문과도 쉽게 아는 블랙홀이 과학적으로 불가능한 이유.jpg

지금이야 다들 인정하는 블랙홀이지만

무려 상대성이론을 발견해 낸

아인슈타인은

블랙홀이 이론상으로 존재 불가능하며

현실에서도 존재하지 않을거라 예측했다

하지만 이러한 그의 예측은 크게 빗나갔는데

그가 왜 이런 생각을 하게 되었는지

설명해드림

여기 중성자별이 있다

중성자성은 밀도가 엄청 높다

왜냐하면

초신성이 터지기 직전

핵융합이 끝난 항성에서는

항성의 모든 성분이 중력에 의해

중심의 핵을 향해 떨어짐

그 속도는 가히 광속의 1/3까지 올라감

그중 별 핵에 있는 철 원자는

항성의 모든 질량을 받아내기 위해

압축된다

이때 철 원소 주변을 돌고 있던 전자는 압축되어

원자핵에 달라붙음

그러면 양성자가 전자를 포획해서

양성자는 중성자로 변환됨

이렇게 중성자가 생성됨

철은 압축되어 작아지지만

중성자는 더 이상 작아지지 않음

이 딱딱한 중성자에

맞고 튕겨져간 물질들은 충격파를 발생시키고

별은 대폭발을 함

이렇게 해서 중성자만 남은 중성자성이 탄생함

근데 왜 중성자는 더이상 작아지지 않는 것일까?

그건 바로 '축퇴압' 때문임

세상에는 기본적으로 두개의 입자가 있음

물질에 관여하는 페르미 입자와

힘에 관여하는 보스입자가 있음

보스입자는 양자장을 통상의 수치 혹은 수치의 백터로 기술 할 수 있음

한편 페르미 입자는

2승 하면 0이 되는 특수한 수로 기술한다

2승 하면 0이 되는 수를

반가환수 또는 그라스만 수라고 부른다

보스 입자는 통상의 수로 기술하기 때문에

입자를 같은 위치에 두어도 계산할 수 있음

예를 들면 x입자를 같은 위치에 두면 x^2이라고 표현할 수 있음

반면 페르미 입자는 같은 위치에 두면 0 되어서

계산할 수 없다

그말인즉슨

페르미 입자는 같은 상태로 같은 장소에 존재할 수 없다는 뜻이다

이게 파울리의 배타원리라는 것임

이래서 우리는 사과를 통과하지 않고 잡을 수 있는것이다

좀 어려운거 같아서

좀더 직관적인 방법으로 설명하겠음

여기 기차가 있음

여기서 기차는 위상공간이고

기차의 의자 하나에는 페르미 입자가 반드시 하나밖에 앉을 수 밖에 없음

하지만 위상공간은 좀 특수한 공간이라 운동량이 다르면 위치가 똑같더라도 다른 좌석이 존재함

어쨋든 페르미 입자

그러니깐 전자와 양성자 중성자들은 한 좌석에 한 입자만 있을 수 있다는 이야기임

그렇게 만석이 되면 기차라는 위상공간에는

더이상 입자가 들어올 수 없음

즉 1좌석=1입자

그러면 중성자별은 어떨까?

중성자별은 중성자로 꽉꽉 차있음

따라서 준비된 좌석은 만석상태임

이 상태에선 단 하나의 중성자라도 빈 자리가 없으니깐 떨어져 나가버림

파울리의 배타원리는 이 한 좌석에 두 입자가 앉는걸 명백하게 금지하고 있기 때문임

이걸 축퇴압이라고 하며

중성자성을 더 이상 압축할 수 없게 만들 수 없는 이유다

근데 여기서 블랙홀이 등장함

블랙홀은 중성자성을 더 압축하면 탄생함

하지만 파울리의 배타원리는

이것을 절대 금지함

그럼 어떻게 블랙홀을 만들면 될까?

노을아 내일까지 중성자별을 압축해 오렴

거기서 또 등장하는게 하이젠베르크의 불확정성의 원리임

이걸 한마디로 정리하자면

입자의 위치와 운동을 동시에 관측할 수 없다는 것임

이걸 아까 축퇴압에 적용해 보겠음

기차의 모든 좌석에는 중성자들이 들어간 상태임

하지만 하이젠베르크의 불확정성의 원리에 의해

좌석의 수가 변동함

예를 들어 입자의 운동을 정확히 관찰하면 관찰 할 수록

위치적 좌석의 수가 늘어난다

반대로 입자의 위치를 정확히 관찰 할 수록

운동적 좌석의 수가 늘어남

중성자성의 중성자는 서로 움직일 수 없을정도로 꽉 채워져 있음

이를 다른 말로 표현하면

중성자의 위치를 매우 정확히 관측하고 있다는 이야기임

중성자의 위치를 높은 레벨로 관측하고 있기 때문에

입자가 취할 수 있는 운동의 폭은 매우 커짐

그렇다

운동적 좌석의 수가 매우 많이 늘어나는 상황이 되어버림

그래서 중성자를 추가하면 추가할수록

더욱 중성자의 위치를 더 정확히 관측하고 있다는 이야기가 되어버려

운동적 좌석의 수는 더더욱 증가하고 증가한 좌석에는

중성자가 들어가기 충분함

이것이 바로 파울리의 배타원리를 어기지 않고

중성자성을 압축하는 방법임

중성자별은 위치적 좌석과 운동적 좌석 모두 만석이여서

더이상 중성자가 들어갈 수 없다

보통 이상태에서 물질을 추가하면

추가된 체적만큼 중성자별의 체적이 증가함

중성자별은 조금 커지겠지만

하지만 실제로는 반대의 현상이 일어남

중성자성에 물질을 추가하면 중성자의 위치가 보다 정확하게 관측되므로

운동적 공간 즉 좌석의 수가 증가함

이 좌석에 중성자가 들어감으로 인해

물질을 공급하면 공급할수록

중성자별의 체적은 축퇴압을 넘어 점점 작아진다

이렇게 되면 중성자성의 중심에서 기묘한 현상이 발생함

중성자별의 중심의 밀도가 매우 높기 때문에

사건의 지평선이 나타남

그러나 이 단계에서는 사건에 지평선을 볼 수 없음

지평선이 중성자별 내부에 있기 때문임

이 중성자별에 물질을 계속 추가하면

중성자별은 계속 작아지고

사건의 지평선은 계속 커진다

그리고 결국 사건의 지평선이 중성자별의 표면을 삼켜버리고

이제 중성자별은 블랙홀이 되었음