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스티븐 호킹(Stephen Hawking, 1942~)은 위대한 우주물리학자 중 한 사람입니다. 그는 우주 만물이 탄생한 순간의 비밀을 연구하고 있습니다. 20년 전 그가 저술한 서적은 세계적인 베스트셀러가 됐습니다. 이 책에서 그는 머지않아 하나의 강력한 이론으로 우주의 모든 신비를 설명할 것이라고 약속합니다. 우주의 탄생 이유와 우주의 소멸 여부를 밝혀 주는 만물 이론입니다. 우리는 오랜 질문에 대한 해답을 향해 다가가고 있습니다. 우주 만물은 어떻게 생겨났을까요? 그는 언제쯤 우주 탄생의 비밀을 풀 수 있을까요? | |
스티븐 호킹의 우주 이론.
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블랙홀에서 빅뱅 이론을 설명하는 열쇠를 찾다
스티븐 호킹이 20대였던 당시 과학자들은 무에서 유를 창조할 수 있다는 빅뱅 이론에 여전히 회의적이었습니다. 호킹은 진실을 밝히고 싶어했습니다. 1965년 첫 번째 기회가 찾아옵니다. 그는 뛰어난 수학자 로저 펜로즈(Sir Roger Penrose, 1931~)의 강의에 참석합니다. 펜로즈는 놀라운 주장을 펼칩니다. 거대한 물체가 사라지는 구멍이 공간 속에 존재한다는 것입니다. 물질이 유에서 무로 사라진다면 반대로 무에서 태어나는 것도 가능할지 모릅니다. 이것이 빅뱅을 입증하기 위한 호킹의 첫 걸음이었습니다. 하지만 어떻게 공간 속에 구멍이 존재할 수 있을까요?
로저 펜로즈는 블랙홀의 중심에서 점으로 이루어진 중력을 발견하고 '특이점'이라고 부릅니다. 블랙홀 안으로 들어가면 우리가 아는 물리 법칙에 어긋나는 일이 발생합니다. | |
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특이점은 시공간이 사라지는 지점이라고 말할 수 있습니다. 특이점은 공간 속에 뚫린 배출구와 같습니다. 이곳에 떨어진 모든 것이 사라집니다.
호킹은 반대 상황도 가능하지 않을까 생각합니다. 빅뱅 이론에 의하면 우주 만물은 아무것도 없는 점 하나에서 갑자기 탄생했습니다. 블랙홀이 이 사건을 설명하는 열쇠가 될 수 있을까요? 호킹은 번득이는 천재성으로 단순한 해답을 발견합니다. 펜로즈의 정리에서 시간의 방향을 바꾸면 붕괴가 팽창이 된다는 걸 깨달았습니다. 만물을 빨아들이는 대신 이제 블랙홀은 폭발과 함께 공간, 물질, 시간을 뿜어냅니다. 이것은 빅뱅 이론과 정확히 일치합니다. 수많은 회의론 속에서 호킹은 무에서 우주가 탄생했다는 것을 입증합니다. | |
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스티븐 호킹은 블랙홀의 특이점에서 시공간이 사라지는 것처럼, 반대로 아무 것도 없는 점 하나에서 폭발이 일어나 공간, 물질, 시간이 뿜어져 나올 수 있다고 생각했다. |
스티븐 호킹은 빅뱅 이론에 대한 회의론 속에서 무에서 우주가 탄생했다는 것을 입증한다. |
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상대성 이론과 양자역학의 통합
스티븐 호킹은 우주의 출발점을 발견했습니다. 특이점이라고 알려진 공간 속의 작은 구멍입니다. 이것이 빅뱅을 일으켰고 우주 만물을 만들었습니다. 하지만 그는 폭발 원인을 밝혀 내지 못했습니다. 우리는 왜 여기에 있고 어디에서 왔을까요? 우주의 기원을 찾기 위해 호킹은 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)의 일반 상대성 이론을 사용했습니다. 이 이론은 중력이 행성이나 항성 같은 큰 물체에 미치는 영향을 설명합니다. 하지만 탄생 당시의 우주는 원자보다 작았습니다. 따라서 우주의 성장 과정을 이해하려면 미시 세계를 설명하는 이론이 있어야 합니다. 바로 양자역학입니다. 문제는 중력의 법칙을 거스르는 원자는 예측할 수 없다는 것입니다. 일반 상대성 이론과 양자역학은 양립할 수 없습니다. 스티븐 호킹은 일반 상대성 이론과 양자역학을 한데 통합하는 작업에 착수합니다. | |
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만물 이론에 가장 근접한 “호킹 복사”
호킹은 빅뱅이 일어나는 순간에 중력 이론과 양자역학이 상충한다는 점을 알고 있습니다. 하지만 그는 블랙홀 안에서도 둘이 상충한다고 믿습니다. 블랙홀 안에선 수많은 물질이 짓눌려 작은 점이 됩니다. 그래서 그는 블랙홀을 다시 연구합니다. 블랙홀 안에서 두 이론을 통합할 수 있다면 빅뱅을 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 상대성 이론에 의하면 블랙홀의 경계에는 어떤 것도 존재할 수 없고 모든 것이 빨려 들어갑니다. 하지만 양자역학에서는 빈 공간은 존재하지 않으며 짝을 이룬 미세 입자로 가득합니다. 우리가 공간을 바라볼 때는 비어 있는 것처럼 보이지만 미시 세계에선 그렇지 않다는 것입니다. 실제로는 끊임없이 생겨나는 가상의 입자들로 가득하며 서로를 파괴합니다. 에너지 파동은 공간에서 작은 입자를 생성하며 모든 입자에는 그에 상응하는 반입자가 존재합니다. 하나는 양 에너지를 지니며 다른 하나는 음 에너지를 지닙니다. 새로 생성된 이 한 쌍은 충돌하며 서로를 파괴합니다. | |
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그는 번득이는 영감을 얻습니다. 입자가 양성과 음성으로 나뉜다는 사실에 해답이 있습니다. 호킹이 깨달은 흥미로운 사실은 이런 한 쌍의 입자가 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 생성되면 음 에너지는 블랙홀로 유입되지만 양 에너지는 복사되어 탈출합니다. 음성 입자는 블랙홀로 빨려 들어가지만 양성 입자는 에너지가 충분해 빨려 들어가는 걸 피할 수 있고 복사 입자로 방출됩니다. 호킹은 블랙홀이 열을 발산하며 양성 입자가 에너지원이라는 사실을 입증했습니다. 이것을 '호킹 복사'라고 부릅니다.
블랙홀을 탈출할 수 있는 존재의 발견은 세상을 놀라게 합니다. 호킹은 중력이 음성 입자를 빨아들이는 한편 양자역학에 의해 양성 입자가 탈출한다는 사실을 입증합니다. 이제 일반 상대성 이론과 양자역학은 양립할 수 있습니다. 이것은 만물 이론에 가장 근접한 이론입니다.
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