4.블랙홀의 증발, 화이트홀과 웜홀

 

 

블랙홀의 증발, 화이트홀과 웜홀

 

블랙홀은 어떻게 증발되는가?

이것은 어려운 것이다. 1970년대로 올라가면, 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은 블랙홀은 정말로 완전히 흑색이 아님을 보여주는 이론적 논쟁을 이끌었다. 양자물리학에 기인하여 그것은 방사선을 방출한다. 방사선을 생성하는 에너지는 블랙홀의 질량으로부터 나온다. 따라서 블랙홀은 점차적으로 쇠퇴한다. 질량이 줄어듦에 따라 방사율이 증가하고 블랙홀이 더 강렬하게 방사할수록 아마 완전히 사라질 때까지 점점 더 급속히 줄어든다.
실제 블랙홀 증발의 마지막 단계에서 무엇이 발생하는지 확신하는 사람은 아무도 없다. 어떤 연구자들은 작고 안정적인 잔존물이 뒤에 남는다고 생각한다. 최근 학설은 간단히 하나로 또는 다른 것으로 확신 있게 말할 충분히 훌륭한 것이 없다. 내가 포기하는 한, 블랙홀 증발의 주제는 극히 사색적이라 첨언한다. 휘어진 시공간에서 양자물리학(양자장이론) 계산을 어떻게 할 것인가 찾아내는 과정을 수반한다. 이것은 매우 어려운 과제이고 경험에 의해 시험하는 것이 필연적으로 불가능함을 준다. 물리학자들은 우리가 블랙홀 증발에 관한 예언을 만드는 옳은 학설을 가졌다고 생각하지만, 경험적인 실험이 없이 확신시키기는 불가능하다.
자, 블랙홀은 왜 증발하는가? 여기에 그것을 바라보는 한 가지 방법이 있다. 그것은 오직 적당히 부정확하다.(나는 이것보다 훨씬 더 나은 것이 있을 가능성이 있다 생각치 않는다. 만약 당신이 휘어진 공간에 대한 양자장학설에 대해 수년간 연구를 하기를 원치 않는다면.) 양자역학의 불확정성 원칙의 결말의 하나는 단지 아주 짧은 시간 동안 질량보존법칙에 위배될 가능성이 있다는 것이다. 우주는 아무 곳에도 없는 질량과 에너지를 생성할 수 있다, 만약 질량과 에너지가 재빨리 바로 사라질 경우에는. 이 괴이한 현상이 드러나는 한가지 특별한 방법은 진공요동이라는 이름에 의해서 발생한다. 입자와 반입자로 구성되는 쌍은 아무 곳에도 없는 데서 나타나고 아주 짧은 시간 존재하고는 서로 쌍소멸한다. 입자가 생성할 때 에너지보존이 위배되고 그러나, 그들이 다시 쌍소멸할 때 에너지보존은 회복된다. 이야기 모두가 이상한 만큼 우리는 이 진공요동이 사실임을 실험실적으로 실제로 확인했다.
이제, 이 진공요동이 블랙홀의 지평선 근처에서 발생한다 가정하자. 두 입자 중 하나는 지평선을 가로질러 빨려 들어가고 다른 하나는 탈출하는 것이 발생한다. 탈출한 하나는 블랙홀로부터 에너지를 가져와 멀리 목격자에 의해 발견된다. 그 목격자에게 이것은 블랙홀이 입자를 방출하는 것으로 보여질 것이다. 이 과정이 반복되게 발생하고 목격자는 블랙홀로부터의 연속적인 방사선 흐름을 보게 된다.

 

내가 도달하기 전에 블랙홀은 내 밑에서 사라지지 않을까?

우리가 그것을 목격하고 블랙홀 바깥에서 안전하게 남아 있는 당신의 친구 페넬로페(Penelope)의 관점으로부터 당신은 지평선을 가로지르는데 무한의 시간을 갖는다. 우리는 또한 블랙홀이 유한의 시간 내에 호킹반경을 통해 사라지는 것을 목격한다. 그래서 당신이 지평선에 도달할 즈음에, 블랙홀은 사라질 것이다. 맞는가?
틀렸다. 우리는 페넬로페가 당신이 지평선을 가로지르는데 영원히 걸리는 것을 볼 것이라 할 때, 우리는 사라지지 않은 블랙홀을 상상했다. 만약 블랙홀이 사라진다면, 그것들을 변화시킨다. 당신의 친구, 그녀가 블랙홀이 사라지는 그 정확히 동일한 시간에 당신이 지평선을 가로지르는 것을 볼 것이다. 왜 이것이 사실인지 설명해 보자.
전에 우리가 얘기한 것을 기억해 보자. 페넬로페는 광학적 환영의 희생자이다. 당신이 지평선 근처에 있을 때 방출하는 빛은(그러나, 그 바깥에 있지만) 그녀에게 도달하기까지 상당히 긴 시간이 걸린다. 만약 블랙홀이 영원히 지속한다면, 빛이 나오는데 제멋데로 길게 걸리고, 그것은 왜 그녀가 당신이 매우 긴 시간에 지평선을 가로지르는 것을 볼 수 없는 까닭이다. 그러나, 일단 블랙홀이 사라지면 당신이 지평선을 가로지르는 그 소식이 그녀에게 닿도록 전달할 그 빛을 멈출 수 없다. 사실, 호킹반경의 폭발이 지속되는 그 동일순간에 그녀에게 다다른다. 물론, 그것은 당신에게는 문제가 되지않는다. 당신은 지평선을 가로지르고 특이점(싱글라리티)에서 분쇄된다. 그것은 유감이지만, 그러나 당신은 뛰어들기 전에 그것에 관해 생각해야 한다.

 

화이트홀은 무엇인가?

일반상대성 방정식은 흥미로운 수학적 특성을 갖는다. 그것들은 시간에 대칭적이다. 그것은 당신이 그 방정식의 해법을 얻을 수 있고 시간이 앞으로 보다 뒤로 흐름을 상상하면, 당신은 그 방정식에 또 다른 유력한 해법을 얻을 수 있음을 의미한다. 만약 당신이 이 규칙을 블랙홀을 설명하는 그 해법에 적용하면, 당신은 화이트홀로 알려진 물체를 얻는다. 블랙홀은 아무 것도 탈출할 수 없는 공간영역이기 때문에, 블랙홀의 역-시간판은 아무 것도 떨어질 수 없는 공간 영역이다. 사실, 블랙홀은 물체를 빨아 들이기만 하지만, 화이트홀은 물체를 내뱉기만 할 수 있다.
화이트홀은 일반상대성 방정식에 완벽히 유력한 수학적 해법이지만, 그것이 자연에 실제로 존재한다는 의미는 아니다. 사실, 그들은 만들 수 있는 길이 없기 때문에 거의 확실히 존재하지 않는다.(화이트홀을 만드는 것은 블랙홀을 파괴시키는 것 만큼 불가능하다. 두 개의 과정이 서로 역-시간이기 때문이다)

 

웜홀은 무엇인가?

지금까지, 우리는 보통의 바닐라 블랙홀만 생각해 왔고, 우리는 회전하지 않고 전하가 없는 블랙홀에 관해서만 얘기하고 있다. 만약 우리가 회전하고 전하를 갖는 블랙홀을 고려한다면, 더 복잡해진다. 특별히, 그러한 블랙홀은 빨려 들어가지만, 특이점(싱글라리티)에 도달하지 않는다. 사실상, 전하가 있거나 회전하는 블랙홀 내부는 당신이 블랙홀로 빨려 들고 화이트홀로 밖으로 튀어나오는 그러한 길의 화이트홀에 상응하는 것과 결합할 수 있다. 블랙홀과 화이트홀의 이 결합을 웜홀이라 일컫는다.
화이트홀은 블랙홀로부터 아주 멀리 떨어진 어딘가에 있을 것이다. 실로, 다른 우주에 있는 것이다 – 즉, 웜홀 자체는 제외하고라도, 어떤 시공간 영역은 우리 자신의 영역과 완전히 떨어져 있다. 편리하게 위치한 웜홀은 매우 먼 거리를 여행하는데 편리하고 빠른 길을 제공하거나 또는 다른 우주로 여행조차도. 아마도 웜홀로의 출구는 당신이 통과하면 시간을 거슬러 여행할 수 있기 때문에 과거로의 길이 놓여있을 것이다. 전부, 그것은 아주 근사하게 생각된다.
그러나, 당신이 그것을 찾는 연구허가를 신청하기 전에, 당신이 알아야 할 것들이 있다. 무엇보다도 먼저 웜홀은 거의 확실히 존재하지 않는다. 우리가 화이트홀에 관해 위에서 얘기했지만, 그러한 것이 그 방정식이 유효한 해이기 때문에, 그것이 실제로 자연계에 존재한다는 것을 의미하지 않는다. 특별 나게, 보통의 물질(우리가 존재한다고 믿는 블랙홀의 모두를 포함하여) 붕괴로부터 형성된 블랙홀은 웜홀을 형성하지 않는다. 만약 당신이 그것 중 하나로 떨어진다면, 당신은 어딘가로 튀어나오지 않는다. 당신은 특이점에 도달할 것이고 그것이 있을 모두이다.
게다가, 웜홀이 존재한다고 인정하더라도 그것들을 통과해 여행하기에는 아주 불편하다. 웜홀 안으로 쏟아지는 방사선은(근처 별로부터, 우주배경복사, 등) 매우 높은 주파수로 청색편이한다. 당신이 웜홀을 통과하려고 애쓸수록, 당신은 이들 엑스선과 감마선에 의해 튀겨질 것이다.

 

 

웹문서 원문

Ted Bunn, 1995년 9월

How do black holes evaporate?
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This is a tough one. Back in the 1970's, Stephen Hawking came up with theoretical arguments showing that black holes are not really entirely black: due to quantum-mechanical effects, they emit radiation. The energy that produces the radiation comes from the mass of the black hole. Consequently, the black hole gradually shrinks. It turns out that the rate of radiation increases as the mass decreases, so the black hole continues to radiate more and more intensely and to shrink more and more rapidly until it presumably vanishes entirely.

 

Actually, nobody is really sure what happens at the last stages of black hole evaporation: some researchers think that a tiny, stable remnant is left behind. Our current theories simply aren't good enough to let us tell for sure one way or the other. As long as I'm disclaiming, let me add that the entire subject of black hole evaporation is extremely speculative. It involves figuring out how to perform quantum-mechanical (or rather quantum-field-theoretic) calculations in curved spacetime, which is a very difficult task, and which gives results that are essentially impossible to test with experiments. Physicists *think* that we have the correct theories to make predictions about black hole evaporation, but without experimental tests it's impossible to be sure.

 

Now why do black holes evaporate? Here's one way to look at it, which is only moderately inaccurate. (I don't think it's possible to do much better than this, unless you want to spend a few years learning about quantum field theory in curved space.) one of the consequences of the uncertainty principle of quantum mechanics is that it's possible for the law of energy conservation to be violated, but only for very short durations. The Universe is able to produce mass and energy out of nowhere, but only if that mass and energy disappear again very quickly. one particular way in which this strange phenomenon manifests itself goes by the name of vacuum fluctuations. Pairs consisting of a particle and antiparticle can appear out of nowhere, exist for a very short time, and then annihilate each other. Energy conservation is violated when the particles are created, but all of that energy is restored when they annihilate again. As weird as all of this sounds, we have actually confirmed experimentally that these vacuum fluctuations are real.

 

Now, suppose one of these vacuum fluctuations happens near the horizon of a black hole. It may happen that one of the two particles falls across the horizon, while the other one escapes. The one that escapes carries energy away from the black hole and may be detected by some observer far away. To that observer, it will look like the black hole has just emitted a particle. This process happens repeatedly, and the observer sees a continuous stream of radiation from the black hole.

 

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Won't the black hole have evaporated out from under me before I reach it?
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We've observed that, from the point of view of your friend Penelope who remains safely outside of the black hole, it takes you an infinite amount of time to cross the horizon. We've also observed that black holes evaporate via Hawking radiation in a finite amount of time. So by the time you reach the horizon, the black hole will be gone, right?

 

Wrong. When we said that Penelope would see it take forever for you to cross the horizon, we were imagining a non-evaporating black hole. If the black hole is evaporating, that changes things. Your friend will see you cross the horizon at the exact same moment she sees the black hole evaporate. Let me try to describe why this is true.

 

Remember what we said before: Penelope is the victim of an optical illusion. The light that you emit when you're very near the horizon (but still on the outside) takes a very long time to climb out and reach her. If the black hole lasts forever, then the light may take arbitrarily long to get out, and that's why she doesn't see you cross the horizon for a very long (even an infinite) time. But once the black hole has evaporated, there's nothing to stop the light that carries the news that you're about to cross the horizon from reaching her. In fact, it reaches her at the same moment as that last burst of Hawking radiation. Of course, none of that will matter to you: you've long since crossed the horizon and been crushed at the singularity. Sorry about that, but you should have thought about it before you jumped in.

 

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What is a white hole?
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The equations of general relativity have an interesting mathematical property: they are symmetric in time. That means that you can take any solution to the equations and imagine that time flows backwards rather than forwards, and you'll get another valid solution to the equations. If you apply this rule to the solution that describes black holes, you get an object known as a white hole. Since a black hole is a region of space from which nothing can escape, the time-reversed version of a black hole is a region of space into which nothing can fall. In fact, just as a black hole can only suck things in, a white hole can only spit things out.

 

White holes are a perfectly valid mathematical solution to the equations of general relativity, but that doesn't mean that they actually exist in nature. In fact, they almost certainly do not exist, since there's no way to produce one. (Producing a white hole is just as impossible as destroying a black hole, since the two processes are time-reversals of each other.)

 

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What is a wormhole?
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So far, we have only considered ordinary "vanilla" black holes. Specifically, we have been talking all along about black holes that are not rotating and have no electric charge. If we consider black holes that rotate and/or have charge, things get more complicated. In particular, it is possible to fall into such a black hole and not hit the singularity. In effect, the interior of a charged or rotating black hole can "join up" with a corresponding white hole in such a way that you can fall into the black hole and pop out of the white hole. This combination of black and white holes is called a wormhole.

 

The white hole may be somewhere very far away from the black hole; indeed, it may even be in a "different Universe" -- that is, a region of spacetime that, aside from the wormhole itself, is completely disconnected from our own region. A conveniently-located wormhole would therefore provide a convenient and rapid way to travel very large distances, or even to travel to another Universe. Maybe the exit to the wormhole would lie in the past, so that you could travel back in time by going through. All in all, they sound pretty cool.

 

But before you apply for that research grant to go search for them, there are a couple of things you should know. First of all, wormholes almost certainly do not exist. As we said above in the section on white holes, just because something is a valid mathematical solution to the equations doesn't mean that it actually exists in nature. In particular, black holes that form from the collapse of ordinary matter (which includes all of the black holes that we think exist) do not form wormholes. If you fall into one of those, you're not going to pop out anywhere. You're going to hit a singularity, and that's all there is to it.

 

Furthermore, even if a wormhole were formed, it is thought that it would not be stable. Even the slightest perturbation (including the perturbation caused by your attempt to travel through it) would cause it to collapse.

 

Finally, even if wormholes exist and are stable, they are quite unpleasant to travel through. Radiation that pours into the wormhole (from nearby stars, the cosmic microwave background, etc.) gets blueshifted to very high frequencies. As you try to pass through the wormhole, you will get fried by these X-rays and gamma rays.