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유명한 SF 작가 류츠신(劉慈欣)이 소설 《시운(詩雲)》에서 '미니 화이트홀'을 묘사한 적이 있어 많은 사람들의 상상력을 자극했다. 상상해보자. 우주에 이런 천체가 있다면, 마치 마르지 않는 '분수'처럼 끊임없이 빛과 물질을 분출하고, 어떤 물체든 가까이 가면 격렬하게 '밀어내는' 것이다.
이것이 바로 이론상의 화이트홀이다.
화이트홀을 이해하려면 먼저 그것의 '쌍둥이 형제'인 블랙홀부터 알아야 한다.
20세기 초, 물리학자 칼 슈바르츠실트는 아인슈타인의 일반상대성이론의 정확한 해를 구했다. 이 수학적 결과는 다음을 예언했다: 만약 천체의 질량이 어떤 임계 반지름(후에 '슈바르츠실트 반지름'이라 불림) 내로 압축되면, 그 주변의 시공간이 극도로 휘어져 빛조차 탈출할 수 없는 영역이 형성된다. 이 영역이 바로 블랙홀이다.
그러나 블랙홀의 존재는 한때 많은 의구심을 받았고, 아인슈타인조차 이것을 단순한 수학적 가상의 산물로 여겼지, 실제로 존재한다고 보지 않았다.
1971년이 되어서야 천문 관측을 통해 백조자리 X-1 쌍성계에서 청색 초거성과 함께 있는 보이지 않는 천체가 블랙홀일 가능성이 매우 높다는 것이 밝혀졌다. 그 후 점점 더 많은 관측 증거들이 블랙홀이 은하 중심과 대질량 항성의 잔해에 광범위하게 존재한다는 것을 보여주었다. 2019년에는 M87 은하 중심의 초대질량 블랙홀 사진이 공개되어 우리가 블랙홀을 '볼' 수 있게 되었다. 최근에는 이 블랙홀의 새로운 사진도 나왔다.
블랙홀을 우주의 '무저갱'에 비유한다면, 가까이 가는 모든 물질이 삼켜지고 빛조차 탈출할 수 없는 반면, 화이트홀은 정반대다: 어떤 것도 들어갈 수 없게 하고, 오직 물질과 에너지를 밖으로 '토해내는' 역할만 한다.
흥미롭게도 화이트홀과 블랙홀은 수학적으로 같은 '해'다 - 질량, 각운동량, 전하가 모두 같고, 유일한 차이는 시간이 거꾸로 흐른다는 것이다.
블랙홀은 끊임없이 물질을 삼키는 '들어가기만 하고 나오지 않는' '우주의 심연'이다. 만약 시간을 거꾸로 돌린다면, 그것은 끊임없이 물질을 분출하는 화이트홀이 된다. 더욱 놀라운 것은, 일부 이론에 따르면 블랙홀과 화이트홀 사이가 '웜홀'이라는 시공간 터널로 연결되어 있을 수 있다는 것이다. 만약 한 입자가 블랙홀로 떨어져 웜홀을 통과한다면, 화이트홀에서 분출될 가능성이 있어 - 진정한 의미의 '성간 여행'을 실현할 수 있다.
이론은 성립하지만, 현실에서 화이트홀이 정말 존재할까?
지금까지 화이트홀이 실제로 존재한다는 어떤 관측 증거도 없다. 일부 과학자들은 화이트홀에 합리적인 형성 메커니즘이 부족하다고 본다 - 블랙홀은 대질량 항성의 붕괴로 형성되는데, 시간을 거꾸로 돌려도 붕괴 전의 항성으로 돌아갈 뿐 화이트홀이 형성되지는 않는다는 것이다.
하지만 일부 과학자들은 화이트홀 이론이 우주의 특정 현상들을 설명하는 데 사용될 수 있다고 본다. 예를 들어 퀘이사의 놀라운 에너지 출력이나, 심지어 우리 우주의 탄생 자체도 원시 화이트홀의 분출에서 비롯되었을 가능성이 있다. 하지만 이러한 추측들은 모두 천문 관측의 뒷받침이 부족하다.
화이트홀의 존재가 아직 증명되지 않았음에도 불구하고, 일부 과학자들은 새로운 추측을 제시했다.
일반상대성이론은 블랙홀 중심에 밀도가 무한대인 '특이점'이 있다고 예언하는데, 이는 양자역학과 모순되어 일반상대성이론이 특이점 근처에서는 더 이상 적용되지 않음을 의미한다. 이탈리아 물리학자 카를로 로벨리는 루프 양자중력을 연구하면서 다음과 같이 제안했다: 물질이 블랙홀에 의해 극한까지 압축될 때, 격렬한 양자 반발이 일어나 물질을 다시 분출시킬 수 있다 - 이때 블랙홀이 화이트홀로 변한다는 것이다. 만약 이 이론이 성립한다면, 우리 우주의 모든 블랙홀이 미래에 화이트홀이 될 수 있다.
어쩌면 머지않은 어느 날, 우리가 정말로 화이트홀을 발견하고, 화이트홀을 통해 우주 깊은 곳으로 통하는 성간의 문을 열 수 있을지도 모른다. (저자 양커는 서남대학교 물리과학기술학원 부교수)
출처: 인민일보, 2025년 10월 11일
(원문보기) https://tech.huanqiu.com/article/4Og9X6vK9Pj
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