블랙홀이 탄생하기까지
슈바르츠실트, 블랙홀을 암시하다
찬드라세카르의 한계와 중력수축
중력붕괴와 블랙홀의 탄생
블랙홀의 전령 퀘이사
블랙홀의 존재 가능성 암시
중성자별을 찾아서
블랙홀을 찾는 몇 가지 방법
블랙홀 속으로
블랙홀 표현하기
블랙홀과 시간여행
우주의 미궁 블랙홀에서 만난 과학자들
그리스 신화에는 미노타우로스가 울부짖는 미궁(迷宮)이 나온다. 그리스 최고의 장인 다이달로스가 미노스 왕을 위해 만든 미로의 숲, 미궁은 한번 들어가면 아무도 나올 수 없다. 출구를 알 수 없기 때문이다. 영웅 테세우스만이 적국의 공주 아리아드네의 도움으로 들어갔던 길을 되짚어 미궁을 빠져나올 수 있었다. 우리 머리 위, 칠흑 같은 어둠 속에 무수히 반짝이는 별무리 중에도 이와 같은 미궁이 있다. 우주의 삼라만상을 빨아들이는, 한번 붙잡히면 아무것도 빠져나올 수 없는 하늘의 미궁을 우리는 블랙홀이라 부른다. 중력이 무한해서 중력권 안의 모든 것을 삼키는 블랙홀은, 그래서 우주의 과거가 고스란히 담겨 있다. 그뿐인가. 무시무시한 중력의 힘으로 주위의 모든 것을 집어삼켜 몸집을 불려 나가니 우주의 미래 역시 초대형 포식자 블랙홀의 손에 달려 있다고 보아도 지나치지 않다. 결국 블랙홀에 대한 관심과 연구는 물리학의 영역을 뛰어넘는다. 즉 우리가 어디서 왔으며 어디로 갈 것인가,라는 궁극적인 문제에 맞닿아 있는 것이다. 라플라스에서 아인슈타인에 이르기까지 고금의 탁월한 물리학자들은 결국 우주와 인간의 시원과 종말을 담고 있는 블랙홀에서 만난다.
우주와 인간의 근원을 담은 신비로운 천체 블랙홀
어린 시절 본 만화책에는 우주를 항해하는 우주선 이야기가 있었다. 아무 일 없이, 순조롭게 항해해 나가던 우주선이 갑자기 정체불명의 천체 주위에서 사라져버리는 것이다. 미스테리와 동화적 상상력의 대상이던 블랙홀이 장엄한 물리적 실체임을 예견한 사람은 뉴턴과 라플라스이다. 모든 물질은 잡아당기는 힘이 있다는 뉴턴의 만유인력의 법칙, 나아가 빛조차 빠져 나오지 못하는 천체라는 라플라스의 가설은 오늘날의 블랙홀을 예측한 것이다. 여기에 아인슈타인의 일반상대성이론이 더해져 블랙홀 이론은 제 모양을 갖춘다. 태양은 왜 빛나는 걸까? 태양이 막대한 중력에도 불구하고 안으로 짜부러들지 않고 온전한 형태를 유지하는 것은 핵융합 반응을 통해 열을 내뿜기 때문이다. 이 밖으로 뻗치는 힘은 수축하는 힘과 평형을 이루어 애초의 형태를 유지하며 밝게 빛나는 것이다. 하지만 에너지원인 수소가 점차 고갈되면 밖으로 뻗치는 힘도 약해져 별은 쭈그러들기 시작한다. 부피가 큰 별일수록 중력수축은 더 급격해 결국 더는 수축하지 않는 백색왜성과 중성자별이 된다. 1960년대에 발견된 퀘이사가 바로 중성자별이다. 이 별은 지구에서 무려 20억 광년이나 떨어져 있으며 그 밝기는 우리 은하계의 모든 별빛을 합친 것보다 밝다. 퀘이사와 지구의 거리는 심지어 140억 광년에 이르는 것도 있다. 우주가 태어난 시간이 150억 광년 정도로 알려져 있으니 우리는 지금 천지가 창조되던 날의 그 빛과 마주하고 있는 것이다. 태양 질량의 3.2배를 넘어선 별의 경우 멈추지 않고 한없이 중력수축을 일으킨다. 중력수축이 무한히 계속되는별, 그리하여 무한대의 중력을 자랑하는 이 별에 미국의 천체물리학자 휠러는 블랙홀이라는 이름을 붙였다. 빛을 흡수하되 방출하지는 않아 눈으로 확인할 수도 없고 전파를 전혀 내보내지 않아 망원경으로 잡아낼 수 없는 블랙홀, 이 미스테리한 천체를 확인하는 일의 어려움을 호킹은 ‘지하 석탄 창고에서 고양이를 찾는 것과 같다’고 토로한다. 블랙홀에 관한 가장 충격적인 사실은 우리가 아는 시간 경험을 모조리 무너뜨린다는 점이다. 별이 내뿜는 빛에너지는 중력이 붙드는 힘에서 벗어나기 위해 몸부림치는 과정에서 에너지를 잃는다. 그러면 별빛의 진동수가 줄어들고 파장이 늘어지는데 이럴 경우 사건 인식 역시 느려질 수밖에 없다. 왜냐하면 우리는 빛을 통해 사건의 진행을 파악하기 때문이다. 간단히 말해 시간이 느려지는 것이다! 중력장 주변에선 시간이 느려지고 궁극에는 정지한다는 사실은 우리가 수천 년 동안 불변의 법칙으로 인식해왔던 시간의 절대성을 무너뜨린 일대 사건이다. 그런데 그와 정반대의 구조를 가진 천체는 없을까? 이론적으로는 얼마든지 가능한 이러한 천체를 화이트홀이라고 부른다. 블랙홀은 온통 까맣지만 화이트홀은 빛이 쉼 없이 흘러나오기만 하니 무진장 밝을 것이다. 이 블랙홀과 화이트홀을 이어놓으면 특이점이 사라지고 블랙홀과 화이트홀을 왕래할 수 있게 될 것이다. 호킹은 과거와 미래를 왕래하는 흥미로운 시간여행에 관해 이렇게 중얼거린다. “미래 누군가 시간을 거슬러 우리가 살고 있는 이 시대로 날아와 타임머신의 제작법을 왜 알려주지 않는 걸까?”
블랙홀과 상대성이론에 대해 한마디쯤 할 수 있게 된다!
블랙홀이나 상대성이론, 또는 양자론에 겁을 집어먹지 않을 사람이 있을까? 하지만 이 책은 과학이 지닌 겉모습, 난해한 개념, 용어, 엄숙한 말투를 풀어헤쳐 천체물리학을 만만하게 만들어버린다. 한 가지 예를 들자면 눈에 보이지 않는 블랙홀을 이렇게 설명한다. 남녀가 무대 위로 올라선다. 남자는 검은색 정장, 여자는 흰색 드레스 차림이다. 두 사람은 팔을 끼고 흥겹게 춤을 춘다. 무대 조명이 점점 약해진다. 남자의 모습이 감춰지고 여자의 흰 옷이 상대적으로 부각된다. 무대를 빙글빙글 도는 여자의 춤동작은 여전하다. 상대가 없다면 저런 자연스런 춤동작은 나오기 어렵다. 여자의 춤동작은 보고 상대의 존재를 유추할 수 있는 것이다. 이때 남자를 블랙홀, 여자를 눈에 보이는 별이라고 하자. 여자의 춤동작으로 상대의 존재를 추측할 수 있듯이 공전하는 별의 움직임을 통해 보이지 않는 블랙홀의 존재를 예측할 수 있는 것이다. 블랙홀은 아인슈타인의 상대성이론이 내놓은 최고의 걸작품이다. 하지만 이를 수박 겉?기식으로라도 알고 있는 이는 극히 드물다. 아인슈타인 자신도 ‘사람들은 저를 두고 세계적인 천재라며 호들갑을 떨지요. 하지만 그들 대부분은 상대성이론이 뭔지도 모릅니다’라고 말하며 씁쓸해한다. 이 책은 인류 최고의 지적 성과물인 블랙홀을 모든 사람과 공유하고픈 열망의 결실이다.
중고단행본
바보 빅터
