노벨상 받은 블랙홀 연구, 뭐했길래? 이독실과 ※블랙홀 15분만에 이해하기 챌린지※ [KBS 201008 방송]

#블랙홀 #노벨물리학상 #지대넓얕이독실
이독실/ 과학 칼럼니스트
20. 10. 8. KBS1 '더 라이브' 방송 中

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* 인터뷰 내용을 인용, 보도할 때는 프로그램명 KBS '더 라이브'을 정확히 밝혀주시기 바랍니다.

■오언종: 노벨상 수상자 발표의 시즌입니다. 올해 노벨 물리학상의 영예는 블랙홀을 연구한 세 명의 과학자들에게 돌아갔습니다.
■이독실: 펜로즈 교수님이 절반의 영예를 가져가셨는데요. 이분이 블랙홀이 수학적으로 어떻게 가능한지 쉽게 말해서 이론적으로 블랙홀이 가능하다고 하는 것을 밝혀내신 분입니다. 상당히 오래됐습니다. 그래서 1965년에 이미 논문을 통해서 이 논문을 보면 수학적으로뿐만 아니라 실제로 가능할 것 같아 라고 하는 것을 이미 밝혀내신 거죠. 지금까지 기다리신 거예요, 65년부터. 그런데 이번에 수상이 가능했었던 이유는 겐첼과 게즈 팀이, 연구팀이 그분들은 실험 물리학자예요. 이 이론을 바탕으로 실제로 그것이 가능한지를 관찰을 해서 관찰을 해내야지만 노벨상을 받을 수가 있거든요. 그것이 인정이 되어서 블랙홀이라고 하는 것이 이론적인 것뿐만 아니라 실재한다고 하는 것이 명백하게 드러났다고 노벨상위원회가 판단을 하게 된 거죠. 관측을 한 겁니다. 정확히 관측을 했기 때문에 상을 받게 된 것도 있고 관측이 정확하게 됐기 때문에 이론의 증명까지 같이 가게 된 거죠.
■오언종: 그런데 제가 기억하기에 작년에 블랙홀 사진이 찍혔다, 이렇게 나왔지 않았습니까? 그때 증명된 거 아니었어요?
■이독실: 사실 작년에 그 사진이 그 이벤트 호라이즌 망원경 프로젝트팀에서 사진을 찍은 거예요. 그리고 그를 통해서 이번에도 강력한 후보 중의 하나였어요. 이분들이 아마 실험 물리학으로 노벨상을 받을 수 있었을 거다, 그런데 좀 차이가 있다면 이분들이 사진을 찍은 거는 우리은하의 중심을 찍은 게 아니고요. 우리은하 바깥에 있는 굉장히 멀리 떨어져 있는.
■오언종: 안드로메다예요?
■이독실: 더 멀리 떨어져 있는, 5500만 년 떨어져 있는 저 은하의 사진을 찍은 거고. 블랙홀의 어떤 가장자리를 촬영을 한 거예요. 그래서 그 연구 자체도 굉장히 귀하지만 이번에 상을 탄 겐첼과 게즈 연구팀 같은 경우는 굉장히 오랫동안 연구를 이미 해 왔었습니다. 그리고 과거에 이전 연구의 결과들이 있었고 또 50년이 넘도록 우리은하 중심에도 분명히 블랙홀이 있을 거야라고 생각을 해왔거든요. 그런데 우리은하 중심을 잘 관찰을 해서 실질적으로 우리은하 중심에도 거대한 초거대 질량의 블랙홀이 있다는 것을 알아내게 된 거죠.
■오언종: 그러니까 우리은하 것을 밝혀내서 더 가치를 인정받았군요?
■이독실: 그거는 말씀드리기가. 꼭 그렇다고 하기보다는 뭐 예를 들면 사진을 찍었는데 그 사진은 영상을 본 거잖아요. 그런데 어떻게 움직이고 있었다든가 어떤 역학적인 것들을 하나하나를 다 볼 수는 없거든요. 그런데 이분들이 25년 이상을 이번에 상을 받은 분들은 25년 이상을 계속 관측을 한 거예요. 그래서 단순한 사진... 단순한 사진이라고 하기에는 또 죄송한데 사진 한 장과 다르게 어떻게 움직일지 이론적으로 이렇게 움직여야 할 것 같은데를 정확하게 똑같이 움직인 걸 알아낸 거죠.
■최욱: 블랙홀이 뭐예요?
■이독실: 어디서 시작되는 거냐 하면 아인슈타인, 그 유명한 아인슈타인의 일반상대성 이론, 일반상대성이론을 잘 연구를 하다 보면 정리를 하다 보니 등장한 일종의 개념이에요. 하나의 개념인데 그 연구한 학자들이 이 이론대로라고 한다면 어떤 특이한 무언가가 나타날 수 있을 것 같은데 질량이 굉장히 커서 중력이 너무너무 커져서 중력이 커서 빛도 못 빠져나오고 부피가 0인 무언가 생각이 안 되죠. 상상이 안 되잖아요. 그런 이상한 구멍이 있을 수 있을 것 같아.
■최욱: 우리 지구에는 중력이 있지 않습니까? 지구에 질량이 있으니까 중력이 있다, 이 정도까지는 아는데 이 지구 같은 것을 계속 좁히고 좁히고 좁히면 부피는 작은데 질량은 계속해서 무거울 테니까 그게 무한대로 더 좁히면 뭔가 블랙홀 같은 게 나온다는 거예요?
■이독실: 정확합니다. 우리 지구도 아주 작아지면 블랙홀이 될 수가 있어요. 그래서 밀도를 어마어마하게 키워서 어마어마하게가 어느 정도냐 하면 정말 무한대를 말하는 거예요. 그래서 지구가 아예 부피가 0이 돼버린다면 특이하잖아요. 이런 지구가 부피가 0이 된 점이 있대요.
■오언종: 지구가 쪼그라들어서.
■이독실: 쪼그라들어서. 만약에 그런 상황이 온다고 하면 지구도 마찬가지로 블랙홀이 될 수 있는 거죠. 그런데 듣다 보면 어떤 생각이 드세요? 이거는 이론적인 거고 펜 끝에서 일어나는 현상이고 수학적인 현상이 아니냐, 생각을 하잖아요. 놀랍게도 실제로 아인슈타인조차도 자신의 방정식을 정리하면 나오는 개념임에도 불구하고 이거는 실재할 수는 없어. 이건 개념일 뿐이야라고 생각을 했어요. 그런데 아인슈타인의 사후에 식을 잘 정리를 해보니까 이건 있을 수밖에 없다고 하는 이론적 정의를 한 분이 이론 물리학자인 펜로즈 교수. 그리고 과학자들이 생각할 때도, 말하자면 이렇게 생각할 수 있을 거 같아요. 이게 분명히 있을 것 같긴 해. 이론적으로도 있을 것 같고 관측을 보니까 저기 블랙홀이 있을 것 같기도 해. 다 간질간질한데 모기에 물린 것 같은데 어디에 물린지 잘 모르겠는데 이번에 실험 물리학 연구팀이 정말로 그걸 잡아낸 거예요.
■오언종: 이 안에서는 뭔가 시공간도 이상해지고 그런 거네요.
■이독실: 시공간이 너무나 많이 찌그러들어서 사실 시공간이라는 단어 자체도 우리가 흔히 사용하잖아요. 그런데 그것도 이상해요. 그 개념 자체가 이상해요. 시간은 당연히 흐른다고 생각하잖아요. 최욱 씨의 시간과 저의 시간이 다르다고 생각하지 않잖아요. 그런데 실제로 제가 움직이거나 제가 다른 중력권 안에 들어가게 되면 시간이 다르게 흐른다는 거예요. 이게 아인슈타인이 말했던 상대론입니다. 다 상대적인
■최욱: 블랙홀이 워낙 밀도가 크고, 질량은 엄청 크기 때문에 모든 것들을 다 빨아들인다. 그러다 보니까 빛까지 빨아들인다. 그런데 이거를 아까 두 분, 이번 에 상 받은 분들. 겐첼과 게즈 교수, 이거를 어떻게 찍어요? 그거 우리가 본다는 건 빛 아닙니까, 빛?
■이독실: 정확히 말하자면 모든 걸 빨아들인다는 개념보다는 어느 한도 안에 있는 거는 빨아들여요. 바깥에서의 중력의 크기는 똑같아요. 만약에 우리 지구가 이 콩알만 하게 변해서 블랙홀이 된다고 하면 그 근방에 있는 모든 것을 빨아들여서 빛까지도 빠져나올 수 없을 정도의 커다란 중력을 가진 존재가 되거든요. 그런데 만약에 예를 들면 달은 지구가 심지어 블랙홀이 되더라도 달은 그 주변을 그냥 돌고 있을 거예요. 달 입장에서는 그냥 똑같은 중력을 가진 존재가 되는 거니까. 그보다 신비한 점은 이 커다란 지구가 도대체 어떻게 부피가 0이 될 수 있냐. 이게 말이 되냐. 그런데 그 원리가 있습니다. 어떻게 하면 만들어질 수 있는가. 그래서 블랙홀이 만들어지는 걸 한번 설명을 드릴까 하는데요. 사실 이번에 연구했었던 블랙홀이랑은 살짝 달라요. 이번 연구한 블랙홀은 초대질량 블랙홀인 거고 이건 일반적인 블랙홀의 개념, 어떻게 만들어지는 건지 개념을 알기에 좋은 건데요. 이게 별입니다. 우리가 알고 있는 태양이라든가 항성의 별을 이야기하는 건데. 굉장히 커다란 질량을 가지고 있기 때문에 중력이 크겠죠. 그러면 끌어당겨야 합니다. 태양은 저절로 작아져야 해요. 그런데 작아지지 않는 이유가 뭐냐 하면 끌어당기는 만류인력이 있으니까 내부에 계속 핵융합이 일어나고 있어요. 쉽게 말하면 태양 내부에서 계속 수소폭탄이 터지고 있다고 보시면 돼요. 계속 폭탄이 터지고 있으니까 바깥으로 밀어내는 힘과 안쪽에 축소하려는 그 힘이 균형을 이루고 있는 게 지금의 태양이에요. 다른 별들도 다 마찬가지입니다. 그런데 시간이 지나면 연료가 떨어지겠죠. 그렇게 되면 어떤 일이 벌어지냐 하면 이렇게 연료가 소진되면서 바깥으로 밀어내는 말하자면 그 수소폭탄 없어졌어요. 핵융합을 멈췄어요. 그러면 안으로 이렇게 뭉치려는 힘만, 쪼그라들려는 힘만 남은 거예요. 그런데 그러면 어떻게 될까요, 이런 상황에서? 계속 쪼그라들 수는 없죠. 지구 같은 경우에는 안에서 수소폭탄이 터지고 있지 않지만 버티고 있잖아요. 딱딱하게 멈추겠죠. 그런데 만약에 질량이 너무 크면, 태양의 질량의 세 배 이상이고 혹은 이번에 발견한 블랙홀 경우에는 태양 질량의 400만 배가 넘어요. 엄청난, 실제로 수십억 배의 질량인 것도 있습니다. 그런 경우에는 세상에, 이 우주에 존재하는 어떤 물질도 이 중력을 이길 수가 없는 거예요.
■최욱: 당기는 힘이 너무 강한 거군요.
■이독실: 너무 강해서. 그래서 스스로 계속 쪼그라듭니다. 그러면서 이렇게 작아져서 결국에는 조그마한 공같이 돼야 하는 게 아니냐를 넘어서서 이걸 버틸 수가 없으니까 그냥 사라진다고 보시면 돼요. 부피가 0이 되어버리고요. 그 부피가 0이 되는 그 점에서는 아까 시간도 상대적으로 흐른다고 했잖아요. 놀랍게도 시간이 정지한대요. 그런데 이게 SF 소설 같이 느껴지고 영화적 설정처럼 느껴지지만 실재합니다. 그게 실재한다는 것이 이번에 검증이 된 거고 그래서 노벨상위원회가 이제는 충분히 검증이 됐다. 그러니까 이제는 상을 줄 수 있겠다 해서 그걸 이론적으로 이야기했었던 이론 물리학자와 실험 물리학자 팀들이 같이 한 번에 수상하게 된 거죠.