사건의 지평선과 블랙홀 (Event horizon and Black hole)

아주 최근의 가요는 아닙니다만, 윤하의 사건의 지평선이라는 노래가 있더군요. 90년대나 2000년대 가요만 거의 듣다 보니까 모르고 있었는데, 누가 사건의 지평선이 무슨 뜻이냐고 물어보길래 대충 알려주었는데 생각이 난 김에 여기도 한번 정리를 해봅니다.

 

블랙홀(Black hole)

우선 사건의 지평선을 이해하기 위해서는 블랙홀에 대해 알아야 합니다. 블랙홀이라는 것은 엄청난 중력이 작용하기 때문에 빛도 빠져나올 수 없는 천체인데요, 그래서 우리가 보기에 검게 보이는 것이죠. 정확하게 말하면 볼 수 없다가 맞겠네요. 빛도 빨려 들어가니까 말이죠.

 

이러한 블랙홀은 엄청난 크기의 중력이 작용하기 때문에 시공간이 휘어집니다. 이거는 희대의 천재인 아인슈타인의 일반상대성 이론에 대한 이해가 바탕이 되어야 하는데, 다음에 글을 쓸 기회가 된다면 다뤄보기로 하고, 위에 언급하였듯이 엄청난 중력으로 인해서 빛도 빠져나오지 못합니다. 따라서 블랙홀의 중심에는 밀도가 무한대가 되는 특이점이 존재하게 되는데요, 이를 영어로는 singularity라고 합니다.

 

물론 이런 건 모두 물리학적인 가설과 방정식, 그리고 일정 부분 관찰을 토대로 한 예측의 영역이고, 실제로 내부 중심에 특이점이 존재할는지, 내부가 어떻게 생겼고 호킹이 말한 대로 서서히 증발해서 사라질 것인지는 아직 명쾌하게 알 수는 없습니다.

 

그저 매우 무거운 별이 수명을 다하면서 초신성 폭발과 중심부에 남아 있는 질량 때문에 블랙홀이 생성된다고 보는 것이 일반적이라는 것뿐.

 

블랙홀은 태양보다 수십 배 질량이 큰 별이 수명이 다하면서 중심부의 중력 붕괴로 생성되는데, 빛도 탈출하지 못하는 엄청난 중력을 가지고 있어 내부에 밀도가 무한대가 되는 특이점이 있을 것으로 예상되는 천체다 정도로 정리하면 될 것 같습니다.

 

사건의 지평선 (Event horizon)

우리는 사건의 지평선이라는 용어에 대해서 알아보려고 하는데, 우선 사건, event라는 것이 물리학에서 어떤 뜻인지를 먼저 이해해야 합니다.

 

물리학에서 이벤트, 즉 사건이라는 것은 어떤 시간과 공간에서 일어나는 일 그 자체를 말하는 겁니다. 여기서 일이라고 하는 것은 모든 물리적인 현상을 말한다고 생각하면 되는데요, 빛이 방출되는 것, 어디에선가 반사되거나 흡수되는 것, 어떠한 입자가 특정한 시간과 공간, 즉 어떠한 시점에 어떠한 좌표계에 존재하는 것 자체도 사건이 되고, 그 입자가 운동을 하는 것도 사건이 될 겁니다.

 

자, 다음으로 지평선은 무엇인지 모르는 사람이 없겠죠. 지구에 사는 우리가 볼 때 하늘과 지표면이 만나는 선이 지평선입니다. 그런데 지평선은 관찰자에 따라서 위치가 변하죠? 그리고 우리는 지평선 너머를 볼 수는 없죠?

 

그러면 사건의 지평선, 즉 event horizon의 뜻이 무엇인지 감이 올 것입니다. 사건을 관측할 수 있는 경계선이라고 정리할 수 있겠네요. 

 

이제 왜 블랙홀을 먼저 알아야 사건의 지평선이 어떤 뜻인지 이해가 될 것이라고 했는지 쉽게 알 수 있습니다. 사건의 지평선이 물리적으로 사건을 관찰할 수 있는 경계선인데, 이것이 바로 어떤 물질이건, 심지어 빛도 빠져나오지 못하는, 어떠한 정보도 빠져나오지 못하는 블랙홀의 경계를 뜻하는 용어가 되는 것이죠. 여기를 넘어가면 다시 돌아오지 못합니다.

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우리가 사는 우주가 블랙홀 내부에 있다는 가설도 있는데요, 빅뱅이 초고온, 초고밀도의 한 점, 즉 어떠한 특이점(singularity)에서 시작되었듯이 블랙홀 내부에도 특이점이 있습니다. 이 특이점이 빅뱅으로부터 시작된 것이라면? 허블이 발견한 우주의 팽창이 블랙홀 내부로 빨려 들어가는 속도의 차이로 인해 발생되는 것이라면?

 

여러 가지 생각을 해볼 수가 있겠죠. 언제나 흥미로운 주제고, 과학을 가르치는 입장에서도 재미있는 내용입니다.