[[분류:물리학]][[분류:블랙홀]][[분류:스티븐 호킹]] [include(틀:블랙홀)] [목차] || {{{#!wiki style="margin: -26px -10px -5px" [[파일:attachment/호킹 복사/hawking_radiation.jpg|width=100%]]}}} || || '''호킹 복사의 모식도''' || || {{{#!wiki style="margin: -5px -10px -5px" [youtube(QqsLTNkzvaY, start=503)]}}} || || '''호킹 복사에 대한 설명(8:23~10:30)'''[* [[쿠르츠게작트]]의 영상.] || == 개요 == {{{+1 Hawking radiation}}} '''호킹 복사'''는 [[스티븐 호킹]]이 주장한 양자 중력 이론의 하나로서 [[블랙홀]]이 방출하는 열복사선이다. == 발생 원인 == ||{{{#!wiki style="margin: -5px -10px" [youtube(i_NHp9r69YQ)]}}}|| 사실 호킹 복사가 제안된 배경은 따로 있다. 1972년, 야콥 D. 베켄슈타인(Jacob David Bekenstein, 1947-2015)은 블랙홀에 열역학을 적용시켜 봤는데, 만약 블랙홀의 엔트로피가 0이라면 주변의 (엔트로피가 0이 아닌) 무언가를 블랙홀 안에 넣는 것으로 해당 시스템의 엔트로피를 0으로 '''낮춰버릴''' 수 있어서 열역학 제2법칙에 위배되는 결과가 일어남을 지적하였다. 그래서 블랙홀의 엔트로피는 0이 아니어야 하는데, 이는 블랙홀의 온도가 0이 아님을 시사하며, 따라서 블랙홀은 [[흑체 복사]]를 해야 한다는 것을 알 수 있다. 흡수만 하는 것으로 알려진 블랙홀이 흑체 복사를 한다는 사실은 받아들이기 어려웠지만, 베켄슈타인의 제안으로부터 2년 후 [[스티븐 호킹]]은 소위 호킹 복사라고 알려진 매커니즘을 통하여 블랙홀의 흑체 복사가 충분히 가능함을 예측했으며, 이 매커니즘을 가지고 블랙홀의 엔트로피 또한 계산해 냈다.[* 베켄슈타인 역시 계산해냈지만 호킹은 그 계산이 약간 틀렸다는 것을 지적했다.] [[양자 역학]] 이론에서는 진공에서 아무 일도 일어나지 않는 것이 아니라 [[불확정성 원리]]에 의해서 [[전자]]와 [[양전자]]가 수시로 생성되었다가 서로 충돌하여 소멸하기를 반복하고 있다고 알려져 있다. 이것을 양자 요동(Quantum Fluctuation) 또는 양자 떨림(Quantum Jitter)이라고 하는데, 일반적인 양자 요동은 매우 짧은 시간([[플랑크 시간|10^^-44^^초]]) 만에 사라져버리기 때문에 관측하기가 극도로 어려우며 만약 운이 엄청나게 좋아서 그 시간 동안 양자 요동을 발견했다고 가정해도 불확정성 원리에 의해서 일정 정밀도 이상 측정하는 것이 불가능하다. 그러나 이 양자 요동이 [[블랙홀]]의 [[사건의 지평선]]에서 일어날 경우에는 조금 이야기가 달라진다. 예를 들어 사건의 지평선 근처에서 전자와 양전자가 생성됐는데, 확률적으로 어느 한쪽이 블랙홀에 빨려들어 가고 나머지 한쪽은 탈출하게 되면, 그 탈출한 입자는 합쳐져 소멸할 상대가 없어졌기 때문에 마치 블랙홀에서 입자를 방출하는 것처럼 보이는 것이다. 따라서 외부에서 볼 때 블랙홀이 바깥으로 에너지를 방출하는 셈이 되는데 전체 에너지는 보존되어야 하므로 블랙홀의 질량은 감소해야 한다.[* 즉, 양자 요동으로 인하여 전자와 양전자(전자 2개분 질량)가 생성되면 서로 쌍소멸 해서 다시 에너지로 돌아가야 하는데, 서로 쌍소멸이 안 되고 하나가 탈출을 하게 되므로, 에너지 보존법칙에 따라 블랙홀에서 나머지 전자 1개분의 물질이 생성된 것에 대한 에너지가 충당되는 것.] 여기서 중요한 건 둘 중 하나가 블랙홀에 흡수될 경우 '''음의 에너지를 가지는 쪽만 흡수된다'''는 것이다.[* 의외로 많은 이들이 착각하는 것 중 하나는 바로 블랙홀은 반물질만 흡수한다는 것인데, 실제로는 물질 쪽이든 반물질 쪽이든 상관 없이 음의 에너지를 갖는 것만 흡수한다. 그리고 둘 중 누가 음의 에너지를 갖는지는 그야말로 무작위이다. 디랙의 바다 같은 개념 때문에 반물질이 음의 에너지를 갖는다고 여겨져서 그런 것 같은데, 현재 [[양자장론]]을 바탕으로 하는 상대론적 양자역학에서는 더이상 디랙의 해석이 쓰이지 않으며, 이 이론에서는 (일반적으로 관측되는) 반물질도 똑같이 양의 에너지를 갖는다. 즉, 단순히 바깥에 있던 반물질만 블랙홀에 넣으면 그 반물질의 질량만큼 블랙홀의 질량이 늘어나기만 할 뿐이다.] 양의 에너지를 가지는 입자'''만''' 흡수하는 경우 결과적으로 [[Exotic Matter|음의 에너지를 가지는 입자]]가 탈출하는 것을 관측할 수 있게 되는 셈일텐데, 음의 에너지를 갖는 입자를 바깥에서 관측할 수 있는 확률은 0이므로 이 경우는 물리적으로 불가능해지기 때문인 것으로 설명할 수 있다. 반면 음의 에너지를 갖는 입자가 블랙홀에 흡수된다고 해도 사건의 지평선 안의 일은 관측이 안 되므로 그게 물리적으로 불가능하지는 않을 것이고, 그 안에서 무슨 일이 일어나든 결국 바깥에서 보기에는 블랙홀의 에너지가 감소하는 것으로 보일 것이다. 또는 터널링 효과의 관점으로도 이 현상을 설명할 수 있는데, 고전역학에서는 입자가 갖는 에너지보다 더 큰 퍼텐셜 장벽을 입자가 통과하는 것이 불가능하지만, 양자역학에서는 파장이 충분히 길 경우 낮은 확률로 퍼텐셜 장벽을 통과하는 것이 가능하기 때문에 충분히 긴 파장의 전자기파라면 사건의 지평선을 뚫고 나오는 것이 가능하여 블랙홀이 복사를 낼 수 있다고 볼 수 있다. 이로 인해 모든 블랙홀은 언젠가 소멸한다는 것이 증명되었는데, 다만 블랙홀이 주변에서 흡수하는 에너지량보다 방출하는 에너지량이 커져야만 비로소 블랙홀의 질량이 줄어들기 시작하며 그 기점은 우주의 온도 및 각 블랙홀의 질량에 따라 달라진다. 소멸하는 속도는 블랙홀이 작아질수록 더 빨라진다고 한다. 예를 들어 우주 초창기에 수많은 미니 블랙홀들이 생성되었는데, 너무 작아서 소멸하는 속도가 너무 빨랐고, 곧바로 소멸했다고 한다. [[LHC]]에서 만들려고 하는 미니 블랙홀도 비슷해서 생기자마자 순식간에 증발할 거라고 한다. 다만 우주에서 볼 수 있는 평균적인 크기의 블랙홀이 완전히 소멸되는 데 걸리는 시간이 약 10^^66^^년 정도로 끔찍하게 느린 속도이다.[* 게다가 2.7K의 우주배경복사의 존재 때문에 외부에서 에너지를 공급받는 셈이라 우주배경복사로 얻는 에너지보다 호킹복사로 잃는 에너지가 더 많으려면 블랙홀의 질량은 달보다 작아야 한다. 물론 시간이 흐르면 우주배경복사 온도도 점점 낮아지겠으나 그러려면 또 어마어마한 시간이 필요하다.] 증발 시간 공식은 [math(\displaystyle t=\frac{2560{G}^{2}{M}^{3}}{{\hbar}{c}^{4}})]이다.이는 대략 [math(\displaystyle 8.41092\times{10}^{-17}\left [ \frac{M}{kg} \right ]^{3}\textrm{second}\approx2.66532\times{10}^{-24}\left [ \frac{M}{kg} \right ]^{3} \textrm{year})]이다. 반대로 증발 시간을 알 경우 위 공식을 [math(M)]에 대해 정리한 공식은 [math(\displaystyle M=\sqrt[3]{\frac{t{\hbar}{c}^{4}}{2560{G}^{2}}}\approx2.2871\times{10}^{5}\left ( \frac{t}{\textrm{second}} \right )^{\frac{1}{3}} \textrm{kg}\approx7.2\times{10}^{7}\textrm{kg}\left ( \frac{t}{\textrm{year}} \right )^\frac{1}{3})]이다.[* 여기에서 [math(G)]는 만유인력상수이고 [math(\hbar)]는 디랙 상수이다. [math(c)]는 진공 중 빛의 속력이며 [math(M)]은 블랙홀의 질량이고 [math(t)]는 질량 [math(M)]인 블랙홀이 호킹 복사에 의해 증발되는 데 필요한 시간이다. second는 1초이고 year는 1년이다.] == 현재 == [[일반 상대성 이론]]과 [[양자 역학]]은 양립할 수 없다는 것이 기존 물리학계의 입장이었다. 그러나 호킹 복사를 통해 두 이론이 같이 양립할 수 있는 가능성이 확인되었다. 워낙 특이한 이론이다 보니 호킹 복사가 실제로 존재하는지는 아직까지도 물리학자들 사이에 논란이 많다.[* 호킹 복사를 부정하는 물리학자들은 대부분 [[초끈 이론]]을 통해서 호킹 복사가 설명하고 있는 현상을 대체할 수 있다고 주장한다.] 또한 스티븐 호킹은 블랙홀이 호킹 복사로 [[블랙홀 정보 역설|정보를 삭제하는 것이 가능하다]]는 의견을 제시했는데 이에 레너드 서스킨드를 비롯한 일군의 과학자는 블랙홀 논쟁(블랙홀 전쟁)을 촉발시켰으며 30년간의 긴 논쟁 끝에 2005년 스티븐 호킹은 "블랙홀이 일방통행이 아니라 빠져 들어간 정보가 방출될 수도 있다"면서 자신의 오류를 인정했다. [[http://article.joins.com/news/article/article.asp?total_id=366635&ctg=13|#]] 또한 2014년에도 "[[http://www.ytn.co.kr/_ln/0104_201401261617331846|탈출이 불가능한 블랙홀은 없다]]"는 의견을 피력하였다. 호킹 복사의 유도 과정을 보고 싶다면 [[http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%98%B8%ED%82%B9_%EB%B3%B5%EC%82%AC|여기]]를 참고하자. 간접적으로 유사 실험을 설계해 시행한 적이 있다. 블랙홀의 복사온도는 질량에 반비례한다. 그리고 사건의 지평선의 표면적은 질량의 제곱에 비례하므로, 블랙홀이 방출하는 복사 에너지는 질량의 제곱에 반비례한다. 그러므로 [[절대영도]]의 공간에서 블랙홀이 증발하는 데 걸리는 시간은 질량의 세제곱에 비례한다.[* 다만, 여기서 중력 적색 편이를 고려하면 '''블랙홀의 사건의 지평선은 그 질량과 관련 없이 초고온의 영역'''이라고 예측된다.] 2016년 8월, 이스라엘의 과학자가 호킹 복사의 실험에 성공했다는 [[http://techholic.co.kr/archives/59041|보도]]가 나왔다. 원 출처는 러시아의 일간지로 러시아 쪽 언론들은 대부분 인용 보도했다. 그러나 이 보도에서도 반론이 있어서 앞으로 검증과정이 필요한 상황이다. 2019년 5월 29일, 위의 이스라엘 과학자 Jeff Steinhauer가 모의 블랙홀에서 나오는 호킹 복사를 보고하였다.[* 실제 블랙홀이 아니라 [[보스-아인슈타인 응집|Bose Einstein condensate]]으로 만든 analogue blackhole이기 때문에 실제 블랙홀에선 입증된 게 아니다.] 현재 국제적인 과학지인 [[https://www.nature.com/articles/s41586-019-1241-0|네이처]]에 논문이 올라왔다. ||{{{#!wiki style="margin: -5px -10px" [youtube(Vb7AH8GqJ_M)]}}}||