호킹 복사
[image]
1. 개요
호킹 복사(Hawking radiation)는 스티븐 호킹이 주장한 양자 중력 이론의 하나로서 블랙홀이 방출하는 열복사선이다.
2. 발생 원인
양자 역학 이론에서는 진공에서 아무 일도 일어나지 않는 것이 아니라 불확정성 원리에 의해서 전자와 양전자가 수시로 생성되었다가 서로 충돌하여 소멸하기를 반복하고 있다고 알려져 있다. 이것을 양자 요동(Quantum Fluctuation) 또는 양자 떨림(Quantum Jitter)이라고 하는데, 일반적인 양자 요동은 매우 짧은 시간(10-44초[1]) 만에 사라져버리기 때문에 관측하기가 극도로 어려우며 만약 운이 엄청나게 좋아서 그 시간 동안 양자 요동을 발견했다고 가정해도 불확정성 원리에 의해서 일정 정밀도 이상 측정하는 것이 불가능하다. 그러나 이 양자 요동이 블랙홀의 사건의 지평선에서 일어날 경우에는 조금 이야기가 달라진다.
사건의 지평선 근처에서 전자와 양전자가 생성됐는데, 확률적으로 어느 한쪽이 블랙홀에 빨려들어 가고 나머지 한쪽은 탈출하게 되면, 그 탈출한 입자는 합쳐져 소멸할 상대가 없어졌기 때문에 마치 블랙홀에서 입자를 방출하는 것처럼 보이는 것이다. 따라서 외부에서 볼 때 블랙홀이 바깥으로 에너지를 방출하는 셈이 되는데 전체 에너지는 보존되어야 하므로 블랙홀의 질량은 감소해야 한다.[2] 여기서 중요한 건 '''음의 에너지를 가지는 쪽만 흡수된다'''는 것이다.[3] 음의 에너지를 갖는 입자는 현실에서 존재할 수 있는 확률 자체가 0이므로 그 반대 방향, 즉 블랙홀이 (양의) 에너지를 갖는 입자를 방출하는 것만 나타나는 셈이 된다. 이로 인해 모든 블랙홀은 언젠가 소멸한다는 것이 증명되었는데, 다만 블랙홀이 주변에서 흡수하는 에너지량보다 방출하는 에너지량이 커져야만 비로소 블랙홀의 질량이 줄어들기 시작하며 그 기점은 우주의 온도 및 각 블랙홀의 질량에 따라 달라진다. 소멸하는 속도는 블랙홀이 작아질수록 더 빨라진다고 한다. 예를 들어 우주 초창기에 수많은 미니 블랙홀들이 생성되었는데, 너무 작아서 소멸하는 속도가 너무 빨랐고, 곧바로 소멸했다고 한다. LHC에서 만들려고 하는 미니 블랙홀도 비슷해서 생기자마자 순식간에 증발할 거라고 한다. 다만 우주에서 볼 수 있는 평균적인 크기의 블랙홀이 완전히 소멸되는 데 걸리는 시간이 약 1066년 정도로 끔찍하게 느린 속도이다.[4]
증발 시간 공식은 $$\displaystyle t=\frac{5120\pi{G}^{2}{M}^{3}}{{h}{c}^{4}}$$이다.이는 대략 $$\displaystyle 8.41092\times{10}^{-17}\left [ \frac{M}{kg} \right ]^{3}second\approx2.66532\times{10}^{-24}\left [ \frac{M}{kg} \right ]^{3} year$$이다.
반대로 증발 시간을 알 경우 위 공식을 $$M$$에 대해 정리한 공식은 $$\displaystyle M=\sqrt[3]{\frac{th{c}^{4}}{5120\pi{G}^{2}}}\approx2.2871\times{10}^{5}\left ( \frac{t}{second} \right )^{\frac{1}{3}} kg\approx7.2\times{10}^{7}kg\left ( \frac{t}{year} \right )^\frac{1}{3}$$이다.[5]
3. 근황
일반 상대성 이론과 양자 역학은 양립할 수 없다는 것이 기존 물리학계의 입장이었다. 그러나 호킹 복사를 통해 두 이론이 같이 양립할 수 있는 가능성이 확인되었다. 워낙 특이한 이론이다 보니 호킹 복사가 실제로 존재하는지는 아직까지도 물리학자들 사이에 논란이 많다.[6]
관련해서 레너드 서스킨드를 비롯한 일군의 과학자는 블랙홀 논쟁(블랙홀 전쟁)을 촉발시켰으며 30년간의 긴 논쟁 끝에 2005년 스티븐 호킹은 "블랙홀이 일방통행이 아니라 빠져 들어간 정보가 방출될 수도 있다"면서 호킹 복사의 오류를 인정했다. # 또한 2014년에도 "탈출이 불가능한 블랙홀은 없다"는 의견을 피력하였다.
호킹 복사의 유도과정을 보고 싶다면 여기를 참고하자.
간접적으로 유사 실험을 설계해 시행한 적이 있다. 기사
블랙홀의 복사온도는 질량에 반비례한다. 그리고 사건의 지평선의 표면적은 질량의 제곱에 비례하므로, 블랙홀이 방출하는 복사 에너지는 질량의 제곱에 반비례한다. 그러므로 블랙홀이 증발하는 데 걸리는 시간은 질량의 세제곱에 비례한다.
2016년 8월, 이스라엘의 과학자가 호킹 복사의 실험에 성공했다는 보도가 나왔다. 원 출처는 러시아의 일간지로 러시아 쪽 언론들은 대부분 인용 보도했다. 그러나 이 보도에서도 반론이 있어서 앞으로 검증과정이 필요한 상황이다.
2019년 5월 29일, 위의 이스라엘 과학자 Jeff Steinhauer가 모의 블랙홀에서 나오는 호킹 복사를 보고하였다.[7] 현재 국제적인 과학지인 네이처에 논문이 올라왔다.
[1] 플랑크 시간.[2] 즉, 양자 요동으로 인하여 전자와 양전자(전자 2개분 질량)가 생성되면 서로 쌍소멸 해서 다시 에너지로 돌아가야 하는데, 서로 쌍소멸이 안 되고 하나가 탈출을 하게 되므로, 에너지 보존법칙에 따라 블랙홀에서 나머지 전자 1개분의 에너지가 충당되는 것.[3] 의외로 많은 사람들이 착각하는 것 중 하나가 바로 블랙홀은 반물질만 흡수한다는 것인데, 실제로는 물질 쪽이든 반물질 쪽이든 상관 없이 음의 에너지를 갖는 것만 흡수한다. 물론 둘 중 누가 음의 에너지를 갖는지는 그야말로 무작위이다. 디랙의 바다 같은 개념 때문에 반물질이 음의 에너지를 갖는다고 여겨져서 그런 것 같은데, 현재 양자장론을 바탕으로 하는 상대론적 양자역학에서는 더이상 디랙의 해석이 쓰이지 않으며, 여기서 반물질도 똑같이 양의 에너지를 갖는다. 즉, 단순히 반물질만 들어가면 쌍소멸로 에너지가 늘어날 뿐이다.[4] 게다가 2.7K의 우주배경복사의 존재 때문에 외부에서 에너지를 공급받는 셈이라 우주배경복사로 얻는 에너지보다 호킹복사로 잃는 에너지가 더 많으려면 블랙홀의 질량은 달보다 작아야 한다. 물론 시간이 흐르면 우주배경복사 온도도 점점 낮아지겠으나 그러려면 또 어마어마한 시간이 필요하다.[5] 여기에서 $$G$$는 만유인력상수이고 $$h$$는 플랑크 상수이다.$$\pi$$는 원주율이고 $$c$$는 진공 중 빛의 속력이며 $$M$$은 블랙홀의 질량이고 $$t$$는 질량 $$M$$인 블랙홀이 호킹 복사에 의해 증발되는 데 필요한 시간이다. second는 1초이고 year는 1년이다.[6] 호킹 복사를 부정하는 물리학자들은 대부분 초끈 이론을 통해서 호킹 복사가 설명하고 있는 현상을 대체할 수 있다고 주장한다.[7] 실제 블랙홀이 아니라 Bose Einstein condensate으로 만든 analogue blackhole이기 때문에 실제 블랙홀에선 입증된게 아니다.