아인슈타인과 호킹의 블랙홀

박석재 지음

휘슬러 2006년 04월 22일 출간 종이책 : 2005년 03월 30일 출간

작품소개

책소개

아인슈타인과 호킹의 블랙홀 이론을 소개하는 책

아인슈타인과 호킹의 이론을 바탕으로 지난 100여년 간 인류가 축적해온 블랙홀 이론을 소개한 책. 천문학 박사인 저자가 난해한 블랙홀의 개념을 일반일들도 쉽게 이해할 수 있도록 소개하고 있다. 또한 여행기의 형식을 빌린 SF 소설 '남태평양 위의 우조, 코스모스 군도로의 여행'을 중간중간 삽입해 책의 흥미를 더한다.

이 책은 크게 두 부분으로 나뉘어 있다. 1부에서는 아인슈타인의 상대성 이론으로 대표되는 20세기 초반의 블랙홀 이론을 자세히 다루고 있으며 2부에서는 1974년 발표된 호킹의 블랙홀 복수이론을 비롯한 현대 천체물리학의 최신 이론을 다루고 있다.

목차

1. 우주와 물질
우주를 구성하는 네 가지 힘
핵융합에 의한 에너지 방출
각양각색 물질의 세계
핵력은 쿼크 사이의 힘

2. 별의 진화와 종말
자동으로 조절되는 별의 원자료
별 내부구조의 진화
지구만한 별 백색왜성
폭발하는 별 초신성
펄사의 수수께끼

남태평양 위의 우주, 코스모스 군도로의 여행 1

3. 아인슈타인의 시공간
시간과 공간이 합쳐진 시공간
시공간과 빛 원뿔
몇 명만 알았던 아인슈타인 방정식
아인슈타인의 엘리베이터
피할 수 없는 선택 블랙홀

4. 블랙홀 물리학
슈바르츠실트 블랙홀과 빛 원뿔
커 블랙홀과 빛 원뿔
적색이동과 사건의 지평선
'대머리' 블랙홀
블랙홀은 X선으로 탐색
블랙홀, 화이트홀, 웜홀

남태평양 위의 우주, 코스모스 군도로의 여행 2

5. 새로운 블랙홀 물리학
'가발'을 쓴 블랙홀
열역학 법칙
블랙홀 열역학 법칙
호킹 복사
원시 블랙홀

6. 새로운 블랙홀 천체물리학
퀘이사의 수수께끼
수수께끼 정답은 거대한 블랙홀
완결판 블랜포드 - 즈나이엑 과정
중력파 천문학

남태평양 위의 우주, 코스모스 군도로의 여행 3

끝으로
부록 - 우리나라 블랙홀 천체물리학의 과거, 현재, 미래
찾아보기

책 속으로

1) 아인슈타인의 블랙홀 “블랙홀의 존재를 확실히 보장한다” 19세기까지만 해도 진리로 여겨지던 뉴턴 역학은 20세기에 들어서면서 아인슈타인에 의해 그 한계가 드러나게 된다. 아인슈타인은 거대한 천체가 지닌 만유인력이 물체를 끌어당길 뿐 아니라 주변의 시공간을 휘게 만든다는 사실을 밝혀낸 것이다. 이것이 ‘상대성 이론’이란 이름으로 세상에 알려진 20세기 최대의 발견 가운데 하나이다. 그리고 이 이론을 통해 비로소 블랙홀의 존재가 이론적으로 증명되었다. 그러나 아인슈타인의 이론도 완벽한 것은 아니었다. 일반 상대성 이론이 뉴턴의 중력이론과 가장 크게 다른 점은, 질량이 시공간을 휘게 하여 중력장이 형성된다고 보는 관점이다. 즉, 뉴턴의 중력이론에서는 물체가 천체의 중력에 이끌려서 천체를 향하여 떨어진다고 해석한다면, 상대론에서는 물체가 천체의 중력이 휘어 놓은 시공간 안에서 운동한 결과로 천체에 떨어진다고 풀이한다. 결국, 일반 상대성 이론은 뉴턴의 중력이론을 보정할 수 있는 더 정밀한 이론으로서 자리를 잡게 되었다……아인슈타인과 슈바르츠실트에 따르면 해가 반지름이 3km로 줄어들 경우 빛은 아예 빨려 들어가게 된다. 이는 질량이 변하지 않는다 하더라도 해가 작아질 수만 있다면 중력이 더욱 강해지기 때문이다. 지나가는 빛은 물론 자신이 방출한 빛까지 다시 빨아들일 만큼 중력이 강해져 빛도 탈출할 수 없는, 이른바 블랙홀이 탄생하게 된다. 즉 빛도 탈출할 수 없으니 우리 눈에는 검게 보일 것이므로 블랙black이고, 모든 것을 빨아들이는 구멍처럼 보일 것이므로 홀hole이 되는 것이다. 2) 호킹의 블랙홀 “블랙홀도 빛과 입자를 방출하며 언젠가는 사라진다” 아인슈타인의 뒤를 잇는 천재 이론 물리학자 호킹은 양자 물리학을 블랙홀 연구에 적용해 블랙홀도 여느 천체와 마찬가지로 빛과 입자를 밖으로 내보낸다는 사실을 밝혀냈다. 블랙홀로부터 방출되는 이 빛을 호킹 복사라고 부른다. 호킹 복사는 블랙홀의 질량이 추출되는 것이므로 시간이 지남에 따라 블랙홀도 결국은 질량을 잃고 사라질 수 있음이 밝혀졌다. 이는 블랙홀 이론에 있어서의 혁명적 변화였다. 그 결과 무자비한 ‘괴물’로만 여겨지던 블랙홀이 실은 우주에 숨겨진 거대한 ‘에너지 탱크’라는 생각이 널리 받아들여지게 되었다. 최근의 관측 자료들은 우리 은하와 안드로메다 은하의 중심에서 해 질량의 수백만 배에 이르는 블랙홀이 존재함을 확인시켜 주고 있다. 허블망원경은 많은 은하의 중심에서 거대한 블랙홀이 존재한다는 증거를 속속 찾아내어 이제는 대부분의 은하 중심에 질량이 우리 해의 1백만~1백억 배에 이르는 거대한 블랙홀이 존재한다는 생각이 기정사실화되었다……기존에 알려진 블랙홀 엔진의 에너지만 가지고는 왠지 부족하다는 공감대가 학자들 사이에 형성되었다. 그러자 거대한 블랙홀의 회전 질량을 직접 추출하는 과정에 관심이 모아졌다. 만일 거대한 블랙홀이 커 블랙홀이라면 회전 질량이 총질량의 10%만 된다고 하더라도 공식에 의해서 환산되는 추출가능 에너지의 양은 엄청난 것이다. 예를 들어, 질량이 해보다 l억 배 무거운 블랙홀에서 l0%의 회전 질량을 뽑아 쓴다면 약 10억 개의 은하를 l년 동안 빛나게 할 수 있다. 3) 남태평양 위의 우주, 코스모스 군도로의 여행 남태평양 위에 떠있는 가상의 섬 코스모스 군도. 우주의 모든 아름다움을 한곳에 간직하고 있다고 일컬어지는 세상에서 가장 유명한 관광지이다. 이곳을 찾는 사람들은 시공간의 섬Island of Spacetime, 은하의 섬Island of Galaxies, 별의 섬Island of Stars, 외계 생명체의 섬Island of Extra-Terrestrials 등 4개의 커다란 섬을 돌아보며 우주의 탄생 순간에서부터 현재, 그리고 미래에 이르는 모든 신비를 직접 눈으로 보며 체험할 수 있다.

출판사 서평

■ 인류 최고 두뇌들의 상상력이 맞붙었다! 블랙홀은 20세기 초에 발표된 아인슈타인의 상대성 이론에 근거를 두고 있으며, 호킹의 블랙홀 복사이론을 통해 ‘에너지 탱크’로 재발견 되었다. 현대 과학기술로도 직접관측이 불가능한 블랙홀이라는 미지의 존재는 두 명의 천재에 의해 창조된 셈이다. 따라서 두 사람의 이론을 통해 우리는 블랙홀에 가장 가깝게 다가갈 수 있다. 이 책에는 오랜 세월 인류가 물리학적 상상력에 기대어 그려낸 블랙홀의 모습이 담겨 있다. 현재까지 밝혀진 블랙홀의 모습은 주변의 시공간을 지배하며 존재하는 모든 것들을 삼켜버리는 암흑의 구렁텅이이면서, 동시에 거대한 에너지를 뿜어내는 은하의 심장부이다. 그러나 이는 시작에 불과하다. 블랙홀 안에는 어쩌면 우주의 탄생과 죽음의 눈금이 새겨진 신의 시계가 숨겨져 있을 지도 모른다. 블랙홀을 통해 존재의 근원을 밝히고자 하는 현대 물리학의 끝없는 도전은 앞으로도 계속될 것이다.

작가정보

저자(글) 박석재

지은이 박석재 박사 서울대 천문학과를 졸업하고 미국 텍사스대에서 블랙홀 천체물리학으로 박사학위를 받은 후 연구원을 역임했다. 현재는 한국천문연구원의 책임연구원으로 재직 중이다. 한국아마추어 천문학회를 창립하고 대전 시민천문대 건립을 제안했으며 한국형 SF를 발표하는 등 천문학의 대중화에 기여해왔다. 저서로는 『스티븐 호킹의 새로운 블랙홀』, 『재미있는 천문학 여행』, 『블랙홀이 불쑥불쑥』, 『우주를 즐기는 지름길』, 『해와 달과 별이 뜨고 지는 원리』, 『별과 은하와 우주가 진화하는 원리』, 『코리안 페스트(SF)』 등이 있다.