- 우주의 미래

물체를 빨아들이기만 하는 천체 블랙홀이 우주에 있으면 우주의 모든 물질이 블랙홀에 흡수되어, 마침내 블랙홀만 남는 것이
아니냐는 의문이 생깁니다. 여기서는 블랙홀이 존재하는 우주가 어떠한 운명을 맞게 되는가에 대하여 생각하기로 합시다.

우리의 우주가 지금 팽창하고 있다는 것은 분명한 사실입니다. 그 우주가 어떻게 진화 할 것인가는 아인슈타인의 일반 상대성
이론으로 알 수가 있지요. 그것에 따르면 우주의 미래에는 두 가능성이 있는데, 그것을 결정하는 것은 우주 물질의 밀도입니다.

물질 사이의 중력은 우주의 팽창을 되돌리려고 하므로, 현재의 물질 밀도가 높을수록 미래의 우주 팽창은 늦어집니다.
특히 현재의 밀도가 어떤값(임계 밀도) 이상이 되면, 어느 시기에 우주는 팽창에서 수축으로 돌아서게 됩니다.

이 우주는 '닫힌 우주'라 불리며 우주의 부피는 유한입니다. 수축으로 돌아선 다음 그 우주는 유한 시간에서 붕괴되고 말지요.
또 우주의 밀도가 이 임계 밀도 이하인 우주에서는 부피가 무한대인 열린 공간이 되요.

이것은 '열린 우주'라 불리며, 이 때 우주는 영원히 계속하여 팽창합니다. 현재 우주의 밀도가 이 임계 밀도보다 높은지 아닌지에 대해서는 아직 분명히 알 수 없으므로 우주의 운명에 어떻게 영향을 미치는가를 생각해 봅시다


i ) 닫힌 우주

이 경우의 우주는 미래의 어떤시기에 팽창에서 수축으로 돌아섭니다. 블랙홀의 존재가 이 사실을 바꾸지는 못하죠 .

블랙홀은 주위로부터 물질을 흡수하여 자꾸만 크게 성장하고, 또 두 블랙홀이 충돌하면 하나의 더욱 큰 블랙홀이 될 것입니다.

호킹이 제시한 블랙홀의 정리에 따르면 블랙홀은 분열하지 않은 것으로 알려져 있습니다. 그렇게 생각하면 블랙홀은 자꾸만 합체하여 마지막에는

커다란 블랙홀이 우주에 하나만 남게 될 것 같아요. 그러나 닫힌 우주의 경우 우주의 나이는 유한이고, 우주는 수축하여 마침내 찌부러지고

맙니다. 그 때에 많은 블랙홀이 충돌하여 결국 하나로 합체하기에 앞서서, 우주는 찌부러지게 될 것입니다.

그래서 우주가 끝날 때에는 많은 블랙홀이 그대로 존재하고, 마침내
종말을 맞게 될 것으로 생각합니다.

ii ) 열린 우주

우주가 열려 있는 경우에는 어떻게 될까요?
이 경우의 우주는 영원히 팽창을 계속하므로 모든 블랙홀이 하나로

합체한다고 생각할 수 있지만, 정말은 우주의 팽창으로 블랙홀의 수와
밀도가 급속히 감소하여 블랙홀의 간격이 자꾸만 멀어지게 되므로

블랙홀끼리의 충돌 빈도가 줄어듭니다. 그러는 사이에 블랙홀의 증발이 시작되고, 결국 블랙홀은 없어지고 맙니다.

블랙홀이 증발, 소멸하는데 걸리는 시간은 질량의 세제곱에 비례하고,
태양의 질량 정도의 블랙홀에서는 우주나이의 10의 54승 배나 걸립니다.

이것이 은하중심에 있는 것으로 여겨지는 더욱 무거운 블랙홀이라면 정신이 아찔할 정도의 숫자가 나겠죠? 그와같은 경우 블랙홀의 증발 등은 생각하지 않아도 무방할 것 같지만,우주는 무한히 계속하여 팽창하므로 시간은 얼마든지 있지요.

블랙홀이 증발한 다음에는 블랙 홀에서 나온 질량이 0인 입자(중성 미자, 광자, 중력자 등)가 주로 존재합니다. 더욱이 소립자의 '대통일 이론(GUT)'이 옳다면 양성자 등도 붕괴하여, 마지막에는 전자등 가장 가벼운 안정 입자만이 남습니다.

모든 구조도 소멸되고, 거의 진공에 가까운 희박한 우주만이 팽창을 계속할 뿐입니다. 우주의 운명은 빈 우주가 되어 버리든가, 아니면 유한의 생명을 가진 우주가 되어 버리든가 둘 중의 하나일 것입니다.

- 블랙홀에 우주선이 다가가면?



가령 블랙홀에 자꾸만 접근한다면 어떻게 될까요? 우주선을 타고 블랙홀에 접근해 가는 사람과, 블랙홀에서 멀리 떨어진 우주 선에서 관측을 하는 두 사람을 가정해 봅시다.

우주선을 타고 블랙홀에 접근하는 사람은 강한 중력에 이끌려서 가속되어, 사상의 지평면을 지난 것을 모르고 있을 것입니다.

그리고 갑자기 시공간이 특이점에서 끝나고 맙니다. 이 경우 우주선은 강한 조석력으로 찢겨지겠죠. 태양 질량 정도의 블랙홀의 사상의 지평면을 지날 때, 신장 약 2m인 사람의 머리와 발끝 사이에 10억 G(만유 인력 상수 )나 되는 조석력이 걸리기 때문입니다.

한편 블랙홀에서 멀리 떨어져 있는 우주선의 사람이 보면, 이 우주선이 블랙홀에 접근하는데 무한의 시간이 걸리는 것처럼 보여요. 블랙홀로 우주선이 떨어져 들어갈 때의 속도는 거의 광속에 가깝죠.

광속에 가까운 속도로 운동하는 경우의 시간의 흐름은, '특수 상대성 이론'에서는 관측자에게 크게 의존합니다. 사상의 지평면을 지날 때에 그 우주선을 타고 있는 사람의 시계로는 유한의 시간으로 통과할 수 있지만, 멀리 떨어져 있는 우주선에 있는 사람에게는 같은 현상이 무한의 시간이 걸리는 것처럼 보입니다.

요컨대 블랙홀에 접근함에 따라 우주선의 속도는 차츰 떨어지고, 마지막에는 사상의 지평면에 고정된 채 움직이지 않게 되는 것을 보게 될 것입니다.



여하튼 블랙홀에 접근함에 따라 우주선에서 나온 빛은 강한 중력에 의해 그 파장이 적색 쪽으로 크게 이동해 갑니다.
그 결과 가시광의 범위에서 벗어나 우주선 그 자체가 보이지 않게 됩니다.

- 시간 여행


시간의 방향에는 과거와 미래가 있습니다. 시간 여행(Time Travel)에서 미래로만 간다면 그리 머지않은 장래에 가능해질지도
모릅니다. 예를들어 인공 동면(人 工冬眠)의 기술이 개발되면 가능해지는 것이지요.

그러나 미래로 가는 것만이라면 그것은 타임 머신( Time Machine)이라고 할 수 없습니다. 미래로 갔다가 돌아옴으로써 아직
일어나 있지 않은 시간을 알 수 있습니다. 문제는 과거로의 시간 여행인 것이죠.

캘리포니아 공과 대학의 손팀은 이와 같은 과거로의 타임 머신을 '윔홀(Wormhole)' 을 사용하여 해결할 수 있지 않을까 생각하고 있습니다. 윔홀이란 두 개의 블랙홀을 이은 것과 같은 시공간을 말합니다.

단 양쪽의 입구에 사상의 지평면이 있으면 그 안에 들어가 버려 두 번 다시 밖으로 나올 수 없게 되므로, 양쪽의 지평면이 일치되어 하나의 지평면이 되도록 붙어 있어야 합니다. 그것이 가능한지 어떤지는 아직 알 수 없습니다.

가령 그것이 가능하다면 타임 머신을 만들 수 있다고 합니다. 그러나 윔홀을 사용한 타임머신이 실현 가능하다고는 단언할 수
없지요. 인간이 빠져 나갈 수 있을 만큼의 큰 윔홀을 과연 만들 수 있는 것인지, 또 만들 수 있다고 해도 그것이 장기간 안정되게

존재할 수 있는지 등의 해결되지 않은 문제들이 많습니다. 현재 그에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지요. 과거로의 시간 여행이 가능해지면, 이미 존재하고 있는 역사를 다시 고쳐 쓸 수 있을까요?

호킹은 '역사 연표 보존 가설'을 제창하여, 물리 법칙은 그와 같은 윔홀의 존재를 금지하고 있다고 주장합니다.