우주에는 기존의 이론으로 설명이 불가능한 '특이점'이라는 것이 존재합니다. 천문학이나 블랙홀에 관한 화제에서 등장하는 특이점에 대해 과학계 뉴스사이트 Live Science가 설명했습니다.

What is a singularity? | Live Science
https://www.livescience.com/what-is-singularity

What is a singularity?

There are places in the universe where our laws of physics simply break down.

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◆ 특이점은 어떤 점인가?

특이점은 인공지능이나 인문과학 등의 연구분야에서도 나오는 용어로, 물리학자가 우주를 논할 때 나오는 경우에는 '우주를 이해하는데 사용하는 수식이 오작동하는 장소'를 가리킵니다.

예를 들어, '1/X'를 포함하는 방정식에서 X의 값이 0이 되면 방정식의 값이 무한대가 되어 이론이 성립되지 않게 됩니다. 일반적으로 이론이 성립하지 않게 되는 원인은 방정식에 무언가가 부족할 때나 그런 일이 일어나는 것이 물리적으로 있을 수 없는 케이스입니다만, 물리학에는 그것으로 정리할 수 없는 특이점이 몇 가지 있습니다. 그 중 가장 유명한 것이 중력장이 무한대가 되는 '중력의 특이점'입니다.


◆블랙홀의 '중력의 특이점'

중력의 특이점은 지금까지 가장 잘 중력에 대해 설명하고 있는 이론이라고 불리는 아인슈타인의 일반상대성이론에 등장하는 것입니다.

일반상대성이론을 바탕으로 블랙홀을 발견한 물리학자 카를 슈바르츠실트는 먼저 일반상대성이론을 보통 별과 같은 구형 질량을 가진 심플한 천체에 적용해 보았습니다. 그러자 천체의 중심으로부터 슈바르츠실트 반경의 거리만큼 떨어진 위치에 특이점, 즉 일반상대성이론이 성립되지 않게 되는 장소가 있다는 계산결과가 나왔습니다.

이 특이점은 일반상대성이론을 파탄시킬 수 있는 것이어서 오랫동안 논란이 되어 왔는데, 연구가 진행됨에 따라 슈바르츠실트 반경보다 별의 반경이 클수록 문제가 없다는 것을 알게 되었습니다. 예를 들어 태양의 슈바르츠실트 반경은 3km인데 비해 태양의 반경은 약 70만km이기 때문에 태양은 일반상대성이론으로 충분히 설명할 수 있습니다. 이 특이점은 장소에 따라서는 특이점이 되지 않기 때문에 '좌표 특이점'이라고 분류합니다.


그러나 별의 반경이 슈바르츠실트 반경보다 작다면 문제는 해결되지 않습니다. 게다가 현실에 있는 천체가 슈바르츠실트 반경보다 작을수록 강하게 압축되면서 블랙홀이 되어, 그 중심에서는 강력한 중력으로 물체가 무한히 작은 점이 됩니다. 이 점이 '진정한 특이점'이고 중력이 무한대가 되기 때문에 '중력의 특이점'이라고 불리기도 합니다.

◆우주검열가설과 '벌거벗은 특이점'

특이점의 문제가 해결되지 않았기 때문에 일반상대성이론이 파탄난 것은 아닙니다. 왜냐하면 빛조차 탈출할 수 없는 블랙홀 내부에서는 아무것도 나오지 않고 블랙홀 내부를 관측할 수도 없기 때문에 어떤 의미에서는 '블랙홀의 중심에 어떤 특이점이 있든지 간에 이 세계의 사건과는 아무런 관계도 없다'고 볼 수 있기 때문입니다.


이와 같이 블랙홀의 내측과 외측을 분리하는 경계면을 '사건의 지평면'이라고 합니다. 또 특이점은 항상 사건의 지평면 너머에 있다는 생각은, 마치 누군가가 특이점을 숨기고 있는 것처럼 보이기 때문에 '우주검열가설'이라고 명명되었습니다.

그런데 최근 행해진 이론적인 연구나 컴퓨터 시뮬레이션으로 노출된 상태의 특이점, 즉 '벌거벗은 특이점'이 존재할 가능성이 지적되고 있습니다. 정말 벌거벗은 특이점이 존재하는지 여부는 연구자들 사이에서도 의견이 나뉘어 있다고 합니다.

◆빅뱅 이전에도 특이점은 있었는가?

일반상대성이론과 실제로 우주를 관측한 결과로 우주는 약 137억 7000만 년 전 빅뱅 이후 오늘까지 계속 확산하고 있다는 것을 알게 되었습니다. 따라서 시간을 약 137억 7000만 년 되감으면 우주가 부풀기 전에 존재한 무한히 작은 점, 즉 특이점에 도착합니다. 그러나 앞서 언급했듯이 특이점에서는 일반상대성이론은 통용되지 않습니다.


이 문제를 해결하기 위해 연구자는 일반상대성이론을 넘어 양자중력이론을 찾고 있으며, 그 후보 중 하나가 인과집합이론입니다.

이 인과집합이론에서는 우주는 무한한 인과관계로 이루어져 있다고 생각하기 때문에 무언가가 일어나기 전에는 무언가가 일어나고 있었다. 즉, 우주는 무한한 옛부터 계속되고 있기 때문에 우주에는 시작도 없었던 것이 되어 빅뱅 이전에 존재했다는 특이점의 문제도 해결됩니다.

Posted by 말총머리
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