블랙홀로 살펴본 타임머신의 가능성
인터스텔라를 보고 감상을 올린 포스팅에 재미난 리플이 달렸습니다. 불가능할 줄 알았던 시간여행이 사실 가능할런지도 모른다! 라는 내용이었는데요. 포스팅 내용을 몇 가지 지적하면서 여전히 시간여행의 가능하다고 보는 두 이론에 대해 언급이 되었습니다.
바로 우주검열가설과 연대보호기제 였습니다.
우선, 인터스텔라는 미래로의 시간여행(?)을 다룬 SF 영화입니다. 블랙홀로 들어가면 몇 십년 뒤의 화이트홀로 나올 수 있어 항성간 여행이 가능하다는 컨셉의 스토리를 가지고 있습니다.
이전 글에서 말씀 드렸듯, 블랙홀을 이용한 웜홀 여행에 대한 가설 더 이상 유효하지 않습니다. 모든 걸 빨아들인다고 알려졌던 블랙홀 외부에서 제트분사가 관측되었기 때문입니다. 뭔가 빠져나오는게 있다면 당연히 연결된 터널도 없을 터이지요.
제트분사는 호킹복사로 불리고 있는데요. 입자와 반입자가 쌍소멸하면서 발생하는 에너지일 것이다 ‘예상’하고 있습니다. (물론 수학적 증명 있습니다.)
블랙홀은 관측 자체가 불가능하기 때문에, 존재에 대한 예측만이 가능한데요. 빛과 같은 모든 전자기파가 탈출 하지 못하므로 눈으로 볼 수 조차 없습니다. 블랙홀 주변에 뭔가 이상한 현상이 나타나야 (하나여야 하는 별이 여러 개로 보이는 중력렌즈 효과 등) 블랙홀이 있을 것으로 추정하게 됩니다. 그리고 추정 장소에서 호킹 복사가 관측되었지요.
*은하의 중심에 있을 것으로 예상하고, 여기서 호킹 복사가 확인되었습니다.
또한 강력한 중력 때문에 전자기파가 어느 지점에 도달하면 탈출이 불가능해 지는데요. 이 한계 반지름을 슈바르츠실트 반경, 혹은 사건의 지평선이라고 부릅니다. 빛이 이 선을 넘는 순간 마치 시간이 정지하는 듯, 더 이상 내부로 들어가지 못하고 멈춰 있을 것 처럼 보일 것이라고 생각되고 있지요.
시공간의 고정은 현재의 물리학으로 더 이상 설명이 어렵습니다. 때문이 모든 것이 한 점으로 모이는 특이점이 존재 할 것이라고 예측하고 있습니다.
일반 공간에서는 질량을 가진 행성의 경우 내부로 들어갈수록 중력이 작아지게 되지만, 같은 논리로는 무한정 중력이 커지는 블랙홀의 설명이 불가능하므로, 특이한 점 하나가 존재할 것이라고 추론하고 있는 겁니다.
이를 특이점이라 부르고 영국의 물리학자 로저 펜로스가 존재 여부를 수학적으로 증명하기도 했습니다.
이들 내용을 종합하면 이렇습니다.
어떤 항성이 수명이 다해 수축을 하다가 그 크기가 슈바르츠실트 반경보다 작아지게 되면 중력붕괴로 인해 한 점으로 쪼그라 들고 블랙홀이 됩니다.
블랙홀은 일반 물리학으로 설명이 불가능한 공간(Point)이므로, 특이점이라고 불리고, 슈바르트실트 반경은 사건이 정지하는 이벤트호라이즌, 즉 사건의 지평선이라고 부릅니다.
특이점과 이벤트 호라이즌을 다시 짚어보는 이유는 바로 또 다른 시간여행 가설인 우주검열가설을 살펴보기 위해서입니다.
우주검열가설은 1969년 로저펜로스에 의해 세워진 가설입니다.
간단합니다. 인간의 현재 능력으로는 블랙홀 내부에서 무슨 일이 일어나는지 알 수 가 없다. 라는 내용입니다.
이벤트 호라이즌 내부는 빛조차 탈출하지 못하니 관측도 못하고, 빛이 빨려 들어갈 정도이니 시간도 멈춰 있고 해서 기존의 물리학으로는 설명이 불가능 하다고 설명하고 있지요.
만약 특이점이 너무 커서 이벤트 호라이즌 (슈바르츠실트 반경) 보다 큰 블랙홀이 있다면 빛이 탈출 할 수 있고, 그러면 관측 가능하지 않을까. 라는 반론에 대해서도 다루었는데요.
로저펜로스는 특이점 자체가 기준의 물리학이 통용되지 않는 존재이기 때문에 관측이 불가능해 야 맞고 따라서 노출 특이점이라 불리는 이 블랙홀의 존재 자체가 모순이 된다고 설명했지요.
그래서 이론의 내용도 우주검열가설입니다.
우주는 자신의 신비에 대해 스스로 검열해서 모순된 사실을 보여주지 않는다? 정도로 해석하고, 블랙홀 내부를 알 수 없으니 시간여행이 불가능하다고 단정 지을 수 없다 라고 이해하시면 됩니다.
게다가 스티븐 호킹 조차 연대보호기제 라는 이론을 들고 나왔는데요.
과거를 바꿀 수 없다는 수학적 증명이 불가능하므로 과거로의 시간여행이 가능할지도 모른다는 가설입니다.
우주검열가설이 시간여행에 대한 대 전제를 구성하고 있다면, 연대보호기제는 과거로의 시간여행에 대해 가능성을 제시한 이론입니다.
시간지킴이 (원문으로는 Time patrol, Time police로 되어 있습니다.)가 존재 하기 때문에 과거로의 여행시 타임 패러독스가 일어나지 않으며,
존재를 부정하는 증명을 하지 못하는 한 과거로의 시간여행은 가능하다고 설명합니다.
말도 어렵고 풀어쓰기도 어렵네요. 내용이 상당히 철학적이지요? 위키를 뒤져봐도 수학적 증명 없이 오로지 ‘문자’으로만 나와 있습니다.
어디서 과학의 끝판 왕이 철학이라고 본 기억이 나는데, 정말 그런 것 같습니다. 물리학이 현상에 대해 간단히 설명하는 학문이라고 하지만, 블랙홀과 시간여행은 철학에 가까워 설명이 어렵다는 생각이 듭니다.
타임머신의 가능성에 대해서는 블랙홀 말고 양자역학의 초끈이론을 배경으로 하는 내용도 있는데요. 내용이 너무 광범위하므로 따로 찾아 별도의 포스팅으로 작성 해 보도록 하겠습니다.
* 반증법으로 증명하는 방식에 대한 지적이 이미 있어왔군요.
'신이 없다고 증명할 수 없기 때문이 신이 있다'라는 추론 방법에 대한 비판 글 입니다.
동아 사이언스 : 끈이론으로부터 물리학을 지키자?
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