블랙홀 중심에는 특이점이라는 게 있다고 한다. 부피는 0인데 밀도는 무한대인 한 점이다.
그런데 부피가 0인데 무게가 있다는 게 상식에 안 맞는다. 나는 이 말이 처음부터 좀 찝찝했다.
그래서 파봤다. 특이점은 정말 존재하는 걸까, 아니면 이론이 거기서 무너지는 걸까. 하나씩 쉽게 풀어봤다.
블랙홀 특이점이 뭔가
블랙홀 특이점은 모든 질량이 부피 0인 한 점에 몰린 상태를 말한다. 그래서 밀도가 무한대가 된다.
무한대라는 건 사실 계산기로 치면 0으로 나눈 것과 같다. 화면에 답이 아니라 오류가 뜨는 상황이다.
나도 부피 0에 무게가 있다는 말이 처음엔 잘 안 믿겼다. 알고 보니 물리학자들도 이 무한대를 반기지 않았다.
물리학에서 무한대가 나오면 대개 답이 아니라 경고이기 때문이다. 우리 이론이 여기서는 안 통한다는 신호인 셈이다.
그러니 특이점은 곧 물음표다. 정말 그런 점이 있는 건지 계산이 깨진 건지가 애매하다.
그래서 특이점은 실재하는 물체라기보다 계산이 끝나는 지점에 가깝다. 이 애매함이 오늘 이야기의 출발점이다.
이론은 특이점이 피할 수 없이 생긴다고 한다
1965년 로저 펜로즈는 특이점이 피할 수 없이 생긴다는 걸 수학으로 증명했다. 이 공로로 2020년 노벨 물리학상을 받았다.
아인슈타인의 중력 이론을 따르는 한 블랙홀 안에서 물질이 무한히 수축하는 걸 막을 힘이 없다는 것이다.
중성자별까지는 알갱이끼리 밀어내는 힘으로 버틴다. 그런데 그마저 이기는 중력이 걸리면 더는 버틸 방법이 없다.
그러면 물질은 한 점으로 쏠리고 밀도는 무한대가 된다. 이 이론이 맞다면 특이점은 틀림없이 있는 셈이다.
블랙홀이 결국 생긴다는 이 정리는 사건의 지평선 이야기와도 이어진다.
무한대는 특이점 이론이 틀렸다는 신호다
문제는 그 이론이 정말 끝까지 맞느냐는 점이다. 무한대가 나오면 대개 이론에 구멍이 있다는 뜻이다.
비슷한 일이 전에도 있었다. 옛날 전자기 이론으로 전자의 에너지를 계산하면 무한대가 나왔다.
그건 옛 이론의 한계였다. 양자역학을 더한 새 이론이 나오면서 깔끔히 풀렸고, 무한대도 사라졌다.
찾아보니 특이점의 무한대도 같은 패턴일 가능성이 커 보였다. 지금 이론이 끝나는 자리라는 뜻이다.
즉 특이점 자체가 진짜라기보다, 지금 중력 이론의 한계를 드러내는 표시일 수 있다. 이론이 안 통하는 영역이라는 얘기다.
그래서 중력과 양자역학을 합친 새 이론이 필요하다. 이걸 양자중력이라고 부르는데, 아직 완성된 건 없다.
양자중력은 특이점 대신 플랑크 별을 말한다
양자중력 후보들은 특이점이 아예 없다고 본다. 무한히 수축하는 대신 어느 밀도에서 딱 멈춘다는 것이다.
시공간에는 더 쪼갤 수 없는 최소 단위가 있다고 본다. 그 크기가 약 10의 마이너스 35제곱 미터, 플랑크 길이다.
이 최소 단위보다 더 작게는 쪼갤 수 없다는 것이다. 레고 블록처럼 더는 나뉘지 않는 바닥이 있는 셈이다.
물질이 이 극한 밀도까지 쪼그라들면 양자 효과가 중력을 밀어내며 수축을 멈춘다. 무한대 대신 아주 크지만 유한한 밀도에서 버티는 것이다.
이렇게 붕괴가 튕겨 멈춘 상태를 플랑크 별이라고 부른다. 2024년 무렵 연구에서 이 그림이 더 구체적으로 그려졌다.
특이점이라는 무한의 점 대신, 상상 못 하게 빽빽하지만 끝이 있는 알맹이가 있다는 셈이다. 나는 이 반전이 제일 신기하게 와닿았다.
공을 세게 눌렀다 놓으면 튀어 오르듯 물질도 극한에서 튕긴다는 그림이다. 무한이 아니라 아주 큰 유한이라는 점이 핵심이다.
블랙홀 특이점의 답은 아직 열려 있다
정리하면 특이점은 지금 이론이 그린 답이지 확인된 사실이 아니다. 무한대라는 꼬리표가 그걸 말해준다.
양자중력이 완성되면 특이점은 플랑크 별 같은 유한한 무언가로 바뀔지 모른다. 다만 아직 그 이론이 없다.
그래서 지금으로선 누구도 특이점의 정체를 단정할 수 없다. 이론끼리 서로 다른 답을 내놓고 있는 상태다.
블랙홀 중심의 크기 이야기는 특이점에서 사건의 지평선까지 거리 글에 적어놨다.
특이점은 답이 아니라, 지도 끝에 적힌 여기부터는 미지의 땅이라는 표시에 가깝다.
무한대라는 말이 사실은 우리의 무지를 가리키는 표시라는 게, 나는 오래 기억에 남았다.
다음에 블랙홀 그림을 보면 그 한가운데가 답이 아니라 커다란 물음표로 보일 것 같다.
자주 묻는 질문
Q1. 블랙홀 특이점이 뭔가
A. 블랙홀 중심에서 모든 질량이 부피 0인 한 점에 몰린 상태다. 그래서 밀도가 무한대가 된다.
Q2. 특이점은 진짜 존재하나
A. 확실하지 않다. 지금 중력 이론은 반드시 생긴다고 하지만, 무한대라는 값 자체가 이론의 한계를 뜻할 수 있다.
Q3. 왜 무한대가 나오면 이론이 틀렸다고 보나
A. 물리에서 무한대는 대개 답이 아니라 경고다. 옛 전자기 이론의 무한대도 양자역학이 나오며 해결된 전례가 있다.
Q4. 플랑크 별은 뭔가
A. 양자중력이 예측하는 상태로, 물질이 무한히 수축하는 대신 극한 밀도에서 튕겨 멈춘 아주 빽빽하지만 유한한 알맹이다.
Q5. 그럼 언제 답이 나오나
A. 중력과 양자역학을 합친 양자중력 이론이 완성돼야 한다. 아직 완성된 이론은 없어서 열린 질문으로 남아 있다.
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