블랙홀
뉴튼이 사과나무 아래에 누워 있다가 사과가 떨어지는 것을 보고 발견했다는 만유인력의 법칙을 모르는 사람은 없습니다. 그러나 만유인력이 무엇이냐고 물어본다면 명쾌하게 답을 할 수 있는 사람은 실상 그리 많지 않습니다. 만유인력은 쉽게 말해서 모든 물체 사이에서 작용하는 서로 끌어당기는 힘을 말합니다. 태양계에서 태양을 중심으로 태양계 행성인 수성 금성 지구 화성 목성 토성 천왕성 해왕성이 밑으로 추락하지 않고 공전할 수 있는 이유가 바로 이 만유인력 때문입니다.
만유인력 중에서 특히 지구가 물체를 잡아당기는 힘을 중력이라고 하는데 이 중력 때문에 사과가 사과나무에서 떨어지고 사람이 공중에 떠다니지 않고 지표면에서 생활할 수 있습니다.
우주에서는 이러한 지구의 중력이 없기 때문에 사람이 둥둥 떠다니고 이를 무중력 상태라고 말합니다. 만유인력의 크기 즉 끌어당기는 힘의 크기는 그 물체의 질량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다고 합니다. 즉, 지구의 중력은 지구의 질량(크기)과 비례해서 커지고 지구에서 멀어지는 거리의 제곱에 비례에서 작아집니다. 그럼 지구에서 지구의 중력을 이길만한 큰 속도로 물체를 던지면 어떻게 될까요? 지구의 중력보다 더 큰 속도라면 당연히 지구 밖으로 탈출하게 될 것이고 그렇지 않다면 속도만큼 하늘로 올라가다 다시 중력에 끌려 땅으로 떨어질 것입니다.
이 공식에 의하면 지구를 탈출하려면 초속 11.2km 보다 더 빠른 속도를 가져야 합니다. 따라서 초속 11.2km를 지구 탈출 속도라고 부릅니다. 지구보다 11배나 큰 목성에서는 질량이 클수록 중력이 강하다는 공식에 의해 당연히 지구보다 표면 중력이 높고 따라서 목성의 탈출 속도는 초속 59.5km, 시속 214,200 km가 필요하다고 합니다. 지구 탈출 속도 초속 11.2km를 시속으로 환산하면 40,320 km입니다. 즉, 우주로 나가기 위해서는 우주선은 시속 40,320km 이상의 속도를 가져야만 지구를 벗어 날 수 있습니다.
인간이 인지하고 있는 현재까지 알려진 가장 빠른 속도를 가진 것은 빛입니다. 빛의 속도는 1초에 지구 일곱 바퀴 반을 갈 수 있고 이를 시속으로 환산하면 10억 km 정도 된다고 합니다. 정말 어마어마한 속도가 아닐 수 없습니다. 그런데 만일 어떤 물체의 크기가 너무 크고 이 물체의 표면 중력이 역시 너무 커서 빛의 속도를 가지고도 이 물체를 탈출하지 못한 다면 어떻게 될까요?
지구를 벗어나려면 시속 4만 km 이상의 추진력이 필요하고 목성을 벗어나려면 시속 20만 km 이상의 추진력이 필요합니다. 그런데 빛의 속도인 시속 10억 km의 추진력을 가지고도 끌어당기는 중력을 이기지 못해 그 물체를 빠져나가지 못한다면 과연 그 물체의 크기는 도대체 얼마나 될까요? 이렇듯 빛 조차 빠져나가지 못할 정도로 강한 중력을 가진 물질, 천체를 블랙홀이라고 합니다. 이 블랙홀은 1789년 영국과 프랑스의 수학자들이 처음으로 생각해낸 것으로 오랫동안 그저 이론상으로만 존재하다 1915년 아인슈타인의 상대성이론으로 입증되었으며 최근 2019년 4월 8개 대륙에 위치한 전파망원경을 통해 인류 최초로 블랙홀이 관측되어 블랙홀은 실제로 존재한다는 것이 입증되었습니다. 지구의 지름이 12,756km인데 이 블랙홀의 지름은 160억 km라고 합니다. 즉 지구보다 125만 배나 더 큰 지름을 가지고 있고 질량은 태양의 65억 배나 된다고 합니다. 태양의 질량이 지구의 33만 배나 되니 블랙홀의 크기가 얼마나 큰지 상상조차 되지 않습니다. 빛의 속도가 블랙홀의 탈출 속도에 못 미친다는 사실이 수긍이 갈 정도의 블랙홀의 크기입니다. 그런데 우주는 이런 블랙홀을 수십만, 수백만 개를 가지고 있다니 우주의 크기를 생각하면 머리가 복잡해집니다.
어릴 적 무한의 우주공간을 생각하다 잠을 못 이룬 적이 있었습니다. 도대체 우주는 누가 만들었으며 시간과 공간의 끝은 과연 존재할까? 존재한다면 그 끝의 다음은 또 무엇인가? 시간과 공간의 끝이 없다면 과연 어떻게 되는 것인가? 꼬리에 꼬리를 문 의문들에 결국은 자문자답을 포기하고 새벽에 잠이 들곤 했습니다. 그런데 지금도 가끔 이 의문에 대해 고민을 하곤 합니다. 시간의 끝은 있는지 공간의 끝은 있는지… 내 결론은 없다입니다. 결국은 영원과 무한으로 귀착됩니다. 그런데 그 영원과 무한이 그렇게 무서울 수가 없습니다. 끝이 없다는 것 그것은 인간의 차원에서는 풀 수 없는 방정식이기에 더욱 무서운 것 같습니다. 다행히 인간의 생은 유한하기에 그저 나에게 주어진 그 인생 여정을 잘 지낼 수 있도록 노력해야겠습니다. 그 이후의 차원에서는 또 무언가 있겠지요.
