결국 사실로 판명된 스티븐 호킹이 제안했던 이론 4가지

 

 

※ 본 내용은 유튜브 채널 '책밖과학'에서 제공하며, 타 블로그 및 유튜브 채널에서의 사용을 절대 금지합니다.

 

스티븐 호킹은 현대 시대를 살았던 위대한 이론 물리학자 중 한명입니다.

 

그 명성에 걸맞게 호킹이 발표한 논문은, 다운로드가 가장 많은 논문으로 선정되기도 했었죠.

 

관측 및 분석 기술이 발전되면서, 그의 생각이 옳았다는 것이 하나씩 입증되고 있기 때문일 겁니다.

 

우주의 시작에서 부터 블랙홀의 비밀에 이르기까지... 이번 시간에는 결국 옳았던 것으로 판명된 스티븐 호킹의 이론들을 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

1. 우주의 시작은 빅뱅이다.

 

 

오래전에 과학자들은 두 개의 우주론 사이에서 아주 열띤 토론을 벌이고 있었습니다.

 

바로 빅뱅과 정상 우주론(Steady-state model)이라는 우주의 시작에 대한 아이디어에 대해서 말이죠.

 

이 두 아이디어 모두 우주가 팽창하고 있다는 점에 대해서는 인정했지만, 빅뱅은 우주가 초밀도의 아주 작은 상태에서 팽창하게 되었다고 주장했습니다.

 

그 반면에 정상 우주론은 우주의 시작은 따로 없으며, 끊임없이 새로운 물질들이 만들어지고 있을 뿐이라고 주장했습니다.

 

이 당시 스티븐 호킹은 자신의 박사 논문을 통해 우주의 시작점은 반드시 존재해야 한다고 주장했는데요.

(https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/251038)

 

호킹은 이 논문에서 펜로즈의 특이점 이론을 이용했습니다. 펜로즈는 무거운 별이 수명이 끝나면 중력에 의해 수축하게 되고, 별이 특정 반지름까지 수축되면 특이점이 발생하게 된다는 것을 증명했었습니다.

 

스티븐 호킹은 이 특이점 이론을 우주에 적용하여, 우주가 팽창하기 전에 무한한 밀도의 특이점과 빅뱅이 존재해야 함을 수학적으로 증명했죠.

 

오늘날 호킹의 생각은 여전히 가설에 머물러 있지만, 대부분의 과학자들은 빅뱅 이론을 거의 기정 사실로 받아들이고 있습니다.

 

 

2. 블랙홀은 실재한다.

 

 

블랙홀은 별이 자체 중력에 의해 붕괴될 때 만들어지는 또 다른 형태의 천체입니다.

 

처음에 블랙홀에 대한 아이디어는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 시작되었는데요.

 

아인슈타인은 자신의 상대성 이론을 통해 중력파의 존재를 처음으로 예측했습니다.

 

그리고 중력파는 블랙홀과 같은 아주 강력한 천체들 간의 충돌로 인해 발생될 수 있을 것이라 생각했었죠.

 

하지만 아인슈타인은 블랙홀의 존재를 믿지 않았습니다. 이렇게 극단적인 천체는 너무 말이 안된다고 생각했기 때문입니다.

 

하지만 스티븐 호킹은 아인슈타인의 아이디어를 통해 블랙홀에 아주 큰 흥미를 느끼게 되었습니다.

 

그는 곧 아인슈타인의 방정식에 양자 역학적 방정식(슈뢰딩거 방정식)을 결합하여, 블랙홀이 실제로 존재할 수 있는 천체라고 주장하기 시작했죠.

(관련 내용 : Nature)

 

뿐만 아니라 호킹은, 블랙홀이 무한히 작고 조밀한 특이점을 가지고 있으며, 강력한 중력에 의해 빛도 탈출 할 수 없다는 등의 더욱 구체적인 형태로 블랙홀을 묘사했습니다.

 

시간이 흘러, 2019년에 과학자들은 처녀자리 A은하 중심에서 초대질량 블랙홀을 촬영하는데 성공했는데요.

 

이는 호킹의 생각이 옳았음을 증명하는 최초의 직접 증거였습니다.

 

 

3. 호킹 복사(방사선)

 

 

블랙홀은 중력이 너무 강력해서 모든 물질을 빨아들인다고만 생각되어 왔습니다.

 

하지만 스티븐 호킹의 생각은 조금 달랐는데요. 호킹은 블랙홀에서 입자가 방출될 수도 있다고 생각했습니다.

 

바로 가상 입자(Virtual particle)들에 의해서 말이죠.

 

가상 입자는 베르너 하이젠베르크가 만들어낸 개념으로, 우주 공간에서 빠르게 나타났다가 사라지는 상반된 에너지를 가진 한쌍의 입자들을 말합니다.

 

호킹은 만약 이 가상 입자가 블랙홀 주위에서 나타나게 되면, 한쪽의 입자는 블랙홀로 빨려들어가고 한쪽의 입자는 우주 방출될 수 있다고 제안했죠.

 

이러한 호킹의 아이디어를 가리켜 호킹 복사(Hawking radiation)라고 합니다.

 

최근 과학자들은 블랙홀 대신 음파가 빠져나갈 수 없는 "음파 블랙홀"을 만들어서 호킹 복사를 검증해 봤는데요.

 

실험 결과, 음파와 음파 블랙홀은 스티븐 호킹이 예측했던 호킹 복사와 정확히 일치하는 움직임을 보여주었습니다.

 

(2021.03.05 - [자연・우주] - 과학자들은 호킹 복사를 관찰하기 위해 유사 블랙홀을 만들어 냈습니다.)

과학자들은 호킹 복사를 관찰하기 위해 유사 블랙홀을 만들어 냈습니다.

 

4. 블랙홀의 면적

 

 

1971년에 스티븐 호킹은 블랙홀의 사건의 지평선은 절대로 줄어들 수 없다고 주장했습니다.

 

이것을 스티븐 호킹의 "면적 정리(Black hole area theorem)"라고 하는데요.

 

실제로 2015년에 처음으로 관측된 중력파는 호킹의 생각이 옳았다는 것을 우리에게 보여주었습니다.

 

과학자들은 이 중력파를 분석한 결과 두 개의 블랙홀이 충돌하고 합쳐지면서 발생하게 되었다는 것을 확인했습니다.

 

또한 과학자들은 이 중력파의 분석을 통해, 충돌 전후의 두 블랙홀의 면적도 계산해 봤는데요.

 

 

 

호킹의 50년 전에 주장했던 호킹의 면적 정리가 옳았다는 것이 50년만에 입증된 순간이었습니다.

 

http://www.thescienceplus.com/news/newsview.php?ncode=1065572827683936 

블랙홀에 관한 호킹(Hawking)의 정리 50년 만에 첫 입증

 

이렇게 4가지가 사실로 판명된 스티븐 호킹이 제안했던 이론들이었습니다.

 

하지만 스티븐 호킹은 사실 이보다 훨씬 더 많은 아이디어들을 제안했었는데요.

 

다음에 기회가 되면, 아직 입증되지 않은 스티븐 호킹의 아이디어에 대해서도 한번 다뤄보도록 하겠습니다.

 

 

https://youtu.be/Oava9X2ac6U?si=paonjaXvSN7ppcAB

 

 

 

 

2021.07.21 - [자연・우주] - 시간 여행은 정말 가능할까요?

시간 여행은 정말 가능할까요?

2021.04.22 - [자연・우주] - 우리가 외계인을 만날 수 없는 다섯 가지 이유

우리가 외계인을 만날 수 없는 다섯 가지 이유

2021.03.05 - [자연・우주] - 과학자들은 호킹 복사를 관찰하기 위해 유사 블랙홀을 만들어 냈습니다.

과학자들은 호킹 복사를 관찰하기 위해 유사 블랙홀을 만들어 냈습니다.