이해를 위해 중력 이상과 시공간의 왜곡부터 알아보겠음

보통 일반인들이 생각하는 중력은 '서로를 끌어당기는 힘'으로 알고 있다

중력 덕분에 지구는 태양에 붙잡혀 열심히 원운동을 하고 있는데

태양이 지구를 어떤 방식으로 끌어당기고 있을까?

줄로 지구를 묶어서 빙빙 돌리는 것도 아닌데 말이지

이러한 중력의 전달 방식에 관한 의미는 이 사람이 등장하면서 어느정도 해결되는데

"미개한 새끼들아 형 왔다, 상대성 이론이라고 들어봤노?"

타인이 형은 2차원으로 표현된 평평한 우주를 상상했다

그리고 이곳에 무거운 물체가 놓이면 시간과 공간이 왜곡되고

이러한 왜곡으로 인해 중력이 전달된다는 아이디어를 생각하는데

그 덕분에 지구는 태양과 연결되어있지 않아도

휘어있는 시공간상의 최단거리를 따라 주변을 돌 수 있는 것이다

중력의 정체는 바로 '시공간의 왜곡'

1976년 화성 주변에 바이킹호가 있었고 태양을 사이에 두고 지구에 신호를 보냈는데

전파 신호의 속도는 언제나 일정하기에 지구와 바이킹호 사이의 거리가 멀수록

신호를 받는 데 걸리는 시간도 당연히 늘어나야 정상

따라서 가까울수록 빠르게 도착하고 멀어질수록 늦게 도착해야 맞거든?

하지만 실제로 이상한 신호를 받았음

예상보다 신호가 늦게 도착했을 뿐만 아니라

이동 경로가 태양과 가까울수록 시간 지연이 더 심해지는 일이 발생

이러한 일이 생기려면 지구와 우주선 사이의 거리가 더 길어야 하는데

연구팀은 전파의 신호를 분석해서 공간이 휜 모양을 추정했고

이것은 상대성 이론의 예측과 정확하게 일치

태양이 시공간을 왜곡했기 때문에 신호의 도착 시간이 더 길어짐

좀 어려울 수도 있으니 간단하게 얘기해서

중력이 클수록 시공간이 극도로 왜곡되어 시간이 느려진다는 사실만 알고 넘어가자

그렇다면 극단적인 시공간의 왜곡을 눈으로 직접 관찰할수는 없을까?

응 있음

바로 블랙홀임, 시커먼게 존내 안보여

무거운 질량을 가진 별이 연료를 다 태우고 나면

스스로의 중력을 이기지 못하고 안으로 수축하다가 최후의 일격이 가해지는데

결국 엄청난 질량이 한 점으로 뭉치면서 시공간이 극단적으로 왜곡된다

이 과정이 지나면 시공간은 그 공간 자체가 가진 에너지에 의해 왜곡이 유지되는데

질량과 에너지는 같은 값이기 때문이고 이것이 블랙홀의 생성 과정이다

이렇게 만들어진 블랙홀은 질량과 회전의 매우 단순한 두 요소만이 남기에

따라서 블랙홀의 질량과 회전 속도만 알면 상대성 이론으로 블랙홀의 모든 속성을 알 수 있다

하지만 블랙홀의 막대한 중력은 일반적인 이해에서 크게 벗어나는 두 가지 개념을 만들어내는데

그것은 영화 인터스텔라에서도 끊임없이 언급되는 사건의 지평선과 특이점

블랙홀 주변의 시공간은 극도로 왜곡되어있기 때문에

블랙홀과 가까워지는 특정한 경계에서는 빛조차 블랙홀 밖으로 탈출할 수 없게 된다

오로지 안쪽으로 빨려 들어갈 뿐인데 이 경계가 바로 사건의 지평선임

이러한 구속력의 원인은 블랙홀이 가진 시공간의 굴곡 때문이다

만약 블랙홀 외부에서 사건의 지평선에 다가가는 사람의 시계를 본다면

그 시계는 점점 느리게 흐르고 사건의 지평선에 도달하면 시계는 멈추게 된다

블랙홀이 조개라면 특이점은 진주, 물리학에서 말하는 특이점은

블랙홀 내부에서 시공간의 표면이 점을 이루어 무한하게 왜곡되어 있는 아주 작은 영역

이처럼 특이점의 개념은 수학적으로 존재한다

하지만 자연에 존재하는 블랙홀에 사건의 지평선 너머를 관찰한다는 것은 불가능하다

이유는 빛이 탈출할 수가 없기 때문임

따라서 특이점이 정말 존재하는지는 유보 상태라고 한다

칠판의 방정식은 놀란 감독과 작업 한 물리학자 킵손이 직접 채워 넣었는데

이 아재 덕분에 거대한 블랙홀에 대해 이야기할 수 있는 지식을 가진 셈이다

놀란 감독은 지구에서의 7년이 뮐러 행성에서 1시간,

즉 사건의 지평선과 가까운 뮐러 행성이 지구보다 시간이 61320배 느리게 흐르길 바란 것이다

쉽게 얘기해서 뮐러 행성에서 1초가 흐르면 지구에서는 17시간 2분이 흘러야 하고

또 사건의 지평선의 둘레가 지나치게 크지 않기를 원했는데

킵손은 이를 고려하여 태양 질량의 1억 배이고 사건의 지평선의 둘레가 10억 km인 블랙홀을 만들어 냄

영화 인터스텔라에 나오는 블랙홀 '가르강튀아'는 빛나는 고리를 가지고 있는데

이 고리는 가르강튀아가 주변의 별을 강력한 중력으로 끌어당겨

개작살 낸 후 궤도에 편입시킨 결과고 우리는 이것을 '강착 원반'이라 부른다

근데 이렇게 만들어진 원반은 가르강튀아의 원반과 많이 달라 보인다

우리가 흔히 보는 블랙홀의 이미지들은 원반이 하나인데

가르강튀아의 원반은 위아래와 앞 뒤로 두 개의 원반이 있는 것처럼 보인다

하지만 조금 혼란스러운 사실을 얘기하자면 가르강튀아의 원반은 하나가 맞고

이유는 바로 중력에 의한 시공간의 왜곡에 있다

우리가 많이 보아왔던 블랙홀은 이미지는 중력에 의한 왜곡 효과인

중력 렌즈 효과를 고려하지 않고 그렸기에 하나의 원반만 표현했다

블랙홀의 중력 렌즈 효과를 고려하면 재미있는 현상이 벌어지는데

바로 블랙홀 뒤에 존재하는 원반을 관찰할 수 있다는 점

블랙홀 뒤의 숨겨진 원반에서 나오는 빛의 일부는

휘어진 시공간을 따라 이동하기 때문에 우리의 눈에 도달할수 있다

즉 사건의 지평선 위아래에 보이는 원반은 모두 블랙홀 뒤에 있는 디스크의 절반임

위에 보이는 원반은 원래 디스크에 비교했을 때 좌우로 잡아당겨진 것처럼 보이고

아래로 굴절되는 빛은 좌우가 반전되며 조금 작아진다, 약간 위에서 관찰하고 있기 때문

조금 더 자세하게 보자면

블랙홀을 바라보는 각도에 따라 디스크에서 나오는 빛은 다른 방식으로 왜곡된다

따라서 블랙홀 뒤의 디스크가 사건의 지평선 위아래에서 관찰되는 현상은

우리가 블랙홀을 특정 각도에서 바라볼 때만 발생하는 현상이다

중력 렌즈의 기묘한 특성을 보여주는 장면은 또 있는데 바로 '웜홀'이다

A 지점에 있는 개미가 B 지점으로 내려가려면 사과의 표면을 따라서 가야한다

하지만 개미가 사과를 갉아 먹으며 수직으로 내려간다면? 이게 웜홀의 기본적인 발상임

우리는 공간을 갉아먹는 방법을 모르지만 중력이 시공간을 왜곡할 수 있다는 것은 알고있음

만약 두 지점의 공간을 극도로 왜곡하고

특이점을 봉합할 수만 있다면 우리는 지름길을 만들어낼 수 있다

결국 웜홀의 기본 개념도 블랙홀과 마찬가지로 시공간 왜곡이다

우리가 블랙홀이나 웜홀의 궤도를 돌고 있다면

이보다 뒤에 있는 항성에서 나오는 빛의 일부는 휘어진 시공간의 영향을 받는데

중력의 영향을 받지 않을 때보다 더 아래쪽에 있는 것처럼 보인다

또한 평소에 우리 눈에 도달하지 않는 위쪽 방향으로 향한 빛도 휘어져서 볼 수 있다

그리고 이 경계를 아인슈타인 고리라고 부른다

요약 = 최고존엄 아인슈타인

출처 - 위니버스