호킹 복사
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}}} 1. 개요[편집]
Hawking radiation
호킹 복사는 스티븐 호킹이 주장한 양자 중력 이론의 하나로서 블랙홀이 방출하는 열복사선이다.
2. 발생 원인[편집]
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 복사를 해야 한다는 것을 알 수 있다. 흡수만 하는 것으로 알려진 블랙홀이 흑체 복사를 한다는 사실은 받아들이기 어려웠지만, 베켄슈타인의 제안으로부터 2년 후 스티븐 호킹은 소위 호킹 복사라고 알려진 매커니즘을 통하여 블랙홀의 흑체 복사가 충분히 가능함을 예측했으며, 이 매커니즘을 가지고 블랙홀의 엔트로피 또한 계산해 냈다.[2]
양자 역학 이론에서는 진공에서 아무 일도 일어나지 않는 것이 아니라 불확정성 원리에 의해서 전자와 양전자가 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(10-44초) 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 블랙홀의 사건의 지평선에서 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.[3] 여기서 중요한 건 둘 중 하나가 블랙홀에 흡수될 경우 음의 에너지를 가지는 쪽만 흡수된다는 것이다.[4] 양의 에너지를 가지는 입자만 흡수하는 경우 결과적으로 음의 에너지를 가지는 입자가 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. LHC에서 만들려고 하는 미니 블랙홀도 비슷해서 생기자마자 순식간에 증발할 거라고 한다. 다만 우주에서 볼 수 있는 평균적인 크기의 블랙홀이 완전히 소멸되는 데 걸리는 시간이 약 1066년 정도로 끔찍하게 느린 속도이다.[5]
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.[6]
3. 현재[편집]
일반 상대성 이론과 양자 역학은 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.[7]
또한 스티븐 호킹은 블랙홀이 호킹 복사로 정보를 삭제하는 것이 가능하다는 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. # 또한 2014년에도 "탈출이 불가능한 블랙홀은 없다"는 의견을 피력하였다.
호킹 복사의 유도 과정을 보고 싶다면 여기를 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 절대영도의 공간에서 블랙홀이 증발하는 데 걸리는 시간은 질량의 세제곱에 비례한다.[8]
2016년 8월, 이스라엘의 과학자가 호킹 복사의 실험에 성공했다는 보도가 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.[9] 현재 국제적인 과학지인 네이처에 논문이 올라왔다.
이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 2023-12-26 18:39:57에 나무위키 호킹 복사 문서에서 가져왔습니다.[1] 쿠르츠게작트의 영상.[2] 베켄슈타인 역시 계산해냈지만 호킹은 그 계산이 약간 틀렸다는 것을 지적했다.[3] 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.[4] 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 양자장론을 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.[5] 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.[6] 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.[7] 호킹 복사를 부정하는 물리학자들은 대부분 초끈 이론을 통해서 호킹 복사가 설명하고 있는 현상을 대체할 수 있다고 주장한다.[8] 다만, 여기서 중력 적색 편이를 고려하면 블랙홀의 사건의 지평선은 그 질량과 관련 없이 초고온의 영역이라고 예측된다.[9] 실제 블랙홀이 아니라 Bose Einstein condensate으로 만든 analogue blackhole이기 때문에 실제 블랙홀에선 입증된 게 아니다.