 제안했습니다. 그러나 독일의 천문학자 칼 슈바르츠실트는 오늘날 우리가 알고 있는 블랙홀의 기초를 다졌습니다. 아인슈타인이 대칭적이고, 비회전적이며, 거대한 덩어리가 어떻게 우주의 시간을 회전하며 휘감을 수 있는 것인가에 대한 방적식을 풀었을 때는 1916년 초 제1차 세계 대전 중이었습니다.

 

그러나 수십 년간 블랙홀에 대한 사실은 과학적으로 선명하게 나타나지는 않았습니다.

 

1939년 미국의 물리학자 로버트 오펜하이머와 그의 제자인 하트랜드 스나이더의 계산에 다르면, 천문학체는 수직적으로, 또 대칭적으로 붕괴되는 특정한 경우에서 필연적으로 무한한 밀도의 특이성에 의해 수축할 것이라는 것을 보여주었습니다. 이 사건에서 지평선은 특이점을 에워싸고, 외부 우주로부터 내부를 단단히 닫았습니다. 하지만 아인슈타인은 이 생각을 혐오하였습니다.

 

그러나 이 생각을 일반화한 것은 1960년대 중반의 펜로즈였습니다. 그는 특이점으로의 붕괴는 대칭성과 상관없이 항상 충분한 질량과 에너지가 함께 채워질 때 일어난다는 것을 보여주었습니다.

 

펜로즈는 이러한 비약을 위해 새로운 위상수학 개념인 갇힌 표면(closed trapped surface)이라는 것을 도입하였습니다. 이것을 개념화 함으로서 비대칭을 갖추더라도 일단 갇힌 표면이 생성되면 결국엔 블랙홀의 범위에 포함될 수 있다는 것을 수학적으로 나타내었습니다. 표면이 안쪽으로 굽거나 바깥쪽으로 구부러지든 상관없이 모든 광선을 그것과 직각으로 모이도록 합니다. 이 구조에서 빛은 빠져나갈 수 없을 것입니다. 오직 미동 없이 있을 뿐입니다. 그리고 빛보다 더 빨리 이동할 수 있는 것은 없기 때문에, 다른 모든 물체 역시 안쪽으로 거침없이 빠져들어갈 것입니다.

 

블랙홀에서 나타나는 피할 수 없는 결과는 특이점이다. 그리고 여기에 관련된 묘사로 시간의 한 순간이라는 이야기를 합니다. 우리는 아직 그 특이점이 실제로 무엇인지는 여전히 불분명합니다만, 이 특이점은 고전물리학으로는 설명이 되지 않는다는 것입니다.

 

 

그의 다른 연구들 중, 펜로즈는 회전하는 블랙홀로부터 에너지를 추출하는 것이 가능하다는 것을 발견하였습니다. 무거운 머그잔을 천 냅킨 위에 놓고 머그잔을 비틀면 냅킨은 머그잔으로 뒤틀려 천이 뒤틀린 것을 확인할 수 있을 것입니다. 회전하는 블랙홀에서도 비슷한 일이 일어납니다. '렌스-티링 효과'라고 불리는, 시공간의 구조를 끌고 다니는 것으로 지구 역시 이런 현상을 일으키지만 블랙홀만큼 심하지는 않습니다.

 

뒤틀린 부위는 작용권(ergosphere)라고 불립니다. 여기서 우주비행사, 소행성 그리고 다른 물체들(아마도 외계인?)은 이 지평선 밖에 있음에도 불구하고 블랙홀의 회전과 함께 강제로 끌려다니곤 합니다. 펜로즈는 블랙홀의 회전 에너지를 지구권을 통해 강탈하는 것이 가능하다는 것을 깨달았습니다. 그 후 다른 사람들은 회전 에너지가 블랙홀이 그들의 상대론적 활동력에 어떻게 수천 광년 동안 동력을 공급하는지 이해하기 위해 노력했습니다.