SF / 과학 포럼
SF 속의 상상 과학과 그 실현 가능성, 그리고 과학 이야기.
SF 작품의 가능성은 어떻게 펼쳐질 수 있을까요? 그리고 어떤 상상의 이야기가 가능할까요?
SF에 대한 가벼운 흥미거리에서부터 새로운 창작을 위한 아이디어에 이르기까지...
여기는 과학 소식이나 정보를 소개하고, SF 속의 아이디어나 이론에 대한 의견을 나누며, 상상의 꿈을 키워나가는 곳입니다.
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제가 여러 문서를 임의로 결합 한것이라서, 중간에 오류가 있는지도 모르겠읍니다.
쩝..
블랙홀
검은 구멍이라고도 한다. 블랙홀은 A.아인슈타인의 일반상대성이론에 근거를 둔 것으로, 물질이 극단적인 수축을 일으키면 그 안의 중력은 무한대가 되어 그 속에서는 빛 ·에너지 ·물질 ·입자의 어느 것도 탈출하지 못한다. 블랙홀의 생성에 대해서는 다음 두 가지 설이 있다. 첫째는 태양보다 훨씬 무거운 별이 진화의 마지막 단계에서 강력한 수축으로 생긴다는 것이다. 둘째는 약 200억 년 전 우주가 대폭발(Big Bang)로 창조될 때 물질이 크고 작은 덩어리로 뭉쳐서 블랙홀이 무수히 생겨났다는 것이다. 이렇게 우주 대폭발의 힘으로 태어난 블랙홀을 원시(原始) 블랙홀이라고 한다. 일반적으로 태양과 비슷한 질량을 가진 별은 진화의 마지막 단계에 이르면 백색왜성이라는 작고 밝은 흰색 천체가 되어 그 일생을 마친다.
그러나 태양 질량의 수배가 넘는 별들은 폭발을 일으키며 초신성이 된다. 이 때 바깥층의 물질은 우주공간으로 날아가고, 중심부의 물질은 반대로 내부를 향해 짜부라져 중성자별[中性子星]이 된다. 이러한 중성자별은 그것에서 나오는 규칙적으로 맥동(脈動)하는 전파인 펄서가 발견되어 그 존재가 확인되었다. 하지만 펄서이 태양보다 10배 이상인 무거운 별들은 폭발 때문에 중심부의 물질이 급격히 짜부라진 후에도 그 중력을 이기지 못하여 더욱 수축하게 된다. 이러한 수축은 천체의 크기가 슈바르츠실트반지름에 이르러서야 정지한다. 천체가 이 임계반지름에 이르면 물질의 모든 사상은 한 점에 모이는, 즉 부피는 0이 되고 밀도는 무한대인 특이현상이 일어나고, 모든 힘을 중력이 지배하게 된다. 이러한 천체는 1789년 프랑스의 P.S.라플라스가 처음 생각한 것으로,
그 속을 빠져나오는 데 필요한 탈출속도는 빛의 속도보다 크기 때문에 결국 빛조차 빠져나오지 못한다.
따라서 이러한 천체는 직접 관측할 수 없는 암흑의 공간이라는 뜻에서 블랙홀이라 부르게 되었다. 일반상대성이론에 따르면 블랙홀은 아주 강력한 중력장을 가지고 있기 때문에 빛을 포함하여 근처에 있는 모든 물질을 흡수해 버린다. 그래서 블랙홀의 내부는 외부와 전혀 연결되지 않은 하나의 독립된 세계를 이룬다. 만일 지구만한 천체가 블랙홀이 된다면 그 반지름은 0.9 cm에 이를 것이고, 태양은 그 반지름이 2.5 km보다 작아진다. 실제로 블랙홀이 될 수 있는, 태양 질량의 10배 이상인 별은 그 반지름이 수십 km밖에 안 되고, 반대로 중력은 지구의 100억 배 이상이 된다. 블랙홀은 직접 관측이 불가능하기 때문에 오랫동안 이론적으로만 존재해왔으나, 근래에 인공위성의 X선망원경으로 백조자리 X-1이라는 강력한 X선원을 발견하여 그 존재가 확실해졌다. 백조자리 X-1은 청색 초거성과 미지의 천체가 쌍성(雙星)을 이루고 있는데, 초거성으로부터 물질이 흘러나와 미지의 천체 쪽으로 끌려들어가는 것이 확인되었으며, 아마도 미지의 천체는 블랙홀로 되어 있을 것으로 추측된다.
한편, 우주의 탄생과 함께 생겨난 원시블랙홀 중에는 태양 질량의 30억 배에 달하는 거대한 것과 빅뱅 후 플랑크시간이라는 아주 짧은 시간 동안 심한 충격파에 의해 생겨난 미소블랙홀이 있다. S.호킹에 따르면 이 미소블랙홀은 크기가 10^-37 cm쯤이고, 질량이 10^-11 g 정도로 아주 작은 것들이며, 시간이 지남에 따라 질량을 잃고 증발한다. 블랙홀은 우리 은하계 안에도 약 1억 개가 있을 것으로 추산된다. 특히 구상성단의 중심에는 태양 질량의 1000배에 해당하는 거대한 블랙홀이 있고, 은하계 중심에는 태양질량의 10억배, 은하단의 중심에는 태양 질량의 10^14배나 되는 큰 블랙홀이 있을 것으로 생각된다.
광속 불변은 운동계(프라임이 붙은계) 정지계(아무것도 붙지않은계) 어느쪽이든 원점이 같을때 이속에서 광속은 일정하다는것인데 "광속이 변하지 않는것이 아니라" 광속의 변화만큼 공간 변화 비율이 동일 하기 때문에. "변하지 않는다고 말한다."
즉, "블랙홀이 공간의 일그러짐이라면 광자의 궤적도 똑같이 일그러져 증속하기 때문에" 공간의 굴곡에 따른 광자 의 탈출 불가현상은 일어 나지 않는다.
블랙홀 주변에서 일어나는 운동에 대해서 생각해봐야겠죠.
우선 블랙홀을 향해서 똑바로 떨어지는 물체의 운동을 생각해봅시다.
그것을 잘 정리해서 적분하면 우리는 떨어지는 물체 위에 있는 관측자가 (즉 움직이는 관측자가)느끼는 시간을 구할 수 있습니다. (적분과정이 복잡해서 생략합니다)
그 결과는 cycloid라는 형태의 값을 갖게 되는데 이 값을 언제는 유한한 값을 가지게 됩니다.
다시 말하면 떨어지는 물체위에 있는 관측자는 사건의 지평선(event horizon)을 넘어서 특이점(singularity)에 이르기 까지 유한한 시간을 가진다는 말입니다.
이 결과는 당연한 말이라고 생각되겠지만,
만약에 우리, 즉 먼 거리에 있는 관측자가 그 물체의 운동을 본다면 어떻게 될까요?
그 물체의 운동은 우리가 보기에도 사건의 지평선을 지나서 특이점을 향하여 갈까요? 정답은 NO 입니다.
상대성이론에서는 시간의 개념은 항상 상대적입니다. 떨어지는 물체위의 시간을 고유의 시간이라고 보통 τ (타우)로 표시하고 우리의 시간을 일반적으로 t 라고 표시합니다. 그리고 둘 사이에는 일정한 관계식이 존재합니다.
아까 적분한 식은 물체의 시계이고 이번에는 우리의 시계로 변수를 바꾸어서 계산을 하면 결과는 어떤 거리에서 사건의 지평선에 다다르기 까지는 무한의 시간이 걸립니다.
즉 우리가 블랙홀에 떨어지는 어떤 물체를 보면 그 물체는 떨어지다가 점점 속도가 줄고 사건의 지평성 근처에서는 거의 정지한 것처럼 보입니다. 블랙홀물체가 얼어붙은 것처럼 말이죠. 그래서 예전에는 블랙홀을 frozen star라고 부르기도 했습니다.그 물체가 사건의 지평선에 가까이 가면 갈수록 그 물체시계의 1초가 우리시계의 수백,수천만 배가 되고 결국에는 무한대가 되기 때문입니다. 우리는 결코 어떤 물체가 블랙홀 사건의 지평선을 건너는 것을 볼 수 없습니다.
여기서 언급 해야할것이 있읍니다. "슬링샷" 기법을 이용, 태양계를 탈출한 파이어니어호. "스윙 바이 " 라고도 하져.
기법은 아주 간단합니다. 천체에 중력장을 업고 천체를 향해 추락하듯 떨어지면서 얻어낸 추력으로 천체의 중력장을 이기고 탈출하는것입니다. 때문에 파이어니어 호가 태양계를 탈출할때, 태양계 내에 가장 거대한 물체, "태양"을 향해 발사돼었고, 태양으로부터 한껏 얻어낸 힘으로 태양계를 탈출했읍니다.
달착륙선의 경우도 지구를 쉽게 탈출하기위해 직접 달을 향하지않고 지구 자전방향을 향해 발사돼어 (자전력을 업고 날아가는것임.따라서 적도에 가까울수록 좋은 발사기지가 됌. 적도는 항상 날씨가 맑으므로 날씨문제도 없음.) 지구에서 어느정도 벗어난후 지구 주변을 한바퀴 돌아 슬링샷 기법으로 달을 향해 던져진다음, 달에 중력권에 도달후 착륙합니다. 달은 지구보다 중력장이 작은 만큼 보다 저고도로 재차 슬링샷을 시도해서 지구로 날아옵니다.
화성탐사선의경우도 태양을 한바퀴돌고 갔지요. 이유는 간단합니다. 지구에서 오로지 고체연료의힘만으로 날아가는것은 슬링샷기법으로 태양을 멀리 돌아가는것보다 느립니다. 지구에서 태양 방면으로 발사됀후 연료 소모를 최소한으로 억제하면서 태양중력에몸을 의지하고 끌려간후 태양 중력에 빨려들기전 한계점에서 가속해서 탈출 속도를 얻어내는것이 이후 장거리 항행에도 유리하고 훨씽 연료절감. 비록 수많은 계산과 힘든 수학공식 사이에서 고생해야 했고, 결국 오류로 한척 잃었지만. 이 기법이 없다면 엄청난 시간과 돈을 들여 현행보다 훨씬 거대한 로켓이 필요해질겁니다.
빛이라고 그걸 못할 이유는 없지요?
쩝..
블랙홀
검은 구멍이라고도 한다. 블랙홀은 A.아인슈타인의 일반상대성이론에 근거를 둔 것으로, 물질이 극단적인 수축을 일으키면 그 안의 중력은 무한대가 되어 그 속에서는 빛 ·에너지 ·물질 ·입자의 어느 것도 탈출하지 못한다. 블랙홀의 생성에 대해서는 다음 두 가지 설이 있다. 첫째는 태양보다 훨씬 무거운 별이 진화의 마지막 단계에서 강력한 수축으로 생긴다는 것이다. 둘째는 약 200억 년 전 우주가 대폭발(Big Bang)로 창조될 때 물질이 크고 작은 덩어리로 뭉쳐서 블랙홀이 무수히 생겨났다는 것이다. 이렇게 우주 대폭발의 힘으로 태어난 블랙홀을 원시(原始) 블랙홀이라고 한다. 일반적으로 태양과 비슷한 질량을 가진 별은 진화의 마지막 단계에 이르면 백색왜성이라는 작고 밝은 흰색 천체가 되어 그 일생을 마친다.
그러나 태양 질량의 수배가 넘는 별들은 폭발을 일으키며 초신성이 된다. 이 때 바깥층의 물질은 우주공간으로 날아가고, 중심부의 물질은 반대로 내부를 향해 짜부라져 중성자별[中性子星]이 된다. 이러한 중성자별은 그것에서 나오는 규칙적으로 맥동(脈動)하는 전파인 펄서가 발견되어 그 존재가 확인되었다. 하지만 펄서이 태양보다 10배 이상인 무거운 별들은 폭발 때문에 중심부의 물질이 급격히 짜부라진 후에도 그 중력을 이기지 못하여 더욱 수축하게 된다. 이러한 수축은 천체의 크기가 슈바르츠실트반지름에 이르러서야 정지한다. 천체가 이 임계반지름에 이르면 물질의 모든 사상은 한 점에 모이는, 즉 부피는 0이 되고 밀도는 무한대인 특이현상이 일어나고, 모든 힘을 중력이 지배하게 된다. 이러한 천체는 1789년 프랑스의 P.S.라플라스가 처음 생각한 것으로,
그 속을 빠져나오는 데 필요한 탈출속도는 빛의 속도보다 크기 때문에 결국 빛조차 빠져나오지 못한다.
따라서 이러한 천체는 직접 관측할 수 없는 암흑의 공간이라는 뜻에서 블랙홀이라 부르게 되었다. 일반상대성이론에 따르면 블랙홀은 아주 강력한 중력장을 가지고 있기 때문에 빛을 포함하여 근처에 있는 모든 물질을 흡수해 버린다. 그래서 블랙홀의 내부는 외부와 전혀 연결되지 않은 하나의 독립된 세계를 이룬다. 만일 지구만한 천체가 블랙홀이 된다면 그 반지름은 0.9 cm에 이를 것이고, 태양은 그 반지름이 2.5 km보다 작아진다. 실제로 블랙홀이 될 수 있는, 태양 질량의 10배 이상인 별은 그 반지름이 수십 km밖에 안 되고, 반대로 중력은 지구의 100억 배 이상이 된다. 블랙홀은 직접 관측이 불가능하기 때문에 오랫동안 이론적으로만 존재해왔으나, 근래에 인공위성의 X선망원경으로 백조자리 X-1이라는 강력한 X선원을 발견하여 그 존재가 확실해졌다. 백조자리 X-1은 청색 초거성과 미지의 천체가 쌍성(雙星)을 이루고 있는데, 초거성으로부터 물질이 흘러나와 미지의 천체 쪽으로 끌려들어가는 것이 확인되었으며, 아마도 미지의 천체는 블랙홀로 되어 있을 것으로 추측된다.
한편, 우주의 탄생과 함께 생겨난 원시블랙홀 중에는 태양 질량의 30억 배에 달하는 거대한 것과 빅뱅 후 플랑크시간이라는 아주 짧은 시간 동안 심한 충격파에 의해 생겨난 미소블랙홀이 있다. S.호킹에 따르면 이 미소블랙홀은 크기가 10^-37 cm쯤이고, 질량이 10^-11 g 정도로 아주 작은 것들이며, 시간이 지남에 따라 질량을 잃고 증발한다. 블랙홀은 우리 은하계 안에도 약 1억 개가 있을 것으로 추산된다. 특히 구상성단의 중심에는 태양 질량의 1000배에 해당하는 거대한 블랙홀이 있고, 은하계 중심에는 태양질량의 10억배, 은하단의 중심에는 태양 질량의 10^14배나 되는 큰 블랙홀이 있을 것으로 생각된다.
광속 불변은 운동계(프라임이 붙은계) 정지계(아무것도 붙지않은계) 어느쪽이든 원점이 같을때 이속에서 광속은 일정하다는것인데 "광속이 변하지 않는것이 아니라" 광속의 변화만큼 공간 변화 비율이 동일 하기 때문에. "변하지 않는다고 말한다."
즉, "블랙홀이 공간의 일그러짐이라면 광자의 궤적도 똑같이 일그러져 증속하기 때문에" 공간의 굴곡에 따른 광자 의 탈출 불가현상은 일어 나지 않는다.
블랙홀 주변에서 일어나는 운동에 대해서 생각해봐야겠죠.
우선 블랙홀을 향해서 똑바로 떨어지는 물체의 운동을 생각해봅시다.
그것을 잘 정리해서 적분하면 우리는 떨어지는 물체 위에 있는 관측자가 (즉 움직이는 관측자가)느끼는 시간을 구할 수 있습니다. (적분과정이 복잡해서 생략합니다)
그 결과는 cycloid라는 형태의 값을 갖게 되는데 이 값을 언제는 유한한 값을 가지게 됩니다.
다시 말하면 떨어지는 물체위에 있는 관측자는 사건의 지평선(event horizon)을 넘어서 특이점(singularity)에 이르기 까지 유한한 시간을 가진다는 말입니다.
이 결과는 당연한 말이라고 생각되겠지만,
만약에 우리, 즉 먼 거리에 있는 관측자가 그 물체의 운동을 본다면 어떻게 될까요?
그 물체의 운동은 우리가 보기에도 사건의 지평선을 지나서 특이점을 향하여 갈까요? 정답은 NO 입니다.
상대성이론에서는 시간의 개념은 항상 상대적입니다. 떨어지는 물체위의 시간을 고유의 시간이라고 보통 τ (타우)로 표시하고 우리의 시간을 일반적으로 t 라고 표시합니다. 그리고 둘 사이에는 일정한 관계식이 존재합니다.
아까 적분한 식은 물체의 시계이고 이번에는 우리의 시계로 변수를 바꾸어서 계산을 하면 결과는 어떤 거리에서 사건의 지평선에 다다르기 까지는 무한의 시간이 걸립니다.
즉 우리가 블랙홀에 떨어지는 어떤 물체를 보면 그 물체는 떨어지다가 점점 속도가 줄고 사건의 지평성 근처에서는 거의 정지한 것처럼 보입니다. 블랙홀물체가 얼어붙은 것처럼 말이죠. 그래서 예전에는 블랙홀을 frozen star라고 부르기도 했습니다.그 물체가 사건의 지평선에 가까이 가면 갈수록 그 물체시계의 1초가 우리시계의 수백,수천만 배가 되고 결국에는 무한대가 되기 때문입니다. 우리는 결코 어떤 물체가 블랙홀 사건의 지평선을 건너는 것을 볼 수 없습니다.
여기서 언급 해야할것이 있읍니다. "슬링샷" 기법을 이용, 태양계를 탈출한 파이어니어호. "스윙 바이 " 라고도 하져.
기법은 아주 간단합니다. 천체에 중력장을 업고 천체를 향해 추락하듯 떨어지면서 얻어낸 추력으로 천체의 중력장을 이기고 탈출하는것입니다. 때문에 파이어니어 호가 태양계를 탈출할때, 태양계 내에 가장 거대한 물체, "태양"을 향해 발사돼었고, 태양으로부터 한껏 얻어낸 힘으로 태양계를 탈출했읍니다.
달착륙선의 경우도 지구를 쉽게 탈출하기위해 직접 달을 향하지않고 지구 자전방향을 향해 발사돼어 (자전력을 업고 날아가는것임.따라서 적도에 가까울수록 좋은 발사기지가 됌. 적도는 항상 날씨가 맑으므로 날씨문제도 없음.) 지구에서 어느정도 벗어난후 지구 주변을 한바퀴 돌아 슬링샷 기법으로 달을 향해 던져진다음, 달에 중력권에 도달후 착륙합니다. 달은 지구보다 중력장이 작은 만큼 보다 저고도로 재차 슬링샷을 시도해서 지구로 날아옵니다.
화성탐사선의경우도 태양을 한바퀴돌고 갔지요. 이유는 간단합니다. 지구에서 오로지 고체연료의힘만으로 날아가는것은 슬링샷기법으로 태양을 멀리 돌아가는것보다 느립니다. 지구에서 태양 방면으로 발사됀후 연료 소모를 최소한으로 억제하면서 태양중력에몸을 의지하고 끌려간후 태양 중력에 빨려들기전 한계점에서 가속해서 탈출 속도를 얻어내는것이 이후 장거리 항행에도 유리하고 훨씽 연료절감. 비록 수많은 계산과 힘든 수학공식 사이에서 고생해야 했고, 결국 오류로 한척 잃었지만. 이 기법이 없다면 엄청난 시간과 돈을 들여 현행보다 훨씬 거대한 로켓이 필요해질겁니다.
빛이라고 그걸 못할 이유는 없지요?